湖南工学院 电气与信息工程学院：吴乐 邹本福 孙长明 成利香

随着卫星导航系统的快速发展和产业化，卫星导航定位技术得到广泛应用和发展。最早投入运行并面向全球提供民用导航服务的是美国的“GPS”卫星导航系统，在稳定性、精度、测速具备很大优势，在全球范围内得到了普及。北斗卫星导航系统（BDS）是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，可为用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。目前，推广北斗卫星导航系统的终端应用，是国家经济战略发展的需要。

通信终端作为用户接入卫星导航系统的唯一接口，目前被广泛应用，并深入到人民的生活当中，在公共安全、测绘仪器、智能交通运输、精准农业、海洋工程、防灾减灾等方面得到广泛应用，具备很好的发展前景，由此对于卫星导航通信终端的研究与实现显得更加有意义。

文中设计了一款基于GPS/北斗的智能通信终端系统，采用STM32F103RC作为主控制器，通过Air530多模卫星定位导航模块获取定位信息、实时时间，并显示在液晶屏上，还能通过GSM模块将获取的信息发送到用户手机端。系统具有低功耗、低成本、扩展灵活等特点，实现了精准授时、定位和无线通信等功能。

1.总体设计方案

系统以STM32F103RC芯片为核心，主要由GPS/北斗定位模块、无线通信模块、液晶显示模块、电源电路等搭建系统的硬件电路，通过程序设计，系统主要实现获取通信终端的实时位置（经度、纬度）、时间和日期等信息，并在液晶显示屏上显示，还能将获得的位置信息按一定的时间规律发送给用户手机端。系统总体设计方案如下图1所示。

2.系统硬件设计

2.1 主控模块电路

2.1.1 STM32F103RC简介

智能通信终端系统的主控芯片采用STM32F103RC，该芯片采用高性能的Cortex-M3内核，工作频率为72MHz，内部配有高速存储器，处理速度极快，片内资源极其丰富，还拥有丰富的多功能I/O端口以及连接到两条APB总线的外设，配备了许多标准和先进的通信接口。STM32F103RC主控电路设计包括STM32F103RC芯片、复位电路、时钟电路和电源接口电路。

2.1.2 供电接口电路

电源是用电设备必不可少的部分，供电电路采用Type-c接口给STM32单片机芯片供电，为单片机提供稳定的工作电压，Type-c接口没有正反之分，随意使用，不容易损坏电源电路，简单方便又实用。

2.1.3 复位电路

由于选用的STM32单片机是低电平复位，系统设计采用按键复位方式，当按键按下时，电容快速放电，RESET连接的引脚会逐渐变为低电平，按键松开后，电容快速进行充电，RESET连接的引脚电压会逐渐变为3.3V，从按键按下到松开的过程一般都需要持续几百毫秒，远大于系统复位所需拉低电平的时间，因此满足复位条件，单片机能正常复位。

2.1.4 时钟电路

图1：系统总体方案设计图

时钟电路是STM32单片机必不可少的电路之一，它主要为STM32提供时间信号，电路主要由晶振与电容组成，stm32需要两个外部晶振，其中8MHz的高速晶振，PLL倍频用，另一个32.768KHz低速晶振，在系统处于低功耗或者待机状态下使用，也可以用于计时。

2.2 定位模块接口电路设计

2.2.1 定位模块Air530简介

Air530模块是一款高性能、高集成度的多模卫星定位导航模块。它体积小、功耗低，可用于车载导航、智能穿戴、无人机等全球卫星导航系统定位的应用中，而且提供了和其他模块厂商兼容的软、硬件接口，大幅减少了用户的开发周期。模块支持GPS/Beidou/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射频基带一体化设计，提供超高的性能，即使在弱信号的地方，也能快速、准确的定位。

2.2.2 Air530模块与STM32接口电路设计

Air530与STM32采用串行接口进行通信，接口电路中GPS_RXD引脚负责数据接收，接单片机的数据发送引脚PA2，接收单片机发送的数据与指令。GPS_TXD引脚负责数据发送，接单片机的数据接收引脚PA3，给单片机发送数据。

2.3 液晶显示屏接口电路设计

系统使用1.44寸TFT液晶显示屏，显示屏只需要3.3V低电压即可驱动，显示效果好，同时功耗也很低，屏幕没有辐射、不闪烁，该屏幕工作的温度范围也很广，在-20℃到+50℃之间都可以使用。显示屏一共只有8个引脚。

TFT液晶显示屏与单片机的接口电路中SD1是液晶屏SPI总线数据输入端，接单片机的PB9引脚，CLK是液晶屏SPI总线时钟信号，接单片机的PB8引脚，CS为液晶屏的片选信号，低电平使能，接单片机的PB7引脚，SD0是液晶屏的复位引脚，负则显示屏出现错误后的复位，接单片机的PB6引脚，D/C引脚控制选择液晶屏寄存器/数据选择，接单片机的PB5引脚，BLK为液晶屏的背光负极，接单片机的PB4引脚。

2.4 无线通信电路设计

2.4.1 SIM800C介绍

SIM800C是一款四频GSM/GPRS模块，该模块的使用范围广，支持收发短信，拨打与接听电话，系统只需要用到其发送短信的功能，实现单片机与手机端的通信。模块的正面有一个MBUS总线插头和一个MicroSIM卡槽，反面是一个MBUS总线插座，SIM800模块上有一路信号指示灯，上电指示灯会快闪，寻找到网络会进入慢闪，连接上GPRS会快闪。

2.4.2 SIM800C与STM32的接口电路设计

SIM800C与STM32之间采用串口通信：V_IN接5V电源，GND接地，TXD引脚负则模块的数据发送，接到单片机的PB11（RXD）脚，RXD引脚负责模块的数据接收，接到单片机的PB10（TXD）脚，PWK引脚接地，模块上电时，会拉低PWK引脚一秒以上，然后释放，模块才能开机。

3.系统软件设计

软件设计主要包括STM32监控程序设计、液晶屏控制与显示程序设计、定位程序设计、GSM无线通信程序设计等。

3.1 主程序设计

主程序为系统运行的主要逻辑，包括了各个模块的初始化管理与各模块之间的工作的管理，详细的程序设计流程如下：

（1）系统上电后，先初始化系统的时钟系统，使系统能在统一的频率下工作。

（2）中断分组，STM32F103有非常多的中断类型，进行中断分组方便对各个中断事件进行处理，因为系统要同时使用串口一、串口二和串口三的中断，所以要进行分组管理，增加系统的稳定性，使系统免于处理数据顺序混乱而出现莫名其妙的BUG。

（3）初始化液晶屏幕，使其能在接下来的时间里显示数据信息。

（4）初始化卫星定位模块，让GPS模块使用GPS卫星与北斗卫星一起定位，从而使定位更加准确，指定GPS模块返回数据的频率为1s/次，返回指定的GPRMC格式的数据。

（5）初始化GSM无线通信模块，使其处于工作状态，等待系统的下一步指令。

（6）初始化led，在主循环中隔一段时间点亮和熄灭led，使用户知晓系统正在正常工作状态。

（7）解析接收到的定位信息，并展示到液晶显示屏上。

（8）最后判断循环次数是否满足了指定的要求，如果满足，就给手机端发送位置信息，如果还不满足条件，就执行下一次循环。

3.2 TFT液晶显示屏程序设计

将对屏幕的每一步操作都封装成单独的函数后，再写一个显示字符串的函数，只需要传入字符串需要显示的位置，字符的颜色，背景颜色和字符串这几个参数即可。

（1）函数会进行字符串是否为空的判断，情况一：如果字符串为空，说明字符已经全部显示，程序结束。情况二：传入的是空字符串，错误的数据格式，直接结束程序。

（2）字符串不为空时，会判断字符的类型，获取相应的字符像素点信息。

（3）将像素点信息发送到屏幕后就会显示相应的字符。

3.3 卫星定位模块程序设计

3.3.1 NMEA协议简介

AIR530模块支持NMEA 0183 V4.1协议并兼容以前版本。NMEA是（National Marine Electronics Association）为海用电子设备制定的标准格式。它是一套定义接收机输出的标准信息，有几种不同的格式，每种都是独立相关的ASCII格式，逗点隔开数据流，数据流长度从30-100字符不等，通常以每秒间隔选择输出，最常用的格式为“GGA”，它包含了定位时间，纬度，经度，高度，定位所用的卫星数，DOP值，差分状态和校正时段等，其他的有速度，跟踪，日期等。已成为所有的GPS接收机和最通用的数据输出格式，同时它也被用于与GPS接收机接口的大多数的软件包里。NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。

常用格式以及表示的意义如下：

（1）GGA：时间、位置、卫星数量；

（2）GLL：经度、纬度、UTC时间；

（3）GSA：GPS接收机操作模式，定位使用的卫星，DOP值，定位状态；

（4）GSV：可见GPS卫星信息、仰角、方位角、信噪比；

（5）RMC：时间、日期、位置、速度VTG：地面速度信息。

3.3.2 Air530定位程序设计

Air530模块与STM32单片机采用串口通信，设置波特率为9600波特。先对定位模块进行初始化操作，完成之后，模块返回RMC格式的数据给单片机，STM32单片机通过串口接收到数据后，进入中断处理函数，将收到的数据保存到自定义数组中，数据接收完成之后，将接收完成标志位置1。

（1）在程序中通过解析数据函数首先会判断STM32是否接收到了数据，如果没有接收到，则退出解析数据程序等待下一次调用。

（2）如果有数据，则以逗号为分割标志，将接收到的数据分为时间、数据状态、维度、南北纬标志、经度、东西经标志、地面速度、卫星方位、当前日期等几个部分。然后将这些数据保存到自定义的结构体中，用于后续的显示以及无线通信。

3.4 GSM短信发送程序设计

GSM无线通信模块通过串口发送AT指令给SIM800，就可以实现语音、SMS短信和数据信息的传输，可以运用短信来发送时间、位置等信息。

SIM800模块遵循的短信收发功能指令如下：

程序中，采用的指令包括使用“AT+CMGF=1 ”指令将短信配置为文本格式；使用“AT+CSCS=”GSM” ”指令将CSCS设置为GSM模式；使用“AT+CMGS=”指令设置接收短信的手机号码。将一系列的指令发布之后，就是对模块的运行进行设置。主要是需要让它实现在接收到单片机系统传输过来的位置信息之后，系统通过串口通信，将经纬度、时间等信息以数组的形式进行发送。

具体流程为：首先对GSM无线通信模块进行初始化，完成后等待STM32单片机给其发控制指令。当定时时间到后，系统调用发送短信的函数，先将短信模式配置为文本模式，用于发送英文短信，再设置字符格式为GSM字符集，然后输入接收短信的用户手机号码，最后输入要发送的定位位置信息、时间等内容和结尾标志，即可完成短信的发送。

4.系统调试

4.1 室外定位测试

搭建好系统硬件系统，通过KEIL软件编写好程序后，下载到STM32开发板，进行系统测试。首先，系统通电后，各个模块初始化完成，通过卫星定位模块会将接收到的位置信息显示到液晶显示屏上，测试结果如图2所示：第一二行是测试当日的日期和时间，第三四行显示的是开发板所在位置（显示的经、纬度），第五行显示的是以上几行数据信息是否有效，如果系统没能正确的获取到卫星定位的信息，此处会显示“数据无效”。

图2：室外定位测试结果

图3：手机端短信接收结果

4.2 发送短信功能测试

单片机控制GSM模块给指定的手机号发送自定义格式的数据，发送位置信息的同时也把时间信息一起发送，是为了让用户知晓数据获取的时间，保证了数据的时效性，其调试结果如图3所示：第一行是接收到的当前日期，第二行是当前时间，第三第四行分别为定位到的系统的经纬度。用户收到数据后，通过谷歌地图查看定位结果，误差在十米以内，系统的定位比较准确。