基于STM32和emWin的北斗衛(wèi)星定位終端設(shè)計(jì)

張傳奎，張 春

(1.高端裝備先進(jìn)感知與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)并獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、短報(bào)文通信、授時(shí)、高精度定位和同時(shí)在線用戶容量大等優(yōu)勢[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了正交相移鍵控，擁有較高的頻譜利用率和較強(qiáng)的抗干擾性。它目前已經(jīng)基本無縫覆蓋我國本土及周邊地區(qū)，在水利防汛、交通運(yùn)輸、森林防火、軍事防衛(wèi)領(lǐng)域都有應(yīng)用，具有極高的全境范圍導(dǎo)航定位可用性[2]。我國計(jì)劃于2020年建成范圍覆蓋全球的新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。近年來，很多學(xué)者利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位及導(dǎo)航終端設(shè)備的研發(fā)，越來越多的領(lǐng)域可見到北斗終端的應(yīng)用[3-4]。

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善和交通道路的日益復(fù)雜，人們對導(dǎo)航終端的精度、功耗、可操作性等要求越來越高。然而我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端一般采用分立式元器件，其中的可編程邏輯器件和數(shù)字信號(hào)處理器件等核心處理器件往往依賴國外進(jìn)口，可替代性較小，面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)，存在安全隱患，在未來衛(wèi)星導(dǎo)航終端的發(fā)展中需提高其安全性。并且常見的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端的通用元器件以FPGA+DSP的方式進(jìn)行搭建，這種模式下的通用元器件往往體積比較大而且能耗也比較高[5-7]。因此，相比較于GPS，目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民用上應(yīng)用還較少，主要是由于北斗芯片的成本高，北斗產(chǎn)品的核心零部件和制造水平還有待進(jìn)一步提高[8]。隨著北斗相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步，成本逐漸降低，依靠強(qiáng)大的國內(nèi)市場需求及政府部門的支持，高性能、低成本的北斗導(dǎo)航終端將向市場普及。

為此，研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32和emWin的北斗衛(wèi)星定位終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的所有關(guān)鍵芯片都是基于精簡指令的低功耗芯片，價(jià)格相對低廉。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件上以STM32F429IGT6為核心，使用國產(chǎn)AT6558芯片實(shí)現(xiàn)對北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收，并在LCD上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可進(jìn)行相應(yīng)的觸摸控制。軟件上以μC/OSⅢ為核心，完成任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷服務(wù)等工作，并配合emWin圖形庫，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的授時(shí)、經(jīng)緯度、空間高度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F429IGT6作為主控芯片，主控單元主要用于數(shù)據(jù)處理、輸出控制、圖形繪制等；使用AT6558作為北斗衛(wèi)星接收機(jī)芯片，接收機(jī)用于接收“北斗二號(hào)”衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)，通過UART與主控芯片進(jìn)行通信，信號(hào)接收采用了有源天線設(shè)計(jì)方案；使用μC/OSⅢ作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，進(jìn)行任務(wù)分配等工作；交互界面使用的是7寸1 024*600高分辨率的LCD投射式電容觸摸屏，比傳統(tǒng)TFTLCD擁有更好的視覺和觸覺體驗(yàn)，并利用主控芯片的LTDC進(jìn)行控制顯示；為了增強(qiáng)圖形顯示的性能，降低CPU的負(fù)荷，此處還使用了DMA2D進(jìn)行圖像的填充和搬運(yùn)；觸控部分使用的是GT911驅(qū)動(dòng)IC來檢測電容觸摸，并通過IIC接口輸出觸摸數(shù)據(jù)。電源電路使用AMS1117穩(wěn)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 “北斗二號(hào)”系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 “北斗二號(hào)”系統(tǒng)B1信號(hào)結(jié)構(gòu)

“北斗二號(hào)”系統(tǒng)的信號(hào)可以表示為測距碼、數(shù)據(jù)和正交載波的乘積。系統(tǒng)使用的是“北斗二號(hào)”系統(tǒng)B1頻段信號(hào)。其中，測距碼使用的是開放服務(wù)的I支路的普通測距碼，載波使用的是面向民用的I頻段載波，其頻率為1 561.098 MHz。

B1頻段信號(hào)表達(dá)式如下[9]：

(1)

2.2 射頻前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

射頻前端采用了超外差結(jié)構(gòu)，超外差結(jié)構(gòu)是通信接收機(jī)中使用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，其利用本地產(chǎn)生的震蕩波與輸入信號(hào)混頻，將輸入信號(hào)頻率變換為某個(gè)預(yù)先確定的頻率。其最先是由阿姆斯特朗于1918年提出的。超外差結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 超外差結(jié)構(gòu)示意圖

超外差式射頻前端通過一次或多次下變頻，將天線接收到的信號(hào)經(jīng)射頻濾波器濾除帶外噪聲，再通過低噪聲放大器，然后再與本振信號(hào)混頻，經(jīng)過中頻濾波器和中頻放大器產(chǎn)生所需要的中頻信號(hào)。通過該射頻前端可以接收中心頻率為1 561.098 MHz，帶寬為2.046 MHz的B1信號(hào)。

2.3 QPSK調(diào)制與解調(diào)

“北斗二號(hào)”系統(tǒng)采用了一種新型的數(shù)字調(diào)制技術(shù)QPSK，即正交相移鍵控。其輸入基帶信號(hào)為雙極性不歸零碼元，用以串/并變換產(chǎn)生兩路并行碼元I通道信號(hào)和Q通道信號(hào)，這兩路碼元信號(hào)分別與兩路正交載波相乘，最后相加得到QPSK信號(hào)。其原理框圖如圖3所示, 圖3中ωc為載波頻率。由此“北斗二號(hào)”系統(tǒng)可發(fā)出如式(1)所示的B1頻段信號(hào)。

圖3 QPSK信號(hào)調(diào)制框圖

同樣，在接收端需要對QPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，QPSK信號(hào)解調(diào)時(shí)可以看作兩個(gè)正交的2PSK信號(hào)的疊加，即

圖4 QPSK信號(hào)解調(diào)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取與解析

AT6558是一款高性能BDS/GNSS多模衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)SOC單芯片，片上集成了射頻前端、數(shù)字基帶處理器與電源管理模組。通過該芯片可實(shí)現(xiàn)“北斗二號(hào)”系統(tǒng)B1頻段信號(hào)的獲取與解調(diào)，并通過RS232串口輸出。

接收機(jī)與主控芯片以UART作為主要輸出通道，按照NMEA0183的協(xié)議格式輸出。數(shù)據(jù)以串行異步方式傳送。第1位為起始位，其后是數(shù)據(jù)位。其數(shù)據(jù)傳送方式如表1所示。傳輸數(shù)據(jù)所使用的參數(shù)如表2所示。

表1 數(shù)據(jù)傳送方式

表2 傳輸數(shù)據(jù)所使用的參數(shù)

根據(jù)NMEA協(xié)議框架，設(shè)計(jì)如下的數(shù)據(jù)解析代碼：

u8 Res;

if((__HAL_UART_GET_FLAG(&USART6_BDSHandler,UART_FLAG_RXNE) != RESET))

{

HAL_UART_Receive(&USART6_BDSHandler,&Res,1,1000);

if(Res == '$'){ point1 = 0};

BDS_RX_BUF[point1++] = Res;

if(USART_RX_BUF[0] == '$' && USART_RX_BUF[4] == 'M' && USART_RX_BUF[5] == 'C')

{

if(Res == ' ')

{

memset(BDS_Data.GPS_Buffer,0,GPS_Buffer_Length);

memcpy(BDS_Data.GPS_Buffer,USART_RX_BUF,point1);

BDS_Data.isGetData = true;

point1 = 0;

memset(USART_RX_BUF,0,USART_REC_LEN);

}

}

if(point1 >= USART_REC_LEN) {point1 = USART_REC_LEN};

}

上述代碼主要利用if語句判別串口接收數(shù)據(jù)寄存器是否為空，若非空則將數(shù)據(jù)存放到數(shù)組BDS_RX_BUF[]中，然后再判斷NMEA0183協(xié)議的起始符“$”是否存在，若存在，則繼續(xù)判斷第4位和第5位是否為“M”和“C”，用于篩選出最簡定位信息。其流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

3.2 液晶驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

STM32F429IGT6主控芯片帶有液晶控制器，即LTDC。主控芯片通過LTDC可以直接外接LCD屏，實(shí)現(xiàn)液晶驅(qū)動(dòng)。STM32F429IGT6的LTDC共有28根信號(hào)線，包括24根數(shù)據(jù)線、一根像素時(shí)鐘同步輸出線、一根水平同步線、一根垂直同步線和一根數(shù)據(jù)使能線。該LTDC支持RGB888顏色格式和DMA2D，因此可以獲得良好的顯示效果。除信號(hào)線外，LTDC控制器還包括圖像處理單元、AHB接口、配置和狀態(tài)寄存器、時(shí)鐘等，其框圖如圖6所示。

圖6 LTDC系統(tǒng)框圖

關(guān)于LTDC的配置，首先定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用于存放LCD的一些重要參數(shù)，具體如下：

typedef struct

{

uint32 pwidth;

uint 32 pheight;

uint 16 hsw;

uint 16 vsw;

uint 16 hbp;

uint 16 vbp;

uint 16 hfp;

uint 16 vfp;

uint 8 activelayer;

uint 8 dir;

uint 16 width;

uint 16 height;

uint 32 pixsize;

}_ltdc_dev;

該結(jié)構(gòu)體用于定義LCD面板的寬度和高度、水平同步寬度、垂直同步寬度、水平后廊、垂直后廊、水平前廊、垂直前廊、當(dāng)前層編號(hào)、橫豎屏、LCD寬度、LCD高度、每個(gè)像素所占字節(jié)數(shù)。然后編寫函數(shù)用于配置LTDC時(shí)鐘、LTDC初始化等，并編寫LCD的讀點(diǎn)、寫點(diǎn)和填充等函數(shù)，用作emWin移植的接口函數(shù)。

3.3 系統(tǒng)任務(wù)分配

系統(tǒng)經(jīng)初始化后創(chuàng)建1個(gè)主任務(wù)，并在主任務(wù)下創(chuàng)建4個(gè)子任務(wù)，包括BDS接收機(jī)任務(wù)、emWin任務(wù)、觸摸屏任務(wù)和LED任務(wù)，分別用來獲取BDS接收機(jī)數(shù)據(jù)、顯示衛(wèi)星數(shù)據(jù)、執(zhí)行人機(jī)交互和指示系統(tǒng)正常運(yùn)行。

BDS接收機(jī)任務(wù)的任務(wù)函數(shù)為：

OSTaskCreate((OS_TCB*)&BDSTaskTCB,(CPU_CHAR*) "bds task",(OS_TASK_PTR )bds_task,(void*)0,(OS_PRIO)BDS_TASK_PRIO,(CPU_STK* )&BDS_TASK_STK[0],(CPU_STK_SIZE)BDS_STK_SIZE/10,(CPU_STK_SIZE)BDS_STK_SIZE,(OS_MSG_QTY)0,(OS_TICK)0,(void* )0,(OS_OPT )OS_OPT_TASK_STK_CHK|OS_OPT_TASK_STK_CLR|OS_OPT_TASK_SAVE_FP,(OS_ERR*)&err);

該函數(shù)指定了任務(wù)的控制塊、任務(wù)名、任務(wù)函數(shù)、傳遞參數(shù)、任務(wù)優(yōu)先級、任務(wù)堆棧基地址、任務(wù)堆棧深度限位、任務(wù)堆棧大小、消息隊(duì)列、時(shí)間片長度、補(bǔ)充存儲(chǔ)區(qū)、返回值等任務(wù)信息。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)開機(jī)顯示初始?xì)g迎界面后可通過觸摸屏選擇要顯示的信息。系統(tǒng)的使用受到環(huán)境的影響，最好在空曠的室外環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)測試。通過解析幀數(shù)據(jù)：

$GNRMC,063 944.000,A,3 133.604 8,N,11 841.084 8,E,4.152,292.44,141 216,A*75

可知當(dāng)前UTC時(shí)間為063 944.000，地理位置為31.336 048，118.410 848，運(yùn)動(dòng)速度為4.152節(jié)。

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到當(dāng)前UTC時(shí)間為8點(diǎn)21分15秒，即北京時(shí)間16點(diǎn)21分15秒，地理位置為北緯31度20分16秒，東經(jīng)118度24分19秒，運(yùn)動(dòng)速度為7.689 5 Km/h。

初始界面如圖7所示。點(diǎn)擊“Display real-time information”按鈕即可進(jìn)入實(shí)時(shí)信息顯示界面。實(shí)時(shí)信息顯示界面如圖8所示。

圖7 初始界面 圖8 實(shí)時(shí)信息顯示界面

5 結(jié)論

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一款成本低、功耗低、應(yīng)用領(lǐng)域廣、穩(wěn)定性好、高性能且便攜的嵌入式定位終端設(shè)備。系統(tǒng)硬件以STM32F429IGT6為主控芯片，并搭配LCD液晶顯示模塊和基于AT6558芯片的ATGM336H-5N北斗導(dǎo)航模塊，共同組成了系統(tǒng)的硬件核心。軟件上以底層驅(qū)動(dòng)、μC/OSⅢ和emWin為核心，底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的基本運(yùn)轉(zhuǎn)，μC/OSⅢ實(shí)現(xiàn)了任務(wù)分配，emWin實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)，包括地理位置顯示、運(yùn)動(dòng)速度顯示、時(shí)間顯示等，并利用其圖形顯示功能，實(shí)現(xiàn)上述信息的圖形動(dòng)態(tài)顯示。與其他同類設(shè)備相比，該設(shè)備具有體積小、低功耗、高實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備的成本主要來自主控芯片和顯示屏，主控芯片成本約為十幾元，顯示屏成本約為三十元，這和市面上動(dòng)輒上百元的衛(wèi)星定位系統(tǒng)相比有著巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。