摘要：為實(shí)現(xiàn)用戶到目標(biāo)點(diǎn)的距離測量和方向控制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于加速度傳感器ADXL345和EB3631的GPS模塊的實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)選用EB3631搭建GPS模塊，通過串口與ATMEGA644P控制器通信采集GPS定位信息;采用加速度傳感器ADXL345，通過IIC協(xié)議與控制器通信實(shí)現(xiàn)位移測量。在0m-500m范圍內(nèi)，時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的反復(fù)測試，最終實(shí)現(xiàn)了相對(duì)誤差在10%以內(nèi)的準(zhǔn)確度較高的導(dǎo)航系統(tǒng)。

隨著GPS用戶設(shè)備價(jià)格不斷下降及GPS應(yīng)用研究的不斷深入，大量GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)被應(yīng)用于航海、飛機(jī)的導(dǎo)航、導(dǎo)彈衛(wèi)星測控、精密授時(shí)、石油開采等方面。由于受測量環(huán)境的干擾或者信號(hào)被阻擋導(dǎo)致GPS不能定位，同時(shí)受GPS定位芯片的影響，使得GPS接收機(jī)定位精度大大降低。為解決這些問題，獲得精準(zhǔn)的定位。文中以三軸加速度傳感器ADXL345為基礎(chǔ)，詳細(xì)描述了基于第三代GPS芯片EB3631的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，使得用戶可以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的距離及方位，系統(tǒng)實(shí)用性較高。

1 硬件設(shè)計(jì)

GPS測距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。主控制器采用基于AVR內(nèi)核的8位低功耗控制器ATMEGA644P，芯片具有64K的片內(nèi)FLASH，2K的EEPROM，4K的片內(nèi)SRAM。芯片通用I/O接口32個(gè)，集成了IIC接口、SPI接口、JTAG接口及8通道的10為ADC轉(zhuǎn)換接口，豐富的外圍接口，能更好的滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。GPS MODULE采用臺(tái)灣環(huán)天公司的EB3631為核心器件，由于采用TTL電平輸出，可以直接通過串口與控制器進(jìn)行通信，為用戶提供定位信息。三軸加速度傳感器ADXL345實(shí)現(xiàn)加速度的測量，從而得到用戶位移。電源模塊采用8節(jié)AA電池，經(jīng)過π型濾波電路，LM7805穩(wěn)壓為ATMEGA644P、LCD1602液晶提供5 V電壓，5 V電壓經(jīng)過AMS1117系列低壓差穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，為GPS模塊和加速度傳感器ADXL345供電。

1.1 加速度傳感器接口電路

ADXL345是ANALOG DEVICES公司的一款數(shù)字式的三軸加速度感器，測量范圍最小+2g，測量范圍最大達(dá)到±16g。芯片輸出數(shù)據(jù)采用16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式，控制器可以通過三線制或四線制SPI接口訪問，也可以通過IIC接口訪問。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，不僅可以測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動(dòng)或者沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。芯片分辨率非常高，能夠測量傾斜角度小于1°的變化。ADXL345的工作流程為：首先由三軸敏感單元感知3個(gè)方向的比力，通過電子感應(yīng)器件獲得模擬量，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字濾波后送往控制欲中斷邏輯，在命令字的控制下通過I/O口與控制器交互。

ADXL345在IIC模式下工作時(shí)，CS引腳必須接VDD，芯片支持單字節(jié)或多字節(jié)的讀寫，讀寫地址是由7位的IIC器件地址和R/W位組成。IIC器件地址與ALT ADDRESS引腳的邏輯電平密切相關(guān)，當(dāng)ALT ADDRESS引腳處于高電平時(shí)，7位器件地址是0x1D，相應(yīng)的讀寫地址就轉(zhuǎn)換為0x3B，0x3A;當(dāng)ALT ADDRESS引腳處于低電平時(shí)，7位器件地址是0x53，相應(yīng)的讀寫地址就轉(zhuǎn)換為0xA7，0xA6[4];加速度傳感器的接口電路如圖2所示。SCL作為IIC總線的時(shí)鐘線，SDA是IIC總線的數(shù)據(jù)線，通過1～20K上拉電阻至VDD;INT1、INT2是ADXL345的中斷引腳。

1.2 NMEA-0813協(xié)議

NMEA-0813是美國海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，數(shù)據(jù)輸出采用ASCII碼字符，目前廣泛采用的版本是V2.0。數(shù)據(jù)傳輸以$開始，后面的是5個(gè)字母的語句頭。其中語句頭的前兩個(gè)字母代表系統(tǒng)“ID”，如果是GP，則表示該語句屬于GPS定位系統(tǒng);如果是HC，則表示該語句屬于羅經(jīng)方位系統(tǒng)。語句“ID”由最后3個(gè)字母決定，語句頭之后是數(shù)據(jù)集合，不同類型的數(shù)據(jù)字段以“，”分割，每條語句以回車換行符結(jié)束。

$GPGGA是GPS定位系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的GPS定位信息語句，$GPRMC是推薦最小的定位信息語句。GPS數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232異步傳輸，通信的波特率一般默認(rèn)是4800，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位。

1.3 EB3631 GPS模塊設(shè)計(jì)

GPS(Global Positioning System)，也是我們通常所說的全球定位系統(tǒng)，一個(gè)完整的GPS定位系統(tǒng)由太空部分、監(jiān)控部分、用戶部分組成。用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的設(shè)備組成，GPS接收機(jī)是由前置放大器、信號(hào)處理、控制與顯示、記錄和供電單元組成。GPS系統(tǒng)定位的原理：每顆GPS衛(wèi)星時(shí)刻發(fā)送自身的位置和時(shí)間信號(hào)，用戶接收機(jī)可以測量出每顆衛(wèi)星到接收機(jī)的時(shí)間延遲，根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)乃俣?，將速度與時(shí)間延遲相乘便可得出接收機(jī)到不同衛(wèi)星的距離。三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間的確定至少需要接收到4顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)才能解算。

基于EB3631的GPS接收板，是高性能的、低功耗的GPS接收板。核心器件采用第三代芯片SiRFstar III，高速的GPS芯片，-159dBm超高的靈敏度，4Mb的flash存儲(chǔ)空間，該芯片具有兩個(gè)串行口，方便與ATMEGA644P控制器通信，采用NMEA-0183和SIRF binary協(xié)議，一次最大可接收20顆衛(wèi)星，即使在信號(hào)很微弱的環(huán)境，定位也很快。圖3所示是GPS接口電路。

2%20軟件設(shè)計(jì)

GPS測距系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用WINAVR/GCC編譯器，程序設(shè)計(jì)采用模塊化方式編寫，其中包括ADXL345測量程序、GPS接收程序、LCD1602液晶驅(qū)動(dòng)程序。在編寫程序前需要采集目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，這些數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在ATMEGA644P控制器的片內(nèi)2K的EEPROM中，在PC機(jī)上通過Google地圖獲得目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)。表1所示是阿壩師專校園坐標(biāo)記錄。

2.1 ADXL345程序

ATMEGA644P通過IIC總線訪問三軸加速度傳感器ADXL345，IIC總線是飛利浦公司推出的一種串行總線，是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。IIC總線由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL組成。IIC總線的數(shù)據(jù)線上提供起始、停止、應(yīng)答、非應(yīng)答四種信號(hào)。在使用ADXL345測量加速度時(shí)，需要對(duì)電源寄存器、數(shù)據(jù)格式寄存器初始化，初始化完成后，方可測量x、y、z方向的加速度。電源寄存器不僅可以設(shè)定供電模式，而且配合BW_RATE寄存器，還可對(duì)數(shù)據(jù)速率進(jìn)行設(shè)定，默認(rèn)情況下是100 Hz。配置數(shù)據(jù)格式寄存器，可以設(shè)定SPI工作模式是三線制還是四線制、分辨率位數(shù)、量程、是否將自測應(yīng)用到傳感器。以下是ADXL345初始化的主要代碼。

本題中將三軸加速度傳感器ADXL345的分辨率設(shè)置為13位，從寄存器DATAX0，DATAX1中讀出數(shù)值，將DATAX1中低5位數(shù)據(jù)和DATAX0的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，DATAX1的高3為作為符號(hào)位，就能實(shí)現(xiàn)X方向的加速度測量，Y軸、Z軸方向加速度讀取方法與X軸方向一致。

2.2 GPS接收程序

由于GPS板接收到的語句格式不只一條，所以要完整的接收到“$GPGGA*”數(shù)據(jù)，就必須對(duì)語句頭進(jìn)行檢測，當(dāng)接收的字符和這7個(gè)字符完全相同后，才能將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)接收到“*”字符，表示該條語句接收結(jié)束，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖4所示是串行口中斷函數(shù)接收子程序流程。

2.3 主程序

主程序的設(shè)計(jì)包括初始化相關(guān)寄存器、I/O端口、USART、IIC以及LCD1602液晶初始化，初始化完成之后顯示開機(jī)LOGO。在循環(huán)體中，先進(jìn)行鍵盤掃描，以選擇目標(biāo)點(diǎn)，ATMEGA644P控制器通過串口中斷接收GPS接收板發(fā)回的$GPGGA數(shù)據(jù)，以獲得當(dāng)前的坐標(biāo)，經(jīng)過計(jì)算得到當(dāng)前位置距離目標(biāo)點(diǎn)距離及相對(duì)方向，通過LCD1602液晶顯示。然后每隔5秒，判斷是否需要采集當(dāng)前的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，通過公式(1)計(jì)算獲得最新數(shù)據(jù)信息，以便數(shù)據(jù)信息及時(shí)更新。圖5是主程序流程圖。

d=R*arccos(θ)*PI/180

其中θ=sin(LatA)*sin(LatB)+cos(LatA)*cos(LatB)*cos(LongA-LongB)，(LatA，LongA)是A點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，(LatB，LongB)是B點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。經(jīng)度按照東正西負(fù)來計(jì)，緯度按照北緯取90-緯度值，南緯取90+緯度值，地球半徑R為6 371 004 m，PI取值3.141 592 6。

3 測試結(jié)果

在阿壩師專校園試運(yùn)行，接收當(dāng)前位置信息時(shí)要確保接收到3顆及以上的衛(wèi)星，使得GPS定位準(zhǔn)確，所采集的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)有效，獲得較準(zhǔn)確的距離。表2所示是實(shí)測距離結(jié)果是以行政樓作為當(dāng)前位置。

通過表2可以看出測量距離在500 m以內(nèi)，相對(duì)誤差范圍控制在10%以內(nèi)，達(dá)到了較高的精度。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種基于ATMEGA單片機(jī)的低功耗、低成本的跟蹤系統(tǒng)。主要闡述了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理、主要模塊電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)流程，系統(tǒng)在戶外運(yùn)行，通過實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)誤差較小，能提供長達(dá)8h以上連續(xù)穩(wěn)定工作，為用戶導(dǎo)航提供很大的幫助。