基于STM32＋ucGUI的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅衛(wèi)兵，胡健生

（武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安710086）

1 引 言

隨著導(dǎo)航模塊的小型化，在手持設(shè)備上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的應(yīng)用越來(lái)廣泛。目前，對(duì)于帶有界面顯示功能的手持定位設(shè)備，主要都是使用GPS系統(tǒng)，并且基于“嵌入式處理器＋嵌入式操作系統(tǒng)＋GUI”實(shí)現(xiàn)的［1－3］。然而，隨著我國(guó)自行研制的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”不斷完善，目前已經(jīng)逐步得到應(yīng)用，將來(lái)應(yīng)用前景必將更加廣闊［4－6］。同時(shí)對(duì)于某些只需實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單顯示功能，對(duì)人機(jī)界面要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，基于上述復(fù)雜嵌入式構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅是對(duì)資源的浪費(fèi)，也提高了開(kāi)發(fā)難度，同時(shí)對(duì)于成熟產(chǎn)品的擴(kuò)展也不太適用。

本文從某款手持設(shè)備用戶需求出發(fā)，只需要提供簡(jiǎn)單的定位信息，而不需要復(fù)雜的導(dǎo)航界面，同時(shí)兼顧設(shè)備已用的其他功能模塊，提出一種基于STM32＋ucGUI構(gòu)架的手持北斗顯示終端系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)北斗（BD2）信號(hào)的接收和解析，并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單導(dǎo)航界面顯示。本文重點(diǎn)研究系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、北斗定位數(shù)據(jù)接收解析和電子羅盤界面設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)在硬件上以STM32嵌入式微處理器為核心，擴(kuò)展了LCD、GPS模塊、存儲(chǔ)器、溫濕度傳感器和氣壓傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)經(jīng)緯度、高度、速度和溫濕度信息的實(shí)時(shí)采集，根據(jù)用戶需求，可對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行精確化管理和科學(xué)預(yù)測(cè)。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of system

系統(tǒng)處理器采用STM32F103BE，使用高性能的ARM Cor－texTM－M3 32 位的RISC 內(nèi)核，工作最高頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（512K 的Flash 和64K 的SRAM），不 需 要 使 用專門的外部Flash 或ROM 固化代碼，具有豐富IO 端口，以及ADC、I2C、SPI、TIMER、UART 等模塊［7］，通過(guò)科學(xué)的復(fù)用可以滿足應(yīng)用需要。

系統(tǒng)存儲(chǔ)器包括串行Flash 和大容量TF卡，均通過(guò)SPI總線與CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。串行Flash使用W25X16，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的中英文字庫(kù)、觸摸屏校驗(yàn)參數(shù)等。TF 卡用于存儲(chǔ)系統(tǒng)圖標(biāo)、應(yīng)用圖片和文本等大容量數(shù)據(jù)；LCD 模塊是由一塊真彩液晶屏（240×320）和LCD 控制器集成，LCD 控制器位ILI9320，通過(guò)16位的8080總線與CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)提供4線電阻采樣端與觸摸屏的AD 芯片ADS7843 相連；CPU 使用4 個(gè)IO 端 口，模 擬SPI 總 線 與 觸 摸 屏ADS7843進(jìn)行通信；CPU 通過(guò)IIC 總線，與溫濕度傳感器STH1X 進(jìn)行通信。

在軟件上，系統(tǒng)采用“驅(qū)動(dòng)層＋GUI”的形式，即在底層硬件驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，直接移植ucGUI圖形用戶接口。系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，且任務(wù)量相對(duì)較少，完全可以使用CPU 中的定時(shí)器和中斷實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)動(dòng)；同時(shí)為了保證GPS信息的可視化顯示，應(yīng)該使用圖形用戶接口（GUI），而ucGUI又是最合適本系統(tǒng)的，可為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用，提供高效的獨(dú)立于處理器及LCD 控制器的圖形用戶接口，可獨(dú)立于操作系統(tǒng)，直接使用，支持豐富的圖形庫(kù)、字體和窗口管理器［8］。

本文重點(diǎn)闡述BDII定位信息的接收、解析和顯示等內(nèi)容的設(shè)計(jì)。

3 北斗定位模塊控制與數(shù)據(jù)解析

3.1 UM220模塊及其初始化

UM220是北斗聯(lián)星公司針對(duì)車輛監(jiān)控、氣象探測(cè)和電信電力授時(shí)等應(yīng)用推出BD2／GPS雙系統(tǒng)模塊。UM220是市場(chǎng)上尺寸最小的BD2／GPS模塊，集成度高，功耗低，非常適合北斗系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。這里只研究其中北斗定位信息的提取和顯示。產(chǎn)品具有尺寸小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)支持BD2 和GPS 的但系統(tǒng)獨(dú)立定位和多系統(tǒng)聯(lián)合定位，支持UART，SPI，1PPS 和I2C等多種接口。

UM220模塊正常工作前，要通過(guò)指令對(duì)其進(jìn)行初始化。主要配置如下信息；

（1）設(shè)置串口指令，對(duì)模塊輸出數(shù)據(jù)的端口和協(xié)議 進(jìn) 行 配 置，指 令 如 下＄CFGPRT，1，0，115200，3，2。這里使用串口1，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8bit，波特率為115 200，模塊輸入的數(shù)據(jù)格式為和芯星通軟件接口協(xié)議，即對(duì)模塊進(jìn)行配置，輸出的數(shù)據(jù)格式為NMEA 協(xié)議。

（2）設(shè)置衛(wèi)星系統(tǒng)配置，接收機(jī)收到該指令后會(huì)自動(dòng)復(fù)位，設(shè)置的開(kāi)啟衛(wèi)星頻點(diǎn)在復(fù)位后生效.＄CFGSYS，h10。這里為了驗(yàn)證北斗系統(tǒng)的定位效果，僅啟動(dòng)北斗定位系統(tǒng)。

（3）設(shè)置輸出NMEA 配置，＄CFGNMEA，h30.輸出的NMEA 版本為在version3基礎(chǔ)上擴(kuò)展的BD2相關(guān)語(yǔ)句。

（4）設(shè)置消息輸出頻度。通過(guò)該指令可設(shè)置模塊NMEA 消息類中各條指令的輸出頻率，也可屏蔽不需要指令。＄CFGMSG，0，1，0，＄CFGMSG，0，2，0，＄CFGMSG，0，3，0，＄CFGMSG，0，5，0，關(guān)閉GLL，GSA，GSV，VTG 等4條指令，指令輸出頻率保留默認(rèn)設(shè)置，即1Hz。

3.2 BD2數(shù)據(jù)的接收

UM220每條NMEA 指令都是一串以“＄”開(kāi)始，以“＊”結(jié)束的字符串，不同指令的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也不同，正確的存儲(chǔ)BDGGA 和BDRMC 指令是正確解析所需的經(jīng)緯度、高度、速度和角度信息的前提。在硬件電路上，UM220模塊與STM32的UART2相連，每隔2s兩條指令發(fā)送一次，因此將使用STM32的UART2中斷函數(shù)來(lái)處理接收的數(shù)據(jù)更為方便。需要設(shè)置的變量如表1所示。

表1 BD2數(shù)據(jù)獲取函數(shù)所需變量Tab.1 Variables of getting BD2data function

BD 數(shù)據(jù)獲取函數(shù)分成3個(gè)部分，即BD 指令類型的識(shí)別，按照類型存儲(chǔ)兩種指令數(shù)據(jù)和BD指令接收結(jié)束。

（1）BD 指令類型識(shí)別，在BD＿RX＿EN＝＝1時(shí)，如果收到指令開(kāi)始符號(hào)“＄”，則表明一條完整的指令開(kāi)始，設(shè)置BD＿BUF＿FLAG 為1，GPS＿RX＿STA 為0，BD＿RX＿LEN 為0，即允許更新BD 數(shù)據(jù)緩存，開(kāi)始接收指令報(bào)頭。

（2）按照類型存儲(chǔ)兩種指令，緊隨“＄”開(kāi)始符后的是指令報(bào)頭字符串，即“BDGGA”或“BDRMC”，若BD＿RX＿STA 為0，即正在接收?qǐng)?bào)頭字符串時(shí)，則將接收到的指令字符串存儲(chǔ)在HEADER＿BUF［］中，由于設(shè)置模塊僅輸出“BDGGA”和“BDRMC”兩種指令，因此根據(jù)第3位判斷當(dāng)前輸出指令的類型，若HEADER＿BUF

［2］為‘G’，則表明當(dāng)前為BDGGA 指令，設(shè)置BD＿RX＿STA 為1，若HEADER＿BUF［2］為‘R’，則表明當(dāng)前為BDRMC指令，設(shè)置BD＿RX＿STA 為2。在此過(guò)程中，執(zhí)行BD＿RX＿LEN＋＋，當(dāng)BD＿RX＿LEN＝＝5時(shí)，則根據(jù)BD＿RX＿STA 的值，將指令的其余字符串存儲(chǔ)到相應(yīng)的緩存中，即BD＿GGA＿BUF［］或BD＿RMC＿BUF［］。

（3）BD 指令接收結(jié)束，當(dāng)串口接收到‘＊’后，則表明一條指令的結(jié)束，另BD＿CMD＿NUM加1，當(dāng)BD＿CMD＿NUM 為2時(shí)，表明分別接收到1 條BDGGA 和1 條BDRMC 指 令，此 時(shí) 令BD＿RX＿EN 為0，停止接收模塊發(fā)送的指令，保護(hù)指令緩存，等待對(duì)指令的解析，并將計(jì)數(shù)器BD＿RX＿LEN 清零。

這里需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)是，BD＿RX＿EN 和BD＿CMD＿NUM 兩個(gè)變量實(shí)際上完成了BD 數(shù)據(jù)接收程序和BD 數(shù)據(jù)解析程序之間的信號(hào)量通信功能，保證了接收緩存在同一時(shí)刻只能被一個(gè)任務(wù)占用，避免了緩存讀寫(xiě)沖突的發(fā)生。

3.3 BD 數(shù)據(jù)的解析

為了便于應(yīng)用程序調(diào)用各類信息參數(shù)，系統(tǒng)必須對(duì)正確接收到的兩條指令進(jìn)行解析，即提取出用戶需要的時(shí)間、經(jīng)（緯）度、高度、速度和方向等信息，故需要定義如下變量。每條NMEA 中包含的不同信息之間以“，”相間隔，這里以對(duì)BDGGA 為 例。 ＄BD2GGA， 063952.000，4002.2299，N，11618.0968，E，1，4，2.788，37.254，M，0，M，＊71是一條典型的GGA 指令，各 段 依 次 含 義 為 時(shí) 間（063952.000）、緯 度（4002.2299）、南 緯 或 北 緯 指 示（N）、經(jīng) 度（11618.0968）、東經(jīng)或西經(jīng)指示（E）、定位狀態(tài)標(biāo)識(shí)（1）、參與定位的衛(wèi)星數(shù)（4）、水平精度因子（2.788 3）、橢球高（37.254）、橢球高單位（M）、海平面分離度（0）、海平面分離度單位（M）、差分校正時(shí)延（空）、參考ID（空）、結(jié)束符合和校驗(yàn)和（71）。

當(dāng)BD＿CMD＿NUM 為2，停止對(duì)BD2指令的接收，依次對(duì)進(jìn)行解析。通過(guò)變量seg的值確定各信息段，再根據(jù)各段信息的長(zhǎng)度即可提取出所需的信息，函數(shù)流程如圖2所示。

表2 BD2數(shù)據(jù)解析函數(shù)所需變量Tab.2 Variables of resolution function

圖2 BD2數(shù)據(jù)各段信息提取函數(shù)流程圖Fig.2 Flow of the information extraction of BD2data

4 顯示界面設(shè)計(jì)

4.1 ucGUI的移植

ucGUI作為一種精簡(jiǎn)、高效的嵌入式圖形支持系統(tǒng)，在使用過(guò)程中主要完成兩個(gè)工作，一是要將其移植到自己的硬件平臺(tái)上，二是要根據(jù)需求編寫(xiě)圖形應(yīng)用程序。

由于ucGUI可以支持任意型號(hào)的LCD 控制器和CPU，即可獨(dú)立運(yùn)行也可與ucOS操作系統(tǒng)配合使用，因此關(guān)于ucGUI移植相關(guān)的參考文獻(xiàn)很多［8－10］，但是在具體移植步驟也有所不同，主要體現(xiàn)在對(duì)配置文件的修改和底層LCD 驅(qū)動(dòng)控制程序的編寫(xiě)。

本系統(tǒng)在移植ucGUI時(shí)，結(jié)合LCD 控制器的型號(hào)，在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)函數(shù)和修改配置文件時(shí)主要參考了文獻(xiàn)［10］，但是由于是獨(dú)立運(yùn)行ucGUI，沒(méi)有系統(tǒng)系統(tǒng)支持，因此需要在移植進(jìn)行修改。具體的修改內(nèi)容和移植過(guò)程，前期已撰寫(xiě)并發(fā)表于網(wǎng)上。

4.2 自動(dòng)設(shè)備對(duì)象（Auto device object）

根據(jù)要求，系統(tǒng)的導(dǎo)航定位信息應(yīng)以電子羅盤的形式直觀形象地提供給用戶。電子羅盤是在2－D 圖形的基礎(chǔ)上，對(duì)幾何圖形進(jìn)行靜態(tài)（表盤）或動(dòng)態(tài)（指針旋轉(zhuǎn)）的顯示。由于定位信息的實(shí)時(shí)更新，界面中的部分幾何圖形也需要實(shí)時(shí)刷新，而ucGUI中的自動(dòng)設(shè)備對(duì)象（Auto device object）就是針對(duì)需要實(shí)時(shí)更新或改變顯示內(nèi)容的需求場(chǎng)合，尤其是像指針這樣屏幕中的小部分實(shí)時(shí)更新的場(chǎng)合，它基于內(nèi)存設(shè)備（memory devices），可以自動(dòng)區(qū)分由固定對(duì)象組成的靜止區(qū)域和由移動(dòng)變化對(duì)象組成的動(dòng)態(tài)更新區(qū)域，不需要更新整個(gè)界面，因此節(jié)約CPU 計(jì)算時(shí)間，有效地避免屏幕抖動(dòng)［8］。使用對(duì)象的主要過(guò)程及關(guān)鍵代碼如下：

（1）定義繪制路徑信息的結(jié)構(gòu)體變量。

5 圖片顯示及界面效果

圖3 系統(tǒng)最終效果圖Fig.3 Final effect of sysetm

系統(tǒng)對(duì)BMP或JPG 格式的圖片顯示，主要針對(duì)以下兩種應(yīng)用：一是復(fù)雜圖形界面的顯示，如主界面的背景及按鍵LOGO；二是簡(jiǎn)易電子地圖的預(yù)覽及縮放功能，對(duì)大范圍高分辨率的電子地圖，根據(jù)需要，按照地圖上的像素位置與實(shí)際地理坐標(biāo)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)圖片上的指定區(qū)域進(jìn)行剪裁顯示，以及縮小和放大顯示。

上述功能的實(shí)現(xiàn)，需要調(diào)用ucGUI的位圖顯示功能，這里需要使用如下API函數(shù)，由于篇幅限制，具體調(diào)用方法這里不再敘述。

系統(tǒng)的主界界面、電子羅盤界面以及電子地圖界面最終效果如圖3所示。

6 結(jié) 論

本文研究的系統(tǒng)，硬件上以STM32 嵌入式處理器和北斗II模塊UM220為核心，軟件設(shè)計(jì)上以u(píng)cGUI為核心實(shí)現(xiàn)了電子羅盤界面，實(shí)現(xiàn)了精確定位及信息的可視化顯示。分別在靜止，步行（1～2m／s）和車載（60～100m／s）等三種環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)的定位時(shí)間小于2 min，熱啟動(dòng)時(shí)的定位時(shí)間小于1min，經(jīng)度緯度不受運(yùn)動(dòng)速度影響，誤差小于3m，而由于GPS定位原理的局限性，實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度越快，定位結(jié)果越精確。同時(shí)，與其他同類定位終端相比，該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是成本低，功耗小，可單獨(dú)應(yīng)用于定位領(lǐng)域，也可以此系統(tǒng)為平臺(tái)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展，應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

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