基于UM220—III N的軌跡記錄儀設(shè)計(jì)

鄒海春等

摘 要：基于STM32微處理器，采用和芯星通公司的北斗/GPS混合定位模塊UM220-III N，設(shè)計(jì)了一種軌跡記錄儀。該軌跡記錄儀主要由電源、北斗/GPS電路、SD卡存儲電路、LCD顯示和主控電路組成，可實(shí)現(xiàn)對北斗/GPS信息進(jìn)行1～5Hz的采集并進(jìn)行存儲，并且對軌跡進(jìn)行實(shí)時的里程計(jì)算。性能測試表明該記錄儀的定位精度優(yōu)于2.5米，軌跡記錄效果良好。

關(guān)鍵詞：STM32；北斗/GPS；UM220-III N；軌跡記錄

引言

隨著近些年北斗二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Φ膶?shí)現(xiàn)，利用北斗/GPS組合定位方式是接收機(jī)的導(dǎo)航定位能力相比于以前的單一系統(tǒng)接收機(jī)更具有優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)快速定位、提高定位精度等。文章采用UM220III N設(shè)計(jì)的軌跡記錄儀，在戶外長跑、騎行、爬山和旅游時，記錄儀可持續(xù)獲取地理坐標(biāo)并記錄存儲，并實(shí)時顯示時間、坐標(biāo)、里程數(shù)等信息，用戶可以借助Google Ealth軟件來導(dǎo)入所記錄的文件中的數(shù)據(jù)，查看自己的運(yùn)動軌跡。

1 北斗/GPS混合定位模塊

系統(tǒng)中北斗/GPS混合定位模塊選用的是和芯星通科技（北京）有限公司開發(fā)的GPS、BD-2雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊UM220-III N，將射頻前端、基帶處理、定位軟件進(jìn)行高度集成，能夠同時支持BD2 B1、GPS L1兩個頻點(diǎn)，具有低功耗、小體積、高可靠、高性能等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)北斗/GPS單模、雙模靈活定位模式。UM220-III N模塊具有兩個串口，設(shè)計(jì)主要用到可支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸、模塊配置、固件升級等功能的主串口1，模塊能夠提供高精度的載體三維地理位置信息、速度、時間信息以及原始觀測數(shù)據(jù)。硬件外圍電路簡單，僅需提供電源、匹配電阻電感和北斗/GPS雙模電線即可，硬件電路如圖1所示。其主要技術(shù)指標(biāo)為：功耗：120mW，定位精度：2.5m，數(shù)據(jù)更新率：1～5Hz。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

軌跡記錄儀系統(tǒng)由北斗/GPS混合定位模塊、按鍵、SD卡存儲模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和主控模塊組成。北斗/GPS混合定位模塊UM220III N接收衛(wèi)星信號，主控MCU芯片STM32通過串口讀取北斗/GPS模塊數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)解析和處理后，把實(shí)時時間、經(jīng)緯度、里程等信息顯示到LCD上，同時將數(shù)據(jù)以FAT32的文件格式存儲到SD卡中。通過按鍵來設(shè)置采樣率、完成待機(jī)、啟動停止記錄等功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括北斗/GPS接收程序、SD卡讀寫程序、LCD顯示和按鍵中斷程序。UM220-III N與MCU的串口1通信采用NEMA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。MCU根據(jù)對應(yīng)指令通過串口對UM220-III N模塊進(jìn)行更新速率配置。開始采集后，MCU打開串口中斷，串口根據(jù)NEMA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中斷接收北斗/GPS模塊UM220-III N的GPS信息，使用FatFs文件系統(tǒng)管理SD卡進(jìn)行GPS信息存儲，并對GPS信息進(jìn)行分析，LCD實(shí)時顯示定位狀態(tài)、時間、經(jīng)緯度、里程數(shù)等信息。

2.3 SD卡Fatfs文件系統(tǒng)存儲

系統(tǒng)存儲使用SD卡的SDIO模式，支持三種數(shù)據(jù)總線模式：1位、4位、8位，系統(tǒng)采用的是4位總線傳輸，結(jié)合STM32的SDIO接口，組成一個比SPI模式傳輸速率更高的通信方式。

2.4 里程計(jì)算

軌跡記錄儀實(shí)時記錄了大量采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)按以下步驟實(shí)時計(jì)算運(yùn)動軌跡里程數(shù)：（1）記錄數(shù)據(jù)按時間序列排序存儲；（2）并利用公式1計(jì)算1、2點(diǎn)距離；（3）讀取下一點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算與上一點(diǎn)距離并累加到總里程變量；（4）重復(fù)第（3）步直至讀取完全部數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)。公式1中A（Lung1，Lat1），B（Lung2，Lat2）表示兩點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，為兩點(diǎn)緯度之差，為兩點(diǎn)經(jīng)度之差，6378137為地球半徑，單位為米。

3 性能測試

3.1 GPS靜態(tài)漂移測試

使記錄儀保持靜態(tài)工作狀態(tài)，利用和芯星通公司研發(fā)的衛(wèi)星顯控軟件CDT進(jìn)行靜態(tài)漂移測試，配置北斗/GPS模塊數(shù)據(jù)更新頻率為5Hz，測試時間20分鐘，由測試數(shù)據(jù)可得記錄儀的定位精度（RMS）為2.5米，精度較高。

3.2 動態(tài)測試

以手持軌跡記錄儀，在戶外進(jìn)行徒步行走，打開軌跡記錄儀，在戶外延多樹道路和空曠運(yùn)動場運(yùn)動后，記錄下整個運(yùn)行軌跡，其形成的軌跡數(shù)據(jù)文件利用Google Earth軟件，導(dǎo)入數(shù)據(jù)后軌跡如圖3所示，可生成Google Earth軟件軌跡KMZ文件。測試表明此款軌跡記錄儀在戶外軌跡記錄效果良好。

4 結(jié)束語

文章以北斗/GPS混合定位模塊UM220III N為核心，結(jié)合簡單的外圍電路和數(shù)據(jù)存儲電路，按照NMEA-0183協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了軌跡記錄儀，測試表明記錄儀定位精度高，定位時間短，呈現(xiàn)軌跡效果好，使用方便，針對戶外運(yùn)動軌跡記錄和運(yùn)動量檢測具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：鄒海春（1991-），男，碩士研究生，研究方向：儀器儀表及信號與信息處理。