基于STM32的北斗/GPS定位系統的設計

周孟強，童忠晴，李剛

（湖北文理學院物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

全球定位系統GPS是由美國國防部研制的全球導航衛星系統，于1993年正式投入使用，為用戶提供連續、高精度的三維位置、速度和時間信息及精密導航。我國的北斗衛星導航系統于2004年開始建設，從2011開始對我國和周邊地區提供測試服務，2012年底開始對亞太大部分地區提供衛星導航服務。利用此設計有很廣泛的擴展性，可用于兒童和老人的行蹤掌控，公路巡檢，貴重貨物跟蹤，追蹤與勤務派遣，私人偵探工具，個人財物跟蹤，寵物跟蹤，野生動物追蹤，貨運業，汽車防盜，自行車防盜，電動車防盜，摩托車防盜，銀行運鈔車，軍警演習操控，檢調追蹤，公務車管理等眾多方面。

1 系統工作原理

本設計以STM32F107開發板為基礎，結合AN1502 ATK-NEO-6M GPS模塊，實現STM32單片機和GPS模塊的通信；通過GPS模塊實現定位，STM32對GPS模塊輸入的信息進行讀取和處理，然后在通過OLED顯示得到的定位信息。該系統的總體結構框圖如圖1所示。

該設計還有如下附加功能：定位狀態顯示（衛星顆數、UTC時間等），SD卡數據存儲功能；可以通過RS232串口傳輸坐標和時間至PC機，并通過上位機軟件實現路徑計算和網絡地圖定位。

2 硬件系統設計

整個系統由STM32單片機、AN1502 ATK-NEO-6M GPS模塊、OLED、PC機等構成。系統總體結構圖如圖2所示。

圖2 總體系統結構

本設計所選用的STM32是基于ARM? Cortex? M 處理器內核的 32位閃存微控制器，為MCU用戶開辟了一個全新的自由開發空間，并提供了各種易于上手的軟硬件輔助工具。STM32 MCU有融高性能、實時性強、功耗低、電壓低等眾多優點，同時保持集成度高和便于開發的特點，能方便的完成各種中小型項目。

■2.1 GPS模塊設計

ATK-NEO-6M模塊，是一款高性能的GPS模塊，模塊核心采用的是UBLOX生產的NEO-6M模組，具有50個通道，追蹤靈敏度高，測量輸出頻率高等特性。

ATK-NEO-6M模塊具有以下特點：①模塊采用UBLOX公司生產的NEO-6M 模組，具有小體積和高性能的特點。②模塊使用方便，只通過串口就可設置各種參數并保存在EEPROM里。③模塊有高增益的LNA芯片和陶瓷天線等，有很強的搜索衛星的能力。④模塊兼容3.3V和5V的電平，能外接各種單片機系統。⑤模塊因為有IPX接口，可以連接各種有源天線，有很強的適應能力。⑥模塊自帶備用電池，可以掉電保持星歷數據。ATK-NEO-6M 模塊輸出GPS定位數據采用的是NMEA-0183協議，并通過UBX協議用串口來控制模塊。ATK-NEO-6MGPS模塊的原理圖如圖3所示。

■2.2 OLED模塊設計

圖 3 ATK—NEO—6M GPS 模塊原理圖

OLED的全稱是有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又被稱為有機電激光顯 示（Organic Electroluminesence Display，OELD）。OLED具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優點，被廣泛應用于各種平面顯示。OLED是本設計最重要的人機接口之一。

OLED具有尺寸小、高分辨率、擁有多種接口方式、工作電壓小等特點。OLED模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 OLED 模塊原理圖

該模塊采用8×2的2.54排針與外部相連，一共有16個引腳，在本設計中，我們只使用了16條線里的15條線，其中15號線是懸空的。在已使用的15條線中，1號線接地、2號線接3.3V的電源，3～14和16號線是信號線。但在不同的模式下我們所使用的信號線的數量是不一樣的，在I2C模式下我們僅僅使用了2條，而在8080模式下，我們卻使用了全部的信號線。但無論在什么模式下，我們所使用的復位線RST是共同的，RST線上的低電平會導致OLED復位，因此在每次初始化之前，都應該將復位線RST置于低電平。

3 系統軟件設計

北斗/GPS的功能是把經緯度、高度、速度、溫度、面積、衛星數、UTC時間等信息在液晶上顯示。本系統是通過GPS模塊實現定位，STM32對GPS模塊輸入的信息進行讀取和處理，然后在通過OLED顯示得到的定位信息。因此，本設計處理程序主要由GPS數據處理程序、OLED數據處理程序等組成。

■3.1 GPS數據處理設計

開啟GPS模塊后，接收NMEA-0183格式的信息，提取其中的“GPRMC”語句，若之有效，則提取其中的時間、日期、經緯度；無效則使用RTC提供的時間和日期。再將時間轉換成東八區的時間，判斷位置是否匹配在進行顯示。具體數據流程圖如圖5所示。

這部分代碼主要分為2個部分，一部分采用NMEA-0183協議解析GPS定位數據，另一部分是利用UBX協議對模塊進行配置。

■3.2 OLED數據處理設計

OLED模塊的控制器是SSD1306。SSD1306的顯存的大小為128×64bit，SSD1306將這些顯存分一共分成了8個部分。這樣就組成了128×64大小的點陣。在讀寫操作的時候會出現一個問題，因為該模塊是按字節來寫入的，所以當我們只使用寫方式來使用這個模塊的時候，每次都要寫入8個點，這樣的話就必須要清楚所設置的點的字節的每個位當前的狀態是0還是1，否則后寫入的數據會覆蓋掉之前所表現的狀態，結果就會出現混亂，該顯示的點沒有顯示出來，不該顯示的點顯示了出來。如果在讀的模式下，我們可以事先讀出來要寫入的那個字節的當前的狀況，在修改了要改的位的狀態后再寫入GRAM，這樣就能避免在只寫操作下出現的問題。但是這需要能讀GRAM，該模塊在3線或4線SPI模式下不僅不支持讀，而且該方式的速度也很慢。

為了避免出現這種問題，采用的辦法是在STM32的內部建立一個OLED的GRAM（共128×8個字節），那么在每次修改數據的時候，只用修改STM32上的GRAM，修改完成之后可以一次性把STM32上建立的GRAM的信息寫入到OLED模塊的GRAM。SSD1306初始化框圖如圖6所示。

OLED模塊顯示步驟如下：①設置STM32與OLED模塊相連接的IO。②初始化OLED模塊。啟動OLED模塊要對控制OLED模塊的相關寄存器進行初始化，為接下來的步驟做鋪墊。③通過函數處理字符和數字并在OLED模塊上顯示。

4 部分主要程序摘選

void GPS_Analyse(nmea_msg ＊gpsz,u8 ＊buf)

{ NMEA_GPGSV_Analyse(gpsz,buf); //GPGSV 解析

NMEA_GPGGA_Analyse(gpsz,buf); //GPGGA 解析

NMEA_GPGSA_Analyse(gpsz,buf); //GPGSA 解析

NMEA_GPRMC_Analyse(gpsz,buf);//GPRMC解析

NMEA_GPVTG_Analyse(gpsz,buf); //GPVTG 解析 }

//gpsz:nmea：信息結構體

圖5 GPS數據處理流程圖

圖6 SSD1306初始化框圖

//buf：首地址

該部分是NMEA-0183協議解析GPS數據的部分函數，通過數逗號法來解析。NMEA-0183協議是以$GPGSV格式作為開頭，固定輸出格式，因此不論是否有數據輸出，都會有逗號存在，而且有效數據都是以“＊”結尾，所以，我們利用NMEA-0183協議的數據格式，采用數逗號的方法，來解析收到的GPS數據。本代碼實現了GPGGA解析、GPGSA解析、GPGSV解析、GPRMC解析和GPVTG解析。

5 結束語

基于STM32的北斗/GPS定位系統的設計，能實現基本的定位功能，也能讓我們熟練的掌握GPS模塊和OLED模塊的原理和使用方法，同時增強對STM32單片機的理解和使用能力。這項設計貼近我們的生活，同時有很強的延展性，而且具有功耗小、實用性強、可開發性強等優點。