基于C8051F120的多傳感器定位系統(tǒng)研究

劉 超，李玉惠，李 勃，鄭占領

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

GPS定位系統(tǒng)在全球已得到廣泛的應用，市場上與GPS相關的產品多不勝數(shù)，但功能單一的GPS定位已經(jīng)不能滿足人們的要求，關于目標定位的產品也朝著多信息的方向發(fā)展，即不僅能夠得到GPS坐標，還能得到方向、距離和速度等信息［1-3］。在該背景下，如果將GPS模塊作為定位基本模塊，并融合電子羅盤模塊和加速度傳感器模塊，能測出物體的坐標位置、方位和速度，即可豐富目標定位的信息。筆者研究的系統(tǒng)預留了多個串口，便于系統(tǒng)功能的擴展。

1 系統(tǒng)總體結構

該系統(tǒng)主體為一套基于C8051F120單片機的實驗平臺，通過預留的接口接入GPS模塊、電子羅盤模塊和加速度傳感器模塊。GPS接收模塊用來接收目標的地理坐標，電子羅盤提供物體運動方位角，加速度傳感器模塊提供物體的速度，三者的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過C8051F120單片機串口、I2C控制以及模數(shù)轉換處理等一系列過程便能得到物體的相關位置狀態(tài)信息。

2 系統(tǒng)各模塊的功能

2.1 C8051F120單片機

C8051F12x系列器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳(100腳TQFP封裝)。其具有高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(100 MI/s或50 MI/s)且有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口(片內)和真正12位或10位、100 kS/s的 ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關，內部資源多，存儲量大［4］。

具有片內VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F12x和C8051F13x器件是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash存儲器還具有在線重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。

片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU進行非侵入式(不占用片內資源)、全速和在線調試。該調試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。

該系統(tǒng)使用該單片機的串口、I2C接口以及模數(shù)轉換通道。

2.2 GPS模塊

該系統(tǒng)采用了IT500模塊作為GPS信號采集模塊。該模塊能輸出符合 NEMA0183標準的ASCII碼形式的數(shù)據(jù)信息，因此通過C8051F120單片機的串口即可與該模塊通信。默認狀態(tài)下該模塊輸出 GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC 格式的信息。用戶可以通過發(fā)送命令控制該模塊的輸出。在實際應用中一般采用最簡格式輸出，即GPRMC格式輸出。

2.3 電子羅盤

電子羅盤可以提供目標物的運動方向，該系統(tǒng)選用SCH9003模塊進行電子羅盤數(shù)據(jù)的采集。該模塊支持I2C通信協(xié)議，在單片機內部可以將端口配置為I2C接口，經(jīng)過簡單的操作即可與該模塊進行通信［5-6］。需要注意的是電子羅盤是測水平方向運動的，因此測試時應水平放置。

2.4 加速度傳感器

通過加速度傳感器可以采集到目標的加速度，該系統(tǒng)采用ADXL213模塊采集加速度數(shù)據(jù)。通過分析動態(tài)加速度，可以分析出設備移動的方式。該模塊兩個輸出分別為X軸和Y軸的加速度信息。將其輸出接入到單片機模數(shù)轉換通道，在單片機內即可得到加速度的數(shù)字量。

2.5 可擴展模塊

系統(tǒng)加入可擴展模塊主要是為了能根據(jù)用戶的要求加入其他的傳感器。一般情況下，很多傳感器是支持串口的，因此該系統(tǒng)采用SP3539芯片將1個串口擴展成了5個串口［7-8］，其中1個用于GPS模塊，其他4個可以連接其他的傳感器，進一步豐富定位信息［9］。

2.6 用戶界面

用戶界面用于用戶對系統(tǒng)的操作，它由液晶顯示屏和按鍵模塊組成。按鍵有向上、向下、確認和取消4種功能鍵，液晶顯示屏初始顯示的是菜單界面，菜單界面有多個選項供選擇，通過向上、向下按鍵來選擇查看或修改GPS模塊、電子羅盤模塊和加速度傳感器模塊信息，按確認鍵即進入該選中模塊信息界面，在該界面中可以看到該模塊傳回的數(shù)據(jù)，也可對該模塊進行參數(shù)設置。

通過按鍵和液晶屏實現(xiàn)菜單操作的關鍵是對狀態(tài)進行控制。通過按鍵實現(xiàn)畫面之間的切換。每次鍵按下，系統(tǒng)內部會進行一次按鍵處理，得到鍵值，再結合當前的顯示狀態(tài)，判斷得出下一狀態(tài)，通過更新狀態(tài)從而實現(xiàn)畫面的切換。

3 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)中C8051F120單片機有8個I/O口和1個12位的8通道模數(shù)轉換通道。其中端口0～4可以進行交叉開關配置，即可通過端口配置將普通I/O口配置成UART接口和I2C接口等其他數(shù)字接口。如圖1所示，該系統(tǒng)選擇端口0～4為電子羅盤模塊配置I2C接口，為串口擴展模塊以及液晶屏配置UART接口，并選擇模數(shù)轉換的2個通道接到加速度傳感器上。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

4 系統(tǒng)的軟件設計

軟件系統(tǒng)的設計對于整個系統(tǒng)來說至關重要。在設計的各個環(huán)節(jié)既要保證系統(tǒng)能快速響應，又要保證數(shù)據(jù)能正確無誤地處理。分模塊進行設計比較能夠容易查找軟件中存在的問題。首先，對系統(tǒng)進行初始化，主要是完成一些基本的設置，包括系統(tǒng)時鐘的設定，端口的配置，串口波特率的設定，定時器的設定以及中斷的設定。然后系統(tǒng)進入大循環(huán)，在循環(huán)里先讀取并處理各傳感器模塊的數(shù)據(jù)，接著是按鍵的處理，若有按鍵按下則顯示狀態(tài)改變，接著便顯示由按鍵處理后設定的狀態(tài)，顯示的狀態(tài)包含了用戶所需的不同信息。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

5 系統(tǒng)測試

C8051F120單片機是支持在線調試的，通過Silicon IDE集成開發(fā)環(huán)境，將程序下載到系統(tǒng)中。在室內，由于GPS信號較弱，系統(tǒng)會提示接收不到GPS信號，其他信息接收正常。在戶外，GPS信號接收正常，系統(tǒng)運行良好，通過按鍵的控制可以在液晶屏上顯示出目標的經(jīng)度、緯度、加速度，以及運動方向，而且數(shù)據(jù)可以跟著目標的運動更新改變［10］。

6 結論

該系統(tǒng)采用C8051F120單片機控制GPS模塊、電子羅盤模塊和加速度傳感器模塊，并采集這3個模塊的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)處理成用戶可讀的信息顯示出來。該系統(tǒng)提供目標的經(jīng)度、緯度、加速度以及運動方向，豐富了單個GPS定位信息。通過測試，在室內，該系統(tǒng)能正常顯示目標運動方向和目標加速度，GPS坐標則由于GPS信號弱而不能正常顯示。在戶外，GPS信號接收正常，系統(tǒng)運行良好，通過按鍵的控制可以在液晶屏上顯示出目標的經(jīng)度、緯度、加速度，以及運動方向，并能對數(shù)據(jù)進行實時更新，顯示了良好的特性。系統(tǒng)中擴展了多個串口，只需對軟件稍作更改便可增加其他的傳感器，進一步滿足用戶要求。該系統(tǒng)功能可用于交通監(jiān)控、車載應急指揮系統(tǒng)等場合。

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