基于GPS&GSM的便攜式定位裝置的設計與實現

摘 要：基于GPSGSM的便攜式定位裝置以STM32F103

CBT6單片機作為主控芯片協調和控制各個模塊的工作；采用瑞士的U-BLOX公司的NEO-6M-0-001 GPS模塊來接收衛星數據，使用SIMCom公司的SIM900A模塊用來接收控制命令，向用戶發送定位信息和反饋信息；主控芯片與GPS和GSM模塊通過串口進行通訊；人機交互界面設計使用了北京迪文科技有限公司的液晶顯示屏，并通過SIM卡存儲信息。

關鍵詞：GPS；GSM；SIM900A；人身安全；便攜式裝置

隨著嵌入式的高度發展和GPS的廣泛應用，現在的車載導航與手持導航設備的開發已成為熱門方面。顯然，傳統的基于PC架構的定位系統無法適應市場的需求。GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立操作系統的GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。

一、硬件設計

該裝置主要由充電管理模塊、穩壓模塊、主控芯片模塊、顯示屏模塊、加速度計模塊、GSM模塊、GPS模塊、USB模塊、存儲卡等模塊構成。

主控芯片模塊定時采集加速度計模塊的信息，判斷使用者是否處于危險狀態，同時根據GPS模塊精準定位，判斷使用者是否在安全范圍之內。若一旦出現危險，則控制模塊會把相關信息通過GSM網絡發送至特定的手機用戶上，而且信息會在顯示屏模塊上出現。裝置外還安裝有一個求救按鍵，當被保護人遇到危險時，可以按下該鍵向指定的電話號碼求救，當指定號碼收到短信后，撥打裝置內部SIM卡的號碼后可實現監聽。充電管理模塊由鋰電池供電，可以利用USB接口模塊直接充電，裝置內置充電管理芯片。該裝置可以通過長按某一特殊按鍵的方式重新設定位置信息的參考點，并將信息存儲在存儲卡模塊。如圖所示：

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圖1基于GPSGSM的便攜式定位裝置的原理圖

1.充電管理模塊和USB模塊

充電管理模塊通過USB模塊連接電源直接供電，芯片使用BQ2057。該系列是美國TI公司生產的先進鋰電池充電管理芯片，BQ2057系列芯片適合單節（4.1V或4.2V）或雙節（8.2V或8.4V）鋰離子（Li—Ion）和鋰聚合物（Li-polymer）電池的充電需要，利用BQ2057設計的充電器電路簡單的特點，可將其應用于目前的便攜式裝置的電源管理，對于便攜式電子產品的緊湊設計很有意義。利用該芯片的7號管腳CC（充電控制輸出端）來控制輸出的電流大小以達到控制電池充電速度的目的。TS端為溫度感測輸入端，可以不接。STAT為充電狀態輸出端，充電時STAT輸出高電平，紅燈亮；充電完畢后STAT輸出低電平，三極管導通，綠燈亮。

2.主控芯片模塊

STM32F103系列微處理器是首款基于ARM Crotex3M體系結構的32位標準RISC（精簡指令集）處理器，提供很高的代碼效率，在通常8位和16位系統的存儲空間上發揮了ARM內核的高性能。該系列微處理器工作頻率為72MHz，內置高達128K字節的F1ash存儲器220K字節的SRAM，具有豐富的通用I/0端口。作為最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實現MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數目、降低的系統功耗，同時提供了卓越的計算性能和先進的中斷響應系統。豐富的片上資源使得STM32F103系列微處理器在多種領域如電機驅動、實時控制、手持設備、Pc游戲外設和空調系統等都顯示出了強大的發展潛力。利用芯片內在的看門狗監控程序的運行狀態，保證了程序的可靠性。

3.顯示屏模塊

使用北京迪文科技股份有限公司的觸摸屏作為顯示屏模塊，該顯示屏具備簡易可調、體積小、易編程等優點。觸摸屏的供電是3.3V-5V，3.3V為臨界啟動電壓，為了讓觸摸屏能夠正常啟動，保證輸出功率，在串口輸出端接上拉電阻。

4.重力加速度計模塊

mma7660只是一個3軸g-sensor，它主要用于測量傾斜角、慣性力、沖擊力及震動，mma7660是一種電容式g-sensor.電容式g-sensor大多為歐美廠商，其技術是在wafer的表面做出梳狀結構，當產生動作時，由偵測電容差來判斷變形量，反推出加速度的值.免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了芯片的體積。MPU-6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，可由第二個I2C端口與其他的加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數位運動處理（DMP：Digital Motion Processor）硬件加速引擎連接。

5.GSM模塊

GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。

6.GPS模塊

GPS模塊就是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關外圍電路而組成的一個集成電路。GPS模組整合靈敏度高，功耗低，GPS芯片組解決方案，在緊湊的設計里，可將同時追蹤多達20顆衛星，并迅速確定，1Hz導航更新，廣泛應用于如掌上電腦、個人數字助理、導航器、手機，電腦或其它的電池操作的導航系統。使用的天線是陶瓷平板天線，這種天線成本低，外部加有源放大電路，接收信號方向單一，增益比較高，所以采用最多。

二、電磁干擾的分析與改善

對于所有的電子產品來說，EMI也就是電磁干擾是一個非常重要的問題，尤其像本文設計的帶有GPS和GSM這樣的高頻模塊的手持設備，EMI的問題是非常嚴重的，這兩部分的信號十分容易被干擾，從而影響性能。

1.干擾來源

（1）主控制器眾多的I/O口，由于在設計和制版時非常多的穿線孔來引出其他的走線。使得很多的電磁場通過這些孔輻射出來。

（2）存儲器的電磁輻射，主要是因為數據線和地址線及時鐘產生的高頻信號，電磁輻射也是很大的。

（3）液晶屏的排線會產生很多的電磁輻射，主要是因為液晶屏的排線緊密，且都為高頻數字信號和時鐘信號，故電磁輻射很大，另外還有GPS和GSM模塊的天線之間的干擾。

2.抗干擾設計

不用的管腳盡量少懸空，一般接上拉或降低輸入阻抗；GSM和GPS模塊的地步加屏蔽殼，模塊和單片機通信線盡可能短；天線的連接，距離射頻連接點的主電路板和天線匹配電路連線應該盡量縮短，并且避開存儲器，液晶屏等數字電路，走線時按照一定的方向，減少交叉；電源線應盡量能粗，以減少環路電阻，同時，使電源線，底線的走向和數據傳遞的方向盡可能的一致，以提高抗干擾能力。

三、結束語

本裝置將GPS技術和GSM技術進行有效的結合，設計一種功能相對簡單的手持定位裝置，并由服務運行商給予服務支持，將人們熟悉的技術應用到關愛老人、兒童、殘疾人等群體，讓其滿足人們應用的需求，并且使其比市場上現有的產品功能更加全面，服務更加可靠。