《電子技術(shù)應(yīng)用》
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便攜式軌跡記錄與Google Earth再現(xiàn)系統(tǒng)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第7期
何凌霄,林凡強(qiáng),馬曉茗
成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都610059
摘要: 以MSP430F148單片機(jī)為控制核心,E580為GPS接收模塊,設(shè)計(jì)了一套能在Google Earth中顯示目標(biāo)移動(dòng)軌跡的平臺(tái),闡述了平臺(tái)的硬件電路及其軟件流程。該硬件平臺(tái)通過(guò)串口接收GPS信息,實(shí)時(shí)顯示在LCD上并存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中。通過(guò)USB接口把存儲(chǔ)器的坐標(biāo)信息上傳給PC,然后轉(zhuǎn)化為KML格式文件,Google Earth識(shí)別該文件即可顯示目標(biāo)的軌跡。該平臺(tái)功耗低,操作簡(jiǎn)單,可以非常靈活地應(yīng)用到物流跟蹤、公交查詢等工程項(xiàng)目中。
中圖分類號(hào): TP334.1/.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)07-0010-04
Portable track recorder and Google Earth redisplay system
He Lingxiao,Lin Fanqiang,Ma Xiaoming
School of Information Science and Technology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
Abstract: A set of portable track recorder with Google Earth representation system is designed based on MSP430F148 as the control core and E580 as the receiving module of GPS. The paper expounds hardware circuit and software of the platform. The hardware platform receives GPS information by UART of MCU, displays the real-time longitude and latitude through LCD, which will be stored in flash memory at the same time. All the stored information of longitude and latitude are sent to PC by USB interface. The PC software will convert the information to regular KML format file. Therefore, once the KML file is recognized by Google Earth software,the track of the target will be displayed on screen. The system has features of lower power consumption and simple operation, and can be very easily applied to logistics tracking, query of bus information and other projects.
Key words : GPS;E580;track displaying;ultra low-power;Google Earth

    隨著GPS系統(tǒng)的完善,對(duì)于GPS定位系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求,各種GPS應(yīng)用平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生[1]。GPS全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng),可以采集到地球上任意觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度,以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能,其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[2]。

    本系統(tǒng)采用高精度的E580模塊接收GPS信號(hào),再輔以低功耗MSP430[3]單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行接收和存儲(chǔ),進(jìn)而在LCD上顯示目標(biāo)的坐標(biāo),最終將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī),在虛擬地球儀軟件Google Earth中直觀地顯示目標(biāo)軌跡。該平臺(tái)具有高可靠性、高測(cè)量精度、超低功耗、全球覆蓋、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[4]。系統(tǒng)成本低廉,易于工程實(shí)現(xiàn),可以應(yīng)用到廣泛的工程領(lǐng)域,如:罪犯追捕、物流及時(shí)查詢、目標(biāo)跟蹤或公交查詢等。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體框架

    系統(tǒng)可分為兩部分:
    第一部分:對(duì)GPS信號(hào)的接收和處理,具體過(guò)程為:通過(guò)天線接收到原始信號(hào),并將信號(hào)送入E580模塊;然后采用E580的串口與單片機(jī)通信,將數(shù)據(jù)發(fā)送給MSP430單片機(jī);單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
    第二部分:在Google Earth軟件中實(shí)現(xiàn)軌跡顯示,具體過(guò)程為:當(dāng)PC向單片機(jī)發(fā)送正確的讀取密碼后,通過(guò)上位機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)并生成Google Earth識(shí)別的KML格式文件,用Google Earth 打開(kāi)該文件后地圖上將顯示對(duì)應(yīng)的目標(biāo)軌跡圖。
    除此之外,單片機(jī)在提取出所需的GPS信息后,在FYD16032液晶上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的坐標(biāo),并且可以通過(guò)按鍵進(jìn)行各種交互操作。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    硬件系統(tǒng)可分為接收模塊、微處理器模塊、顯示模塊以及人機(jī)接口模塊。各個(gè)功能模塊的具體功能如下:
    接收模塊:接收原始的GPS信號(hào),存儲(chǔ)為固定格式的數(shù)據(jù)信息并傳送給單片機(jī),報(bào)告自己的狀態(tài),并接收單片機(jī)的控制。
    微處理器模塊:控制并接收GPS模塊的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)處理后在LCD上顯示出坐標(biāo)信息,并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash中;同時(shí),將數(shù)據(jù)傳給PC機(jī),接收PC機(jī)控制,實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信功能。
    PC控制模塊:PC接收軟件主要功能是接收數(shù)據(jù)并生成Google Earth可以打開(kāi)的KML軌跡文件。
    人機(jī)接口模塊:包括LCD顯示模塊和鍵盤(pán)控制模塊。
1.2 E580模塊硬件電路
    高感低功耗的E580每秒數(shù)據(jù)更新率為4次,具有16個(gè)通道,可以同時(shí)跟蹤16顆GPS衛(wèi)星,跟蹤靈敏度可達(dá)-158 dBm。不僅能滿足陸地導(dǎo)航的要求,而且能達(dá)到飛行器的動(dòng)態(tài)要求。E580采用ANTARRIS4定位技術(shù),內(nèi)置節(jié)能模式(FIXNOW)可提供極低功率架構(gòu)。E580從硬件和軟件上都十分易于使用,非常適合用于系統(tǒng)集成,只需要外加天線和電源即可工作。E580擁有2個(gè)UART和一個(gè)USB口,其數(shù)據(jù)可以通過(guò)任意接口來(lái)讀取。對(duì)于天線部分的設(shè)計(jì),需要加50 ?贅的阻抗匹配線,采用Si9000軟件對(duì)微帶線進(jìn)行設(shè)計(jì),并采用計(jì)算后的數(shù)值進(jìn)行PCB的布線[5]。
    E580系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    GPS接收模塊E580采用串口通信,與單片機(jī)的電器連接如圖3所示。

1.3 MSP430通過(guò)USB與上位機(jī)通信
    由于USB總線具有傳輸速度快、占用資源少和真正的即插即用等優(yōu)點(diǎn),故在該系統(tǒng)中采用了常用的USB通信芯片F(xiàn)T245來(lái)進(jìn)行單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信。FT245主要進(jìn)行USB與并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換過(guò)程由硬件自動(dòng)完成,開(kāi)發(fā)者無(wú)需考慮硬件設(shè)計(jì)。FT245通過(guò)8根數(shù)據(jù)線(D0~D7)及讀/寫(xiě)控制線(RD、WR)來(lái)完成與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交互,內(nèi)含一個(gè)128 B的接收緩沖區(qū)和一個(gè)384 B的發(fā)送緩沖區(qū),此外還包括1個(gè)內(nèi)置的3.3 V穩(wěn)壓器、一個(gè)6 MHz振蕩器、8倍頻的時(shí)鐘倍頻、USB鎖相環(huán)和EEPROM接口。具體電路如圖4所示。

1.4 Flash存儲(chǔ)器
    在該系統(tǒng)中需要對(duì)接收到的GPS信息進(jìn)行保存,這種數(shù)據(jù)量比較大,為了更好地進(jìn)行本地處理和軌跡的重現(xiàn),加入了大容量的Flash存儲(chǔ)器M25P80。M25P80具有8個(gè)引腳,與MSP430F148單片機(jī)的硬件連接非常簡(jiǎn)單,僅需片選信號(hào)、串行數(shù)據(jù)輸入、輸出以及時(shí)鐘信號(hào)4條線與MSP430F148的SPI接口相連。硬件連接圖如圖5所示。

    MSP430F148單片機(jī)的最小系統(tǒng)部分以及LCD顯示模塊在此就不再贅述。
1.5 LCD顯示模塊
    FYD16032是一種具有8 bit并行或3線串行兩種接口方式,內(nèi)部含有簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊;顯示分辨率為160×32。使用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令,可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。LCD顯示格式如下:
    緯度:104.13951633
    經(jīng)度:30.6741392
    GPS接收系統(tǒng)中,采用3線接口方式,引腳連接關(guān)系如表1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)工作流程:MSP430F148通過(guò)其串口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收,當(dāng)單片機(jī)核心板按下“啟動(dòng)”鍵,在接收到以SGPRMC為開(kāi)始的信息后,提取當(dāng)前有效信息的經(jīng)緯度,并存儲(chǔ)在系統(tǒng)的Flash中,同時(shí)顯示在LCD上;在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí),按下“停止”按鍵,此時(shí)系統(tǒng)停止接收,數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在系統(tǒng)的Flash中,之后可以通過(guò)USB傳輸?shù)絇C機(jī),上位機(jī)經(jīng)過(guò)KML格式轉(zhuǎn)換后即可在Google Earth上顯示目標(biāo)軌跡。
2.1 下位機(jī)端程序設(shè)計(jì)
    單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后在串行中斷函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的判斷。數(shù)據(jù)接收格式為NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式[6],本系統(tǒng)采用了接收推薦的最小語(yǔ)句格式:
    SGPRMC,hhmmss,status,latitude,N,longitude,E,spd,
cog,ddmmyy,mv,mvE,mode*cs<CR><LF>
    GPRMC語(yǔ)句中,GPS模塊輸出的信息依次為:小時(shí)、分鐘、秒、狀態(tài)(接收數(shù)據(jù)是否有效)、北緯度、東經(jīng)度、速度等以及最后的信息結(jié)束標(biāo)志(信息結(jié)束標(biāo)志為:回車,換行)。
    下位機(jī)程序流程如圖6所示。

 

 

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 KML文件

    系統(tǒng)采用KML的文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。Google Earth中有KML和KMZ兩種類型的地標(biāo)文件。KML文件是Keyhole客戶端進(jìn)行讀寫(xiě)的文件格式,是一種XML描述語(yǔ)言,并且是一種文本格式,使用起來(lái)簡(jiǎn)潔易懂,可以通過(guò)程序自動(dòng)生成KML文件。因此,使用KML格式的文件非常利于Google Earth應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。雙擊KML文件即可從Google Earth中打開(kāi)地標(biāo)文件,但值得注意的是KMZ/KML地標(biāo)文件名不能包含中文字符,文件存放的路徑也不能有中文字符,否則將無(wú)法在Google Earth中打開(kāi)。
2.2.2 軟件界面
    該系統(tǒng)通過(guò)USB將接收到的GPS數(shù)據(jù)送給PC機(jī)后[7],上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)并顯示在界面上,同時(shí)點(diǎn)擊界面中&ldquo;生成歷史軌跡&rdquo;按鈕,即可將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成KML格式的文件,該操作界面是采用Visual C++ 6.0設(shè)計(jì)的。
    上位機(jī)界面可以在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)顯示緯度和經(jīng)度,它還包括了&ldquo;接收數(shù)據(jù)&rdquo;控制按鈕、&ldquo;生成當(dāng)前坐標(biāo)&rdquo;控制按鈕以及&ldquo;生成歷史軌跡&rdquo;控制按鈕。密碼欄為輸入接收數(shù)據(jù)的密碼,范圍是0~255,具體的密碼可以在程序中設(shè)定。該界面的操作過(guò)程是用戶先向下位機(jī)發(fā)送密碼,下位機(jī)接收到密碼后進(jìn)行判斷,若與之相符,則開(kāi)始向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù),點(diǎn)擊&ldquo;接收數(shù)據(jù)按鈕&rdquo;會(huì)生成TXT文件并存放在所規(guī)定的路徑里,再點(diǎn)擊生成歷史軌跡按鈕就會(huì)生成KML格式的文件。
2.2.3 KML文件轉(zhuǎn)換
    接收到的數(shù)據(jù)為T(mén)XT格式的文件,通過(guò)程序自動(dòng)生成Google Earth客戶端能夠識(shí)別的KML格式的文件后,在Google Earth軟件中就可顯示目標(biāo)的軌跡圖。試驗(yàn)中可以采用單點(diǎn)的KML文件格式和多點(diǎn)的KML格式兩種方式,以成都理工大學(xué)的地理位置為參照對(duì)象。
    轉(zhuǎn)換后的多點(diǎn)的KML文件格式為:
    <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
    <kml xmlns="http://earth.google.com/kml/2.0">
    <Folder><name>軌跡</name><Placemark><Style>
<LineStyle>
    <color>e500ffff</color><width>4</width></LineStyle>
    </Style><LineString><altitudeMode>relativeToGround
    </altitudeMode><coordinates>
    104.13951633,30.674139
    104.13962,30.67411733
    104.139659,30.67422833
    104.13967817,30.6743225
    104.13966717,30.67433567
    &hellip;&hellip;
    </coordinates></LineString></Placemark></Folder></kml>
    此文件在Google Earth中顯示所有點(diǎn)連成的軌跡線,軌跡顏色、寬度以及名字都可以在程序中由用戶自定義。
3 試驗(yàn)結(jié)果  
    實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,以成都理工大學(xué)行政區(qū)域的地理位置為參照對(duì)象進(jìn)行了目標(biāo)的運(yùn)行軌跡記錄,然后在Google Earth中再現(xiàn)該運(yùn)行軌跡采用的是多點(diǎn)KML文件格式。實(shí)驗(yàn)軌跡圖如圖7所示。

    本文介紹了基于MSP430F148的便攜式軌跡記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。采用E580來(lái)接收GPS信號(hào),以MSP430F148為控制中心,將目標(biāo)信息實(shí)時(shí)顯示在LCD上,并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash中,傳給上位機(jī)通過(guò)Google Earth軟件進(jìn)行軌跡的再現(xiàn)。通過(guò)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能及指標(biāo)[8]。該平臺(tái)功耗低,操作簡(jiǎn)單,可以非常靈活地應(yīng)用到物流跟蹤、公交查詢、野外探險(xiǎn)、精細(xì)農(nóng)業(yè)等工程領(lǐng)域中。
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