基于單片機(jī)技術(shù)的多功能碼表開發(fā)

黎偉峰

[摘? ? ? ? ? ?要]? 結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和無線電協(xié)議的教學(xué)，開發(fā)了一個(gè)先進(jìn)碼表產(chǎn)品。描述了一個(gè)基于STM32F407的自行車碼表系統(tǒng)。系統(tǒng)通過GPS模塊接收并記錄設(shè)備持有者的移動速度、坐標(biāo)和海拔等。系統(tǒng)中的nRF24ap2芯片模塊支持ANT+協(xié)議，通過ANT+協(xié)議能與使用相同協(xié)議的其他產(chǎn)品配對，接收運(yùn)動員心率、功率等信息。系統(tǒng)通過LCD顯示屏實(shí)時(shí)更新信息。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 教學(xué);碼表;自行車;STM32;GPS;ANT+

[中圖分類號]? TP368.12? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）12-0146-02

在中職單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)內(nèi)容相對比較抽象，容易讓一般的中職學(xué)生感到乏味，成為影響教學(xué)過程和教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)難題。開發(fā)一個(gè)應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的實(shí)用電子裝備，把它作為一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，讓學(xué)生參與設(shè)計(jì)和制造，在這個(gè)過程中自覺補(bǔ)充所需的知識和技能，增加學(xué)生的成就感和獲得感。通過與學(xué)生、教研組的反復(fù)研討，項(xiàng)目定為基于單片機(jī)技術(shù)的多功能碼表。

一、項(xiàng)目任務(wù)

在自行車運(yùn)動訓(xùn)練中，運(yùn)動員通過查看實(shí)時(shí)速度、心率、功率數(shù)據(jù)執(zhí)行訓(xùn)練計(jì)劃，在比賽中通過這些數(shù)據(jù)觀察競技狀態(tài)，決定比賽策略，因此，一個(gè)能實(shí)時(shí)接收和顯示數(shù)據(jù)的便攜式系統(tǒng)成為運(yùn)動員的迫切需求。這個(gè)碼表的功能定位如下：整合GPS接收機(jī)和ANT接收器的功能，通過單片機(jī)處理相關(guān)數(shù)據(jù)并顯示在LCD液晶屏上，支持速度、心率、功率等數(shù)據(jù)的顯示，達(dá)到輔助自行車運(yùn)動員訓(xùn)練和競賽的要求。

具體需要完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括（總體結(jié)構(gòu)見圖1）：

（1）GPS模塊接收衛(wèi)星定位信號，包括經(jīng)緯度、地面速度、地面航向、海拔高度、UTC時(shí)間等，通過USART與單片機(jī)交互。

（2）ANT+接收器可與附近5米內(nèi)ANT+傳感器配對，接收每分鐘心跳數(shù)、自行車踩踏頻率、踩踏功率等數(shù)據(jù)，通過USART與單片機(jī)交互。

（3）信息處理單元處理來自GPS和ANT接收器的信息。

（4）LCD屏幕顯示信息，實(shí)時(shí)更新。

二、項(xiàng)目開發(fā)流程

（一）碼表部件選材

系統(tǒng)由單片機(jī)和GPS模塊、ANT接收模塊、LCD屏幕組成。微處理器通過兩個(gè)USART接口分別接收來自GPS模塊和ANT接收模塊的信息，通過DMA把接收到的信息傳輸?shù)絻?nèi)存中，由單片機(jī)處理器解碼內(nèi)存中的信息，包括速度、可用衛(wèi)星、海拔等GPS信息，以及功率、心率、心率區(qū)間、踏頻、左右平衡等ANT接收器接收到的信息。單片機(jī)處理器通過FSMC外設(shè)控制液晶屏幕顯示以上信息。

（1）GPS模塊：選用NEO-6M GPS模組，使用無源陶瓷天線，3.3或5V供電，支持串口和mini-USB接口。

（2）ANT接收模塊：選用nRF24AP2-8CH模組從機(jī)模式，最多同時(shí)支持8通道，通過串口和微處理器進(jìn)行交互。

（3）LCD屏幕模組：選用4.5寸電阻觸摸屏幕，使用8080接口與單片機(jī)通信。

（4）單片機(jī)處理器：系統(tǒng)選用STM32F407ZGT6作為處理器。

（二）單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

使用STM32F407ZGT6芯片，144引腳LQFP封裝，工作電壓1.8～3.6V。此芯片的最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、程序下載接口、外部晶振電路、電源供電接口組成。

1.復(fù)位電路

此MCU低電平復(fù)位，復(fù)位電路設(shè)置了上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。上電復(fù)位時(shí)，連接電源，在上電3ms內(nèi)電容輸出電壓不超過0.5V，系統(tǒng)復(fù)位成功。

2.程序下載接口

STM32的啟動模式可以分為3種：內(nèi)部Flash、系統(tǒng)儲存器（支持通過串口的ISP下載）、程序從內(nèi)嵌的SRAM中啟動。通過改變啟動選擇電路的連接可以選擇不同的啟動方式。該系統(tǒng)可以選擇三種啟動方式，還通過J-link下載器，使用JTAG接口進(jìn)行程序的下載和調(diào)試。

3.外部晶振電路

電路使用一個(gè)25MHz的無源晶振為系統(tǒng)提供外部高速時(shí)鐘，時(shí)鐘從OSC_IN和OSC_OUT進(jìn)入，由兩個(gè)22pF的諧振電容幫助晶振起振。

4.電源供電接口

系統(tǒng)可以通過12V～6V外部電源供電，或通過5V USB供電。

DC DC電源接口可以接入6～12V的電源，使用RT7272電壓轉(zhuǎn)換成5V電源。外部電源供電時(shí)USB供電會斷開，防止灌電流。5V電源為板上所有需要5V的芯片和接口供電。通過LDO轉(zhuǎn)換，得到3.3V電源，為工作電壓為3.3V的芯片供電。

（三）傳感模塊電路設(shè)計(jì)

ANT接收模塊選用nRF24AP2芯片，其中PORTSEL引腳選擇同步或異步工作模式，此處引腳接地，選擇異步模式。BR1、BR2、BR3三個(gè)引腳為波特率選擇引腳，此處波特率選擇為9600。異步接口RXD、TXD、SUSPEND、SLEEP、RTS五個(gè)引腳與MCU相連，模塊中引出這五個(gè)引腳以及電源、地和復(fù)位引腳。

GPS模塊選用NEO-6M芯片，模塊中帶有EEPROM用于記錄GPS配置參數(shù)，掉電復(fù)位后芯片從EEPROM上重新加載配置信息。模塊上有USB轉(zhuǎn)串口電路，可以直接向電腦發(fā)送信息。模塊通過RXD和TXD與單片機(jī)通過串口通信。

三、驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的GPS模塊、ANT模塊和LCD屏幕的軟件驅(qū)動設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容有GPS模塊的數(shù)據(jù)接收、NMEA報(bào)文的消息結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)解碼的方法;ANT通訊協(xié)議的說明、ANT+心率和功率消息結(jié)構(gòu)的說明、ANT模塊的數(shù)據(jù)接收和處理;LCD控制器8080接口說明、MCU使用FSMC模擬8080時(shí)序的方法、LCD初始化和顯示字符的程序說明。

GPS模塊需要在室外或無遮擋的地方進(jìn)行測試，可以通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行測試。首先把GPS模塊和電腦通過USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行直接連接，用u-center上位機(jī)進(jìn)行測試。u-center是u-blox公司開發(fā)的上位機(jī)，可以方便觀察衛(wèi)星信號強(qiáng)度，還可以在上面配置GPS模塊的寄存器調(diào)整性能。

初次啟動時(shí)，把GPS模塊放到信號良好的露天環(huán)境下，大約等待30s左右，GPS模塊開始接收到有效數(shù)據(jù)。先接收到UTC時(shí)間，再接收其他數(shù)據(jù)，根據(jù)使用的衛(wèi)星數(shù)不同可以接收到2D或3D定位數(shù)據(jù)。若GPS模塊使用差分定位，則是使用了SBAS星基增強(qiáng)系統(tǒng)，準(zhǔn)確度會提高到2m左右。

如圖2所示，可以見到GPS模塊接收到的數(shù)據(jù)從左到右分別為速度、可用衛(wèi)星和可視衛(wèi)星信號強(qiáng)度、衛(wèi)星位置、UTC時(shí)間、航向角、指南針以及一個(gè)綜合的數(shù)據(jù)表格，下半部分是使用衛(wèi)星（綠色）信號強(qiáng)度和衛(wèi)星名稱以及可視衛(wèi)星（藍(lán)色）信號強(qiáng)度和衛(wèi)星名稱?？梢曅l(wèi)星有11顆，模塊自動選取信號較強(qiáng)的四顆衛(wèi)星接收GPS信息。

把GPS模塊與單片機(jī)連接，經(jīng)過MCU的解碼，通過串口再把解碼后信息發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行觀察測試。

四、項(xiàng)目成果及應(yīng)用效果

（一）項(xiàng)目成果使用性能優(yōu)異

在實(shí)際的開發(fā)過程中，我和學(xué)生還對部分組件進(jìn)行了升級優(yōu)化，收到了非常好的效果，如選用STM32F407作為MCU，考慮到其具有豐富的接口資源和強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，能支持更多的數(shù)據(jù)運(yùn)算;選用帶SBAS的GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位和測速功能，在室外或信號良好的條件下可以接收時(shí)間、定位、海拔、速度等數(shù)據(jù)，只需數(shù)十秒的啟動時(shí)間，水平誤差值在2m左右。通過ANT模塊可以接收10米以內(nèi)存在的ANT+協(xié)議設(shè)備的心率和功率數(shù)據(jù)，在實(shí)際操作中連接時(shí)要附近沒有其他同類主機(jī)的情況下操作，但連接成功后只要不斷開連接，則可以一直接收同一個(gè)主機(jī)發(fā)送的信息。LCD屏幕可以做到清晰的同時(shí)顯示10組數(shù)據(jù)，騎行中操作碼表是十分不方便的，同時(shí)顯示多組數(shù)據(jù)可以提高騎行安全。自行車運(yùn)動一般在室外進(jìn)行，GPS會有良好的信號。心率計(jì)會帶在運(yùn)動員身上，功率計(jì)會在自行車上，設(shè)備離碼表距離一般為1～2m，不會超出ANT協(xié)議的通信范圍，因此，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)在大多數(shù)的應(yīng)用場景中能實(shí)現(xiàn)自行車碼表的功能。

（二）項(xiàng)目成果教學(xué)效果非常好

用看得到摸得著的實(shí)際項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動作用，受到了廣大學(xué)生的歡迎。通過多功能碼表設(shè)計(jì)，學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和自信心都得到了提升，為學(xué)生提供了展示才能的平臺。

教師在無線電協(xié)議、電路設(shè)計(jì)、測試和儀器使用、設(shè)計(jì)方案討論等多方面技術(shù)得到鍛煉，實(shí)現(xiàn)以研促教，大大提升了教師的綜合能力。以多功能碼表為載體，單片機(jī)、電路設(shè)計(jì)等專業(yè)教學(xué)工作開展得有聲有色，促進(jìn)了專業(yè)建設(shè)。

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編輯 鄭曉燕