基于MSP430單片機的信鴿導航機理研究裝置

饒 磊，邱 宇，劉玉宏，王曉婷

（河海大學物聯網與工程學院，常州213022）

基于MSP430單片機的信鴿導航機理研究裝置

饒 磊，邱 宇，劉玉宏，王曉婷

（河海大學物聯網與工程學院，常州213022）

為了實現對信鴿導航機理的研究，提出了一種基于MSP430單片機的信鴿導航機理研究裝置設計方案，并完成對系統的軟硬件設計。該系統硬件部分主要包括：MSP430單片機模塊、液晶模塊、GPS模塊、SD卡存儲模塊和電源模塊。軟件部分采用IAR進行編程，實現FAT32文件系統在MSP430單片機上的移植，使采集到的數據能直接被Windows操作系統以文本文檔的形式讀出。系統的工作過程是：當處理器檢測到信鴿飛行到設定的位置時（GPS檢測當前位置并與處理器設定的位置信息對比，判斷是否到達指定位置）控制液晶將信鴿的眼睛遮住。同時，430單片機通過串口采集GPS模塊的經度和緯度數據，并以FAT32文件系統格式的TXT文檔存儲到SD卡，通過上位機完成對信鴿飛行軌跡的分析。實際應用表明該系統體積小，重量輕，測量準確，達到了設計要求。

GPS模塊；IAR編譯器；液晶；SD卡；MSP430單片機

1 引 言

信鴿靠什么來準確的辨別方向、識別路線，從千里之外歸巢是困擾人類已久的難題，答案眾說紛紜，因此各種信鴿導航學說也應運而生，如生物鐘導航、地磁感導航、利用太陽偏振光導航、次聲導航說、日位導航說、皮膚導航說、嗅覺導航說、記憶導航法、復印跡線定位、遺傳基因導航說等等。然而直至今日信鴿導航的真實依據仍未破解，科學家們也都一直堅持不懈的在探索。因為這個不解之謎一旦被破解，將會對人類的各種導航系統帶來翻天覆地的變化，給人類生活帶來更多方便，所以非常值得研究和探討。信鴿導航現在除了“地磁場說”這一理論較為大家所認可之外，還有一種“著名”的推測即：光化學羅盤導航。該推測指明，鳥的眼睛里包含一種能接收光線的特別粒子，它能與大腦的視覺中心相聯系。就像指南針依靠其中一根細小的磁鐵來“指南”，鳥兒的眼睛也有像指南針般的作用。這種特別粒子就是現在研究提到的Cryptochrome蛋白，是較新的一個研究成果。為了驗證這種推測，提出了一種基于430單片機的信鴿導航機理研究裝置設計方案。

2 系統設計和工作原理

如圖1所示，本系統由GPS模塊［4］、液晶［3］、SD卡［2］、電源［5］四個模塊組成，以低功耗MSP430F149單片機為主控。電源模塊為整個系統供電，使整個系統可以穩定工作；SD卡模塊通過SPI總線模式與主控模塊連接，將GPS模塊傳來的數據進行存儲；GPS模塊通過串口與主控模塊連接，數據通過串口傳送給主控芯片進行相應的處理；液晶模塊通過主控芯片的兩個引腳進行控制，以達到不同的工作狀態。系統的工作過程是：當處理器檢測到信鴿飛行到設定的位置時（GPS檢測當前位置并與處理器設定的位置信息對比，判斷是否到達指定位置），控制液晶將信鴿的眼睛遮住，同時MSP430單片機通過串口采集GPS模塊的經度和緯度數據，并以FAT32文件系統格式的TXT文檔存儲到SD卡，通過上位機完成對信鴿飛行軌跡的分析，以驗證光化學羅盤導航學說。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

3 系統硬件設計

由于要將本裝置固定在鴿子身上，而鴿子本身負重能力差，所以要求裝置重量輕，體積小，盡量不影響鴿子的正常飛行。下面也是根據這個特點來進行硬件的選取。

3.1 MSP430單片機

主控芯片選用TI公司的MSP430F149單片機［1］。其基本架構是16位的，同時在其內部的數據總線經過轉換還存在8位總線，在加上本身就是混合型結構，因而對這樣的開放型架構來說，無論擴展8位的功能模塊，還是16位的功能模塊，即使擴展模/數轉換或數/模轉換這類的功能模塊也是很方便的，具有較強大的功能，能夠滿足本裝置對其功能的要求。其工作電壓在1.8-3.6V之間，正常工作時功耗可控制在200μA左右，而低功耗時可實現2μA甚至0.1μA。同時，該芯片在8MHz晶體下運算能力達到8MIPS，喚醒時間也很短，只需6μs，相比于51單片機，相同的晶振，速度較51快大約12倍，極大地提高了運行速度。同時MSP430F149在電池供電的低功耗應用中也具有獨特優勢。選取這款芯片作為主控芯片主要考慮電源問題，由于要將本裝置固定在信鴿身上，所以重量受到了極大限制。因此本裝置要做到體積小，電池的重量要盡量輕，所儲存的電能也會相對較少。所以這一優勢能夠節省能量，增加裝置的使用時間，減小鴿子在飛行過程中裝置電量用光的幾率。因此選擇了TI公司的低功耗芯片MSP430F149作為主控芯片。

3.2 GPS模塊

GPS模塊的功能是定位鴿子的地理位置，并且與處理器設定的位置信息對比，判斷是否到達指定位置。GPS采用NEO-6M GPS＋有源天線一體化模塊，該模塊核心采用UBLOX NEO-6M芯片設計和超小型一體化集成天線，性能優越，是一款高性能的GPS定位模塊。此模塊具有高性能、高增益、高信號、高精度、低功耗的優點，其NEO-6M模組，具有50個通道，追蹤靈敏度高達161dBm，測量輸出頻率高達5Hz，模塊自帶高性能無源陶瓷天線，兼容3.3V和5V單片機系統，支持溫啟動和熱啟動。該模塊輸入電壓范圍VCC：3.0V—5.2V；采用二級放大28db高增益25*25有源陶瓷天線，增加模塊定位的靈敏度和準確度；該模塊具有極小尺寸：28*28 *10mm，極大地減小了鴿子的負擔，為裝置能夠安裝在鴿子身上，并且不影響鴿子的正常飛行提供了可能。模塊采用TTL電平輸出，可直接連接至單片機或者ARM主控上面，使其能夠與單片機相連，實現與單片機之間的相互通信。該模塊輸出信息GGA：時間、位置、定位類型；GLL：UTC時間、經度、緯度；GSA：GPS接收機操作模式、定位使用的衛星、DOP值；GSV：可見GPS衛星信息、仰角、方位角、信噪比（SNR）；RMC：時間、日期、位置、速度。這些輸出的信息、頻率與設置有關。模塊數據經由串口RS232輸出，430F149單片機串口接收采集即可。本系統中只需采集GPS輸出的位置、經度、緯度信息，用來定位鴿子的位置，從而采集其飛行軌跡，以用于分析研究。

3.3 SD卡模塊

SD卡通過如圖2所示的硬件電路與430F149單片機相連接。SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的記憶設備，是具有大容量、高性能、高安全性等多種特點的多功能存儲卡，其讀寫速度比MMC卡快4倍多。SD卡可以工作于兩種模式：一、SD模式；二、SPI模式。其中SD模式工作于對SD卡讀寫速度要求較高的場合，SPI模式則是以犧牲讀寫速度換取更好的硬件接口兼容性。由于SPI協議是目前廣泛流行的通信協議，大多數單片機都配備了SPI硬件接口，硬件連接相對簡單，因此，在對于SD卡讀寫速度要求不高的情況下，采用SPI模式是比較好的選擇。SPI模式是一種簡單的命令響應協議，主控制器發出命令后，SD卡模塊針對不同的命令返回對應的響應。SD卡的命令列表都是以CMD和ACMD開頭，分別指通用命令和專用命令，后面接命令編號。例如，CMD17就是一個通用命令，用來讀單獨塊的數據。SD卡通過與單片機相連來實時記錄單片機所發送的數據，記錄鴿子飛行軌跡等信息。并且SD卡體積較小，使裝置更顯輕捷，不至于給鴿子帶來很大的負擔，影響其正常飛行。

圖2 SD卡模塊電路Fig.2 Structure diagram of the SD

3.4 液晶模塊

液晶采用TN正顯全透常溫液晶（見圖3），液晶的工作電壓在3.3V，規格為17*15*13*1.1mm（液晶分上下兩片，大片在下，小片在上）。其扭曲角為90°，通過單片機控制液晶的兩個引腳來實現它的兩種工作狀態（當液晶兩個引腳之間的電位差為零時，液晶為透明狀態；當液晶兩個引腳之間輸入交流電時，液晶為全黑狀態）。單片機引腳上電默認為高電平，此時液晶兩個引腳之間的電位差即為零，液晶為透明狀態；當單片機連接液晶的兩個引腳輸出一定頻率的極性反轉的PWM波時，液晶為全黑狀態。在一定的范圍內，液晶隨著PWM波頻率的增高越來越黑，到達一定的頻率后就不再變化。這樣通過單片機信號的控制，液晶實現在全透明和全黑狀態之間的轉換，從而達到能夠控制對鴿子眼睛的遮光和透明的要求。同時該液晶模塊的工作溫度為0～50℃，所以外界環境溫度和鴿子體溫都不會對液晶產生影響。并且液晶的反應速度較快、消耗能量少、體積較小，這些都是其獨特的優勢，在其滿足正常工作要求的同時，能夠使裝置節能、小巧，這對鴿子導航的探究帶來了很大方便。

圖3 液晶模塊Fig.3 Structure diagram of the LCD

3.5 電源模塊

電源模塊如圖4所示為整個系統供電。本系統采用鋰電池供電，鋰電池的供電電壓為3.6-4.2V，最壞的情況下只有3.5V左右，而系統所需的電壓是3.3V，電壓差只有0.3V，這樣能夠保證電源正常的為其他模塊提供合適的電源，保證其他模塊的正常工作。如果使用普通的LDO芯片，壓差至少在0.8V以上，這時還得需先通過DC-DC進行升壓，再由LDO降壓，增加了電路的復雜性，同時占用大量的PCB空間。經過多方尋找，選用TPS7333這款帶集成延時復位功能的低壓差穩壓器LDO。TPS7333是TI公司的一款超低壓差的LDO，該芯片屬于TPS73XX系列，后兩位表示該芯片的輸出電壓值。如TPS7333表示3.3V，TPS7348表示4.85V，TPS7350表示5.0V。該芯片集成的精密電源監控可對穩壓器的輸出電壓進行監控，脈沖寬度為200ms，具有與負載無關的低靜態電流，典型值為340μA，輸出電流范圍是0mA至500mA，并且在要求嚴格的應用中TSSOP封裝可降低器件的高度。總的來說其主要特點就是超低壓差，帶復位輸出，靜態電流低，體積較小，滿足裝置要求。

圖4 電源模塊電路Fig.3 Structure diagram of the power

4 系統軟件設計

4.1 軟件流程

主流程如圖5所示，當系統開始上電時，GPS模塊數據并未穩定，此期間不采集數據，此時主控芯片完成相關硬件設備初始化工作后即進入低功耗睡眠狀態。當信鴿飛行至預先設定的位置時，主控芯片控制黑白雙色液晶變黑，遮擋信鴿眼睛，同時GPS數據穩定，定時器中斷喚醒主控芯片，GPS通過串口中斷將數據傳輸給主控芯片，主控芯片經過過濾篩選，選出有用的數據，判斷SD卡是否還有剩余存儲空間，如果沒有則停止數據采集，如果有剩余空間則將數據以FAT32文件系統的TXT格式存儲在SD卡上。當信鴿飛回，取下SD，讀出SD卡中的數據，送電腦上位機分析信鴿眼睛被遮擋前后的飛行軌跡，以驗證“光化學羅盤導航”學說。

圖5 軟件設計框圖Fig.3 Structure diagram of the software

4.2 智能化低功耗設計

由于考慮信鴿所載電池電量有限，為了節約電能，使系統能夠工作更長的時間，除硬件設備必要的初始化以外，其余程序均用中斷喚醒。當有數據傳輸時，觸發主控芯片的串口中斷，并判斷是否是需要的數據即經度、緯度、高度，如果是需要的數據則主控芯片完成數據的采集、存儲。如果不是則不進行數據采集、存儲，主控芯片繼續處于低功耗睡眠狀態。

5 實際應用

該系統用于測試信鴿眼睛被遮擋后的飛行軌跡的經度、緯度和高度。查詢GPS輸出的數據格式即可得到信鴿的飛行軌跡。

數據格式如下：

$GPGGA，161229.487，3723.2475，N，12158.3416，W，1，07，1.0，9.0，M，，，，0000*18

對數據按照指定格式進行查詢，$GPGGA是通訊代號，GGA是規范帶頭。依次的數據分別為：標定時間、緯度、北半球或南半球指示器、經度、東半球或西半球的指示器、定位代號指示器、使用中的衛星數目、水平稀釋精度、海拔高度、單位、差分修改DGPS、偏差修正DGPS、差分參考基站代碼ID、綜合檢查碼。經過系統測量后，取下SD卡后，將數據送到PC上進行分析，即可得出信鴿在被遮擋眼睛后的飛行軌跡，為研究信鴿的導航機理提供很大的方便。

6 結束語

該測試系統具有體積小、重量輕、性能穩定等優點，能夠準確測量信鴿遮擋眼睛后的飛行經度、緯度和高度，得出信鴿的飛行軌跡，為人類進一步研究信鴿的導航機理提供方便。

［1］ 洪利，章揚，李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［2］ 魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［3］ 曹磊.MSP430單片機C程序設計與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［4］ 秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［5］ 邱關源.電路（4版）［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［6］ 熊青，戴啟軍，宋亞楠.基于MSP430F149單片機的低功耗電子血壓計設計［J］.電子設計工程，2011，19（14）：184-186.

Carrier Pigeon Navigation Mechanism Device Based on MSP430 Microcontroller

Rao Lei，Qiu Yu，Liu Yuhong，Wang Xiaoting
（College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

In order to achieve the study of carrier pigeon navigation mechanism，this paper proposes a designing scheme of studying carrier pigeon navigation mechanism based on MSP430 microcontroller，and completes the design of hardware and software.The hardware system mainly includes MSP430 MCU module，LCD module，GPSmodule，SD card storage module and power module.The software system adopts the IAR to program for transplantation of FAT32 file system in MSP430 microcontroller，which makes the windows operating system directly read out the collected data in the form of text documents.The process of this system is described aswell.When detecting pigeons fly to set position（GPS detects and compares the current position with set location information to judge whether it arrives the appointed place），the processor will control LCD to cover the pigeon＇s eyes.At the same time，the MSP430 microcontroller，via a serial port，collects the latitude and longitude data of GPSmodule，stores the TXT documents in the form of the FAT32 file system into the SD card，and completes the analysis of pigeons flying trajectory through the upper computer.The practical application shows that the system meets the requirements of design with the features of small volume，lightweight and measurement accuracy.

GPSmodule；IAR compiler；Liquid crystal；SD card；MSP430 microcontroller

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.021

TN491

A

1002-2279（2015）03-0078-04

饒磊（1992-），男，河南省信陽市人，本科生，主研方向：嵌入式系統。

2014-07-09