单片机创意小制作GPS记录器DIY

虽然功能大略，可由此衍生出来的运用可就不少了，比如车载导航仪，不只能见告我们现在在哪，还能见告我们怎么去想去的地方;又如某个车队要理解车辆的位置，那就给每个车子装个GPS和无线收发设备，实时理解车辆信息。

图12.1 GPS 记录器的显示界面

除此之外，还有些另类的运用：比如 GPS授时，所谓授时，便是见告我们现在几点钟了。
虽然这有点大材小用的意思，不过这韶光是相称准确的，可以精确到毫秒级，可以作为许多运用的标准时钟。
再有便是本日我们要DIY的这个“GPS 记录器”(见图12.1)了，大略来说，便是把我们所经由的位置记录下来的装置。
有人要问了，这有什么用呢?假如有驴友旅行过程中创造一段非常俊秀的路径，路上湖光山色，风景奇丽，他就可以利用这个装置将路径记录下来和朋友们分享;如果探险家外出探险，也可以利用这个装置将路径记录下来，探险结束后按原路安全返回。
这，便是路径回溯功能。

接下来让我们理解一下必备的根本知识。

GPS事理简介

GPS运用已经非常遍及，现在很多手机都集成了GPS导航的功能，但是光有导航仪或者是GPS吸收器是弗成的，它还得有天上挂着的24颗卫星作为旗子暗记的来源。
这24颗卫星就像草莓表面的籽一样均匀地分布在地球上空，基本上在环球任意地方都能吸收到GPS卫星的旗子暗记。
吸收器根据卫星发送的含有报文的旗子暗记来打算处于哪个位置。
除此之外，我们不能将卫星发射上去之后就不管了，以是，地球上还有地面中央对这些卫星进行监控和数据改动。
以是，完全的GPS系统包括 GPS卫星、用户吸收端、地面监控中央。

图12.2 解析流程

GPS 吸收端与通信协议

上面讲的GPS系统包含3部分，但是我们平时能打仗到的只有吸收端。
别看现在市情上各种牌子的导航仪和吸收器数不胜数，但上面用的GPS吸收处理的芯片，环球就只有几家公司有能力设计。
个中，SiRF的芯片霸占了民用市场七八成的份额，而目前用的比较多的是2004年发布的SiRFstar III，也便是所谓的“第3代”芯片。

接下来便是让其他产品能“听懂”从GPS芯片发出的数据是什么意思了，这时就须要有个通信协议。
目前大部分GPS模块采取的是NMEA0138协议。
这个协议涵盖了许多方面，GPS只是用到个中的一部分。

NMEA 协议简介

NMEA 是由美国全国海洋电子协会(The National Marine Electronics Association)制订的一套通信协议，是目前GPS最常见的通信协议。

以笔者的这个GPS 模块为例，它将吸收到的GPS卫星旗子暗记解码之后，通过串口以NMEA格式输出，而用到的语句只有4个：$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC，个中美元符号($)代表前缀，表示语句开始;GP 代表工具，代表用在 GPS 上;后面的GGA、GSA、GSV、RMC等是语句类型;每条语句的各个数据字段用半角逗号(,)分开;结尾为XX，XX 是全体语句的校验和，以考验收到的语句是否精确，代表回车和换行，表示该条语句结束。

我们所要做的便是将其吸收下来，解析出我们要的数据，再进行下一步的运用。

数据解析和保存

有了从模块那里收到的数据，接下来便是解析出里面有用的数据了。
图12.2所示为大略的解析流程。

由于利用的是单片机，以是最大略的保存数据的方案便是利用SPI接口的Flash。
其余由于NMEA语句是为了便于传输，采取字符形式，以是“身材”比较大，基本上每次的数据量在300～500字节，由于Flash容量限定，不能将原始的NMEA 语句直接保存，以是我们自己定义了一个存储格式，将个中有用的数据摘出来以二进制的格式保存，这样每次的数据顺利地缩小了。
在实际运用中，每个点的数据只须要32字节。

如何浏览路径

说到这里，就必须请入迷器——Google Earth了。
这是谷歌出的一款可以看卫星图的软件，可惜的是目前的6.0 版还不能直接支持 NMEA 协议。
不过 Google Earth 支持其余一种措辞，那便是KML。
其全称是Keyhole Markup Language，基于XML，同样，它包含了很多繁芜和高等的内容，在此不再赘述，我们只须要用到个中一部分——在Google Earth 中画路径。

下面是一个最大略的KML示例：

Path from GPS Logger V2

Path Name

这个KML文件被Google Earth读取后会天生：

大略来说，它见告Google Earth，天生一个文档，名字为Path from GPS Logger V2，个中有一个路径，名字叫Path Name，路径的是“连线”的模式，颜色为黄色(ff00ffff)，线宽5像素，而详细经纬度信息则包含在标签中，继而Google Earth会根据个中的经纬度信息绘制出一条折线。

以是，只要将之前保存的每个点的数据，依次添补到标签中，则天生的KML被Google Earth读取之后显示的便是我们记录的路径。

至此，我们低廉甜头记录器所须要理解的背景都全部知道了，接下来便是制作的过程了。

紧张功能目标

直接显示当前日期和韶光、经纬度、海拔、速率、方向等信息，显示卫星旗子暗记强度、卫星数目、分布情形等。

将位置信息记录到存储器中，并显示当前空间利用情形。
板载的Flash可用保存50994个记录点，按每秒一次计，可连续记录14小时。
当空间满了之后，可以将数据转存至TF卡之后重新记录。
可实时浏览存储器中的数据，也可将存储器中的记录导出，或者转换成 Google Earth可以识别的KML格式。

图12.3 GPS 记录器的模块框图

GPS 记录器的设计

GPS记录器的模块框图如图12.3所示。
数据通信方面，GPS模块通过串口与MCU通信，TF卡和SPI Flash则分别挂载在两个硬件SPI上，LCD通过并行办法与MCU连接。
供电方面，采取锂电池(自带过充过放保护电路)供电，由于GPS内置了LDO(低压差线性稳压器)，以是直接与电池连接;其余一起则经3.3V LDO输出给MCU、LCD、Flash和TF卡供电;同时，用STM32自带的ADC模数转换测出锂电池的电压，以此估算剩余电池电量。
图12.4为根据框图设计出的PCB事理图。

图12.4 GPS 记录器的PCB 事理图

绘制 PCB

根据液晶显示屏的尺寸，确定了主控板的大小。
元器件不多，以是PCB尺寸只有显示屏的1/2旁边。
制作完成的PCB图与实物如图12.5所示。

表12.1 制作所需原材料和元器件

图12.5 制作完成的PCB图与实物

图12.6 焊接完元器件的PCB

图12.7 GPS 模块通过支架来安装，电池也加以改换

焊接元器件和PCB调试

笔者的习气是焊接完一部分急速检测该部分是否能正常事情，这样可以尽早创造问题并快速判断出问题源。

在焊接之前，目测一下板子是否有断路或短路的情形，然后用万用表丈量电源正负极之间是否短路。

首先焊接电源部分，将USB座、LDO稳压管和充电芯片及阻容元件焊上，然后供电，丈量输出是否为3.3V，有条件的话，还可以接在示波器上看看输出的电压是否纯净。

在LDO输出和整版的供电之间，笔者增加了一个0的电阻，这个电阻可作为跳线利用，断开后可以检测芯片部分是否有短路等情形，调试完成后可直接短接导通。

电源部分完成后，接下来焊接单片机和外围的晶体振荡器、复位电路，组成最小系统。
要判断单片机是否能运行起来，可以将板上的两个LED也装上，然后编写一个测试程序，循环点亮和熄灭，如果成功，则表明单片机基本正常。

末了焊接Flash芯片、TF卡座、按键等。

至此，原来的空PCB已经比较像一块电路板了，如图12.6所示。

一样平常来说，利用陶瓷天线的GPS模块须要只管即便使天线面向天空，这样才能尽可能地吸收旗子暗记，以是安装GPS模块的时候设计了一个支架，使得模块天线与吸收器成45角，平时手持的时候刚好面向天空，纵然平放或立着放都能部分面向天空，如图12.7所示。
其余，还为模块换了一个备用电池。

全部元件组装完成后的样子如图12.8所示。
装上电池和后盖，如图12.9所示，硬件装置至此就完成了。

软件设计思路与调试

由于功能大略，软件不须要繁芜的构造，流程如图12.10所示。
开机初始化完成后，系统便进入无限主循环中，循环检讨GPS是否吸收完毕，是否有按键按下。

图12.8 全部元器件组装完毕的样子

图12.9 装上电池和后盖

GPS吸收和解析利用了中断，当吸收完成后，设置标志位，主循环检测到数据吸收完成，便将数据显示在LCD上，如果设置须要记录，则再记录到SPI Flash中。

如果“菜单”按键被按下，则转到菜单函数;如果“显示模式”按键被按下，则切换显示模式;如果“记录”按键被按下，则切换是否记录到SPI Flash中。

图12.10 软件流程框图

操作办法和界面

记录器上部有4个按钮，用场分别为“菜单/退出”、“上一个/显示模式”、“下一个/记录模式”、“确定”。

常规显示时屏幕分为3个区域，顶部显示电池电量、卫星信息、韶光等，中间用大字体显示当前经纬度，下半屏则根据显示模式分别显示卫星信息、速率航向和记录信息3种模式。
按“显示模式”按键可以在3种模式中循环切换，如图12.11所示。

图12.11 显示屏下半部具备3种显示模式

图12.12 将数据存储到 TF 卡中

按“记录模式”键可以切换记录开始和停滞模式。
按“菜单”键可进入功能菜单。
选择“菜单→转储→TF卡(KML)”可将存储器中的数据以KML文件的格式转存到TF卡中，如图12.12所示。
选择“菜单→转储→TF卡(转储)”可将存储器中的数据以原始二进制格式存到TF卡中。

转储之后，在TF卡的GPS目录中就会有已经天生好的KML 文件，如果装了 Google Earth，就会涌现如图12.13所示的图标。

图12.13 存储在TF卡中的KML文件

直接双击之后会自动打开 Google Earth，黄色的连线便是我们记录下的路径，如图12.14所示。

图12.14 GPS记录器记录下的路径可在 Google Earth 中显示

选择“菜单→浏览记录”可以实时浏览存储器中记录的路径和记录点的信息，并能直不雅观地理解存储器空间利用情形，如图12.15所示。
选择“菜单→擦除空间”，可将数据擦除，连续记录，如图12.16所示。

后记

实在市场上早已有产品化的GPS记录器，而且本钱更低、功能更强，但是DIY的乐趣在于更深地理解个中的事理，以及发挥自己的想象力，根据自己的须要定制。
比如，还是这套硬件，通过修正软件，还能实现GPS测面积的功能。

图12.15 实时浏览存储器中记录的路径和记录点的信息

图12.16 擦除记录