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                                                 關(guān)鍵詞:運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航；監(jiān)控軟件；單片機(jī)；串行通信

    林小寧（1962—）
男，廣東蕉嶺人，講師，主要從事機(jī)電一體化及數(shù)控方面的教學(xué)及研究。

1 引言

    隨著電子導(dǎo)航技術(shù)的不斷進(jìn)步，如何準(zhǔn)確而快速地獲取運(yùn)動(dòng)物體的行駛信息就成為導(dǎo)航產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)所關(guān)注的焦點(diǎn)問題。目前實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位技術(shù)的主要途徑有全球定位系統(tǒng)[1]（Global Positioning System，GPS）、航位推算技術(shù)[2]（Dead Reckoning，DR）以及地圖匹配[3]（Map Matching，MM）三大技術(shù)。

    航位推算技術(shù)是一種傳統(tǒng)的跟蹤導(dǎo)航算法，它采用里程傳感器和航向傳感器來推算運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡，誤差較大。地圖匹配算法復(fù)雜，耗費(fèi)軟硬件資源且實(shí)時(shí)性難以保證。而GPS技術(shù)在智能交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，且十分成熟。

    筆者在工作中做了如下嘗試：以低成本、低功耗、高可靠性和較好的交互性為基本原則，用C8051F020作為核心處理器，設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器；開發(fā)符合Windows規(guī)范的監(jiān)控軟件，提供友好的人機(jī)界面；利用微功率無線數(shù)傳模塊完成上位機(jī)軟件與單片機(jī)之間的通信。自定義了通信協(xié)議，提高數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用兩級(jí)微機(jī)控制結(jié)構(gòu)，即上位機(jī)是PC機(jī)，下位機(jī)是C8051F020單片機(jī)。單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、處理和電機(jī)控制，同時(shí)把采集到的信息打包發(fā)送給PC機(jī)變換、處理和顯示。上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信通過微功率數(shù)傳電臺(tái)模塊實(shí)現(xiàn)。

    C8051FXXX系列單片機(jī)是Cygnal公司推出的高性能的完全混合信號(hào)系統(tǒng)MCU芯片，其指令集與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容[4]。本文使用C8051F020設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器，該處理器采用基于流水線的CIP-51內(nèi)核，片內(nèi)集成VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，支持在線編程和JTAG調(diào)試接口，具有體積小、功耗低、便于調(diào)試開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

    C8051F020的兩個(gè)串口分別用來連接GPS和數(shù)傳電臺(tái)。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2配合UART0產(chǎn)生9600bps波特率與數(shù)傳模塊連接，完成與PC機(jī)的通信；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T4配合UART1產(chǎn)生4800bps波特率接收GPS信號(hào)。用兩路可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器（PCA）產(chǎn)生16位的PWM分別驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)。

    運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的初始坐標(biāo)和方位角由GPS獲得。iTrax 02[5]型接收機(jī)是一款超小體積、低功耗的GPS OEM板，其尺寸僅為26mm×26mm×4.7mm，休眠功耗僅為80uW，連續(xù)導(dǎo)航時(shí)也不超過110uW，并且從休眠到導(dǎo)航定位僅為8s，具有極快的信號(hào)獲取引擎。iTrax 02帶有2個(gè)UART接口，可接收NMEA0183格式的數(shù)據(jù)和二進(jìn)制的iTack格式數(shù)據(jù)。其端口2用來輸入差分修正信息和輸出衛(wèi)星的原始測量信息，而端口1用來輸入設(shè)定語句和輸出定位語句。C8051F020單片機(jī)具有全雙工串行通信能力。兩者采用最簡單的零調(diào)制的三線制進(jìn)行串行通信，這是進(jìn)行全雙工所需要的最少數(shù)目的線路。因而只需將C8051F020的串行口經(jīng)TTL電平與EIA電平轉(zhuǎn)換后，再與iTrax 02板串行口1對應(yīng)連接。系統(tǒng)采用11.059 MHz晶振。

    無線通信模塊選擇ZT-TR43C型微功率無線電臺(tái)，該模塊適用于低成本、小型化場合的無線數(shù)據(jù)收發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    3.1 自定義通信協(xié)議

    對于監(jiān)控軟件與單片機(jī)之間的通信，能夠?qū)崿F(xiàn)收發(fā)真實(shí)再現(xiàn)的關(guān)鍵在于PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信協(xié)議是否滿足要求。經(jīng)過需求分析，制定了如圖2所示的單片機(jī)向PC機(jī)發(fā)送的通信協(xié)議。
     

    單片機(jī)向PC發(fā)送的數(shù)據(jù)包由15個(gè)字節(jié)組成。數(shù)據(jù)包開頭的兩個(gè)字節(jié)，我們設(shè)定第0和第1字節(jié)分別為0xEB和0x90，定義為數(shù)據(jù)頭。當(dāng)有數(shù)據(jù)向PC機(jī)發(fā)送的時(shí)候，檢測數(shù)據(jù)頭是否與設(shè)定值一致，一致就繼續(xù)接收剩余的數(shù)據(jù)，否則舍棄該數(shù)據(jù)包。第2～5字節(jié)留給加速度傳感器信息。第6～9字節(jié)為采集的GPS緯度數(shù)據(jù)；第10～13字節(jié)表示采集來的GPS精度數(shù)據(jù)；第14個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)，該字節(jié)等于前14個(gè)字節(jié)的和，用來檢驗(yàn)接收的數(shù)據(jù)包是否完整。圖3所示為PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式。
     

    PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送的命令占用一個(gè)字節(jié)，低四位表示對電機(jī)控制的命令和數(shù)據(jù)，高四位表示對舵機(jī)提供的命令和數(shù)據(jù)。第3位表示電機(jī)進(jìn)退位，“0”表示前進(jìn)，“1”表示后退，第0～2位表示控制量；同理，第7位表示舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制位，“0”表示右轉(zhuǎn)，“1”表示左轉(zhuǎn)，第4～6位表示控制量。控制命令如表1所示。

    表1   控制命令表

    

    3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部分，一部分是單片機(jī)控制軟件，在Keil C51環(huán)境下開發(fā)，采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括控制模塊、采集模塊等，主要模塊流程圖如圖4所示。

圖5    系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)束語

    采用C8051F020單片機(jī)作為核心處理器，具有體積小、功耗低、便于維護(hù)的特點(diǎn)。開發(fā)符合Windows風(fēng)格的監(jiān)控軟件具有人機(jī)界面友好，便于操作的優(yōu)點(diǎn)。由于選用無線數(shù)傳電臺(tái)作為通信手段，因此使用的場合較為廣泛。該系統(tǒng)還可用于其它串行通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控場合。

參考文獻(xiàn)：

    [1] 魏 宏，城市軌道車輛組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 吉林：吉林大學(xué), 2003.

    [2] 李本亮，GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)中的航位推算技術(shù)[Z]. 北京：菱科電子技術(shù)(中國)有限公司研發(fā)中心, 2005.

    [3] 王仁禮，陳天澤, 王冬紅. 智能型地圖匹配綜合算法的研究[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2003.

    [4] 張迎新，雷文， 姚靜波等. C8051F系SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版, 2005.

    [5] 聞新，劉寶忠，林聞曉，MCS-51與GPS-OEM板串行通信技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J]. 無線電電子學(xué)與電信技術(shù)，2006.