一種戶外多功能定位與測量裝置的設(shè)計實現(xiàn)

摘 要：本設(shè)計是針對在戶外登山、旅行、勘測過程中常常既需要定位系統(tǒng)，又需要溫度、高度、氣壓、濕度等參數(shù)測量系統(tǒng)的情況下，設(shè)計的一種多功能便攜式測量工具。本系統(tǒng)采用STM32作為控制器，移植了μC/OS實時操作系統(tǒng)，驅(qū)動GPS模塊和各種傳感器模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集顯示。本系統(tǒng)采用了0.96’OLED作為顯示單元，STM32引入了低功耗模式，鋰電池供電，提升了系統(tǒng)的便攜性和低功耗。

關(guān)鍵詞：STM32；定位；測量；μC/OS

中圖分類號：TP216

在戶外的登山、旅行、勘測中，經(jīng)常要使用定位系統(tǒng)，比較常見的是GPS定位裝置。雖然智能手機中也具備GPS定位導航的功能，但是無法測量溫度、氣壓、濕度等數(shù)據(jù)，并且智能手機的電池也不能維持較長時間。針對這些現(xiàn)狀，本文研究了一種在戶外使用的多功能定位、測量工具，它具備定位功能，可以測量溫度、高度、氣壓、濕度等參數(shù)。系統(tǒng)使用STM32作為控制器，處理速度快，主頻可運行至180MHz；使用0.96’OLED作為顯示單元，小巧且清晰，功耗低；采用了μC/OS實時操作系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)各任務(wù)的調(diào)度，提升了處理器的效率；處理器引入低功耗模式，進一步降低了系統(tǒng)功耗，提升了電池的耐用性。

1 系統(tǒng)的硬件功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)的主控芯片采用STMicroelectronics公司的ARM Cortex-M4內(nèi)核芯片，型號為STM32F429ZIT6，帶浮點運算單元，最高主頻可以運行至180MHz。本系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

1.2 系統(tǒng)的各部分模塊介紹

1.2.1 GPS模塊

本設(shè)計具體采用ATK-NEO-6M-V2.3高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，模塊自帶MAXIM公司高增益（20.5dB）LNA芯片與高性能陶瓷天線結(jié)合，組成接收天線，相當于集成有源天線了。為了有更好的接收效果，模塊還提供IPX接口，以供自行連接有源天線，從而組成\"雙天線\"，提升接收性能。模塊自帶EEPROM，所有配置信息都可以保存在EEPROM，滿足配置需求。模塊還自帶可充電后備電池，以支持溫啟動或熱啟動，在主電源斷電后，可以維持半小時左右的GPS接收數(shù)據(jù)保存。本模塊通過TXD和RXD串口與主機通信。

1.2.2 OLED模塊

0.96’OLED模塊采用128×64高分辨率，可視角度大于160°，便于在陽光下清晰的顯示數(shù)據(jù)，適合于戶外的環(huán)境。模塊采用SSD13063作為驅(qū)動芯片，正常顯示時功耗為0.06W，超低功耗，遠低于TFT顯示屏，有助于在戶外環(huán)境下節(jié)省電池能源。本模塊采用四線SPI控制方式，分別為SCL（時鐘）、SDA（MOSI數(shù)據(jù)）、RST（復(fù)位）、DC（數(shù)據(jù)/命令）。這種控制方式有利于節(jié)省IO資源，穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)。

1.2.3 電子羅盤模塊

本模塊的型號是GY-273，芯片采用的是HMC5883L三軸磁場模塊?；裟犴f爾 HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。本模塊采用IIC通信協(xié)議與主機通信。

1.2.4 溫濕度、氣壓傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的是單總線數(shù)字溫濕度傳感器DHT11模塊和BOSCH BMP085數(shù)字式氣溫氣壓模塊，分別采用單總線和IIC方式通信。這兩種模塊也是市面上比較常見的模塊，測量精度基本滿足戶外條件的測量要求。

3 系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計

3.1 μC/OS操作系統(tǒng)的移植

μC/OS是商用的開源的實時操作系統(tǒng)，性能十分優(yōu)越，占用系統(tǒng)資源少，支持的處理器較多。本設(shè)計中將μC/OS操作系統(tǒng)移植到STM32F429ZIT6，主要參考了Micriμm公司對類似型號評估板IAR STM32F429II-SK的移植程序。圖2是整個系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)圖。這里使用了最新的μC/OS III，相比μC/OS II在功能上有所增強，例如同時支持優(yōu)先級與時間片調(diào)度算法；將中斷級任務(wù)調(diào)度交給系統(tǒng)任務(wù)處理，大大縮短了中斷執(zhí)行時間；采用哈希散列表機制處理時鐘節(jié)拍等等，但這些都需要以占用更多內(nèi)存資源為代價。[1]

圖2 程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 各模塊驅(qū)動的移植

本系統(tǒng)中使用的模塊，其驅(qū)動比較常見，也比較容易。作者的主要工作是將這些驅(qū)動移植到STM32F429ZIT6處理器中，并在μC/OS中進行調(diào)度。本系統(tǒng)設(shè)計了五個用戶任務(wù)，分別是按鍵控制、GPS模塊、電子羅盤、溫濕度傳感器、氣壓傳感器的數(shù)據(jù)讀取。這五個任務(wù)由系統(tǒng)調(diào)度，充分利用系統(tǒng)資源，將讀取到的數(shù)據(jù)顯示在OLED上。按鍵的功能，一方面是選擇當前OLED中顯示的數(shù)據(jù)，另一方面是使CPU進入低功耗的待機模式。STM32F429ZIT6處理器支持低功耗的模式，在不使用的時候維持較少的電源供電，但也能迅速的恢復(fù)原來的任務(wù)狀態(tài)。

圖3為軟件整體流程圖。

圖3 軟件設(shè)計流程框圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計中考慮了低功耗的設(shè)計部分，也考慮到了戶外的條件，實用性比較強，如果進行相應(yīng)的優(yōu)化和改進，是可以應(yīng)用到實際中的。

參考文獻：

[1]Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-III[M].宮輝等，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2012.11：2.

作者簡介：李寶平（1984-），男，南京航空航天金城學院實驗中心教師，講師，南京航空航天大學本科畢業(yè)，東南大學電子與通信工程碩士在讀，研究方向：實驗教學、嵌入式系統(tǒng)、FPGA。

作者單位：南京航空航天大學金城學院，南京 211156