1、基于cortexm3芯片的无线测距系统本科学位论文 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题目: 基于Cortex-M3芯片的无线测距系统 学生姓名: 指导教师: 二级学院: 专业: 班 级: 学号: 提交日期：2014年 4月 20 日 答辩日期:2014年 5 月 10 日 目 录目 录 I摘 要 IIIAbstract IV1 绪论 51.1 课题背景 51.2 课题内容 51.3 课题意义 52 相关技术基础概述 72.1 Cortex-M3内核芯片 72.2 串口协议 72.3 GPS定位技术及数据传输协议 82.4 12864显示器 103软件环境的构建 123.1 编译环境的安装与
2、使用 123.2 PCB绘制软件的安装与使用 194 系统总体方案设计 214.1 功能需求 214.2 系统的总体框架 215 硬件设计 225.1 硬件功能需求及芯片选型 225.1.1 硬件功能需求 225.1.2 芯片的选型 225.2 硬件模块电路设计 225.2.1 主控芯片STM32最小系统电路设计 225.2.2 硬件功能模块电路设计 256 软件设计 276.1 软件功能需求及软件结构 276.2 程序流程框图 277 总结 317.1 总结 317.2 实际应用场景 318 参考文献 32基于Cortex-M3芯片的无线测距系统摘 要到目前位置，GPS的应用已经更加的广泛，
3、已从军事、国防和国家高科技产业扩展到各个民用领域。可以说，现在人类的生活已经离不开GPS了，人们居家生活需要使用GPS定位服务来查找自己周边的各种生活服务，自驾出游需要使用GPS进行路线导航，生活娱乐交友也无时无刻不用到GPS来确定自己此时此刻所在的位置。GPS已经不知不觉地融入到了我们生活的各个方面。GPS定位测距系统的主控制器选用Cortex-M3系列的ST公司的STM32系列32位单片机。主控制器电路包括STM32F103主芯片以及外围的主晶振和实时时钟晶振，芯片I/0端口，另外还用排针将5v，3.3v电源线，地线引出（主要为外设供电）；板子有三个按键，其中一个是复位按键，另外两个是普通
4、功能按键，有三个LED灯，其中一个电源指示灯，另外两个用于测试系统；板子还配有串口，能与计算机串口进行串口通信，用于各种软件的开发和调试；此系统还配有实时时钟模块，板子断电之后仍然可以保持时钟芯片的运转。最后就是电源模块和JTAG下载器接口了，电源模块将5V电源转成3.3V电源，因为STM32芯片的工作电源电压要求3.3v，JTAG接口用于程序的下载和在线调试。关键字：最小系统板；GPS;STM32；串口System of measuring distance based on Cortex-M3 chipAbstractNow, GPS applications have become mo
5、re widespread, from the military, national defense and high-tech industries extended to all civilian areas. We can say that now human life has been inseparable from GPS, people living at home need to use GPS location services to find their own living around the various services, car travel route req
6、uires the use of GPS for navigation, GPS is used to find friend around you. In short, GPS has been integrated into all aspects of our lives. GPS positioning ranging system master controller selects Cortex-M3 series ST s STM32 family of 32- bit microcontrollers . Main controller circuit includes STM3
7、2F103 main chip and the external master oscillator and real- time clock oscillator chip I / 0 ports , also with a pin to lead 5v, 3.3v power lines, ground line( mainly peripheral power supply ) ; board has three keys , one of which is the reset button, the other two are ordinary function keys ,there
8、 are three LED lights , one is power indicator , the other two are for the testing system ; board comes with serial, serial communication can be performed with the computer serial port, for a variety of software development and debugging ; this system comes with real-time clock module , which can st
9、ill keep the clock chip operation with board lack of power( but did not seem to present how to use ) .Finally there are a JTAG download interface and the power module, which will make 5V power turn into a 3.3V power, because the STM32 chip operating supply voltage requirements 3.3v, JTAG interface i
10、s used in downloading and online debugger .Keywords: The board of minimum circuit system; STM32;GPS; Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter1 绪论1.1 课题背景GPS是的英文全名是Navigation System Timing and Ranging/Global Position System，一般人们称其为全球定位系统。全球定位系统是美国率先研发的，从20世纪七八十年代开始由美国军方国防部率先使用的，最后发展到各个
11、民用领域的新一代卫星导航与定位系统。该系统为世界提供精确导航、精准定位和时间查询等服务。该系统由24颗在距离地球约二万零二百千米高度的轨道上空的卫星组成。地面上的GPS接受装置或设备接收器设备接收来自5到12个卫星的信号，并根据这些受到的信号计算出自己的精确位置、时间和速度。这明显意味着GPS测量技术已经从大致定位发展到精确定位。由于其定位的精度高，已经被各个领域引进作为地点位置测量。到目前位置，GPS的应用已经更加的广泛，已从军事、国防和国家高科技产业扩展到各个民用领域。可以说，现在人类的生活已经离不开GPS了，人们居家生活需要使用GPS定位服务来查找自己周边的各种生活服务，自驾出游需要使用
12、GPS进行路线导航，生活娱乐交友也无时无刻不用到GPS来确定自己此时此刻所在的位置。GPS在我们日常生活中已经成为了不可或缺的一部分。1.2 课题内容此次研究的课题主要完成一下的任务： 研究GPS工作原理及相关技术 研究GPS数据通信的协议 研究Cortex-M3内核（主要研究其中的硬件汇编指令） 熟练的掌握基于Cortex-M3内核的依法半导体公司的芯片-STM32的硬件编程 完成最小系统板原理图、PCB板的绘制 完成底层串口通信模块的硬件设计 完成基于STM32芯片的各个硬件驱动程序的编写 完成下位机与上位机的通讯 完成12864液晶驱动程序的设计，为用户提供可视化的界面1.3 课题意义通
13、过本次课题，熟悉当前热门的GPS技术的原理以及相关技术，锻炼自己的动手能力和语言表达能力。通过对串口协议和GPS通信协议的学习，了解到了在各个通信场合通信协议的重要性，通信协议让通信双方明白那些庞大数据流的意义，并可以保证通信双方的通信安全。通过最小系统板的设计，清楚地了解到最小系统的构成以及各个模块的作用- STM32F103主芯片以及外围的主晶振和实时时钟晶振，芯片I/0端口全部引出，另外还用排针将5v，3.3v电源线，地线引出（主要是给外设供电）；板子有三个按键，其中一个是复位按键，另外两个是普通功能按键，有三个LED灯，其中一个电源指示灯，两个用于测试的LED灯；板子还配有串口，能与计
14、算机串口进行串口通信，用于各种软件的开发和调试；此系统还配有实时时钟模块，板子断电之后仍然可以保持时钟芯片的运转（不过好像目前都没怎么用到）；最后就是电源模块和JTAG下载器接口了，电源模块将5V电源转成3.3V电源，因为STM32芯片的工作电源电压要求3.3v，JTAG接口用于程序的下载和在线调试。通过这整个的设计过程，熟练的掌握了PBC的设计与制作过程。通过硬件驱动程序的编写，对硬件驱动编程又有了更加深一步的认识与了解，熟悉各个外设器件的功能与性能。并且很好地锻炼了自己独立阅读外文资料的能力。2 相关技术基础概述2.1 Cortex-M3内核芯片本课题采用基于Cortex-M3依法半导体公
15、司设计的芯片-STM32，该芯片拥有众多先进的外设： 复杂多变的I/O端口 功能强大的DMA 先进的高级定时器和通用定时器 方便灵活的I2C接口 速度极快的FSMCSTM32的GPI/O功能强大，编程方便。其中每个端口有两个32位GPI/O端口模式控制寄存器，一个16位数据读入寄存器，一个16位数据输出寄存器，一个32位端口置位复位寄存器。STM32的端口之所以功能强大，是因为其可以配置成多种工作模式，最常用的工作模式有：通用推挽输出，上拉/下拉输入。其中每个端口的时钟也可以进行调节，这在低功耗领域极其有用。端口的最高时钟不得高于50MHz。其中GPI/O端口可以用作通用端口，还可以用于复用端
16、口。一些内部外设的功能管脚可以通过配置映射寄存器映射到其它管脚，这个功能使得引脚的重复率大大地降低。端口的锁定机制将端口的配置锁定，保证了端口配置不会被恶意修改。STM32的每一个芯片都可以端口都可以配置为中断输入管脚，这个强大的功能使得该芯片处理实时事件的能力大大地增强。2.2 串口协议计算机与计算之间以及计算机与低速外设之间通常使用串口通信，串口通信属于串行通信。串行通信是将数据一位一位的发送出去，接收方将接受的数据一位一位拼接成完整的数据，由于串行通信将数据按位发送，其所用的数据线少，传输速度慢，适合低速设备之间的通信，并且适用于长距离传输。相对于串行通信的并行通信，并行通信是将数据位一
17、次性同时发送出去，所需时间短，通信速度快，特别适合系统内部各个组成部分之间的通信，但其相对于串行通信而言，数据线增大了几倍，浪费数据线，在长距离通信中代价高昂，所以长距离通信一般不实用并行通信。 同步和异步通信方式 在串行通信中，又分为串行同步通信和串行异步通信。异步通信中，发送设备和接受设备可以不实用同一个时钟，因而对协议的要求不高，极易实现。但是在传送数据的过程中，通信双方必须事先规定好通信的数据格式，即传输协议，同时也必须确定通信的速率。以串口通信为例，其数据格式包含一位起始位，若干数据位，以为奇偶校验位，一到二位停止位，在串口通信中，通信速率和波特率是一个概念。所以在进行串口通信中要事
18、先确定收发双方的数据格式和波特率。由于异步通信的特点，在通信过程中要在每个通信数据上加上起始位和停止位。对于快速传送大量数据的场合，为了提高数据传送的效率，一般采用同步串行传送方式。同步传送时，无须起始位和停止位。在同步通信中，数据的传送往往是以帧为单位，这个数据的长度依据传输数据的长度可大可小，在传输时只需在数据的头部加上同步信号，这样就大大增加了数据传输的效率。同步传送要求对传送的每一位在首发两端保持严格同步，发送端、接收端可使用同一时钟源以保证同步。 数据传送方式在串行通信中，数据在连个设备之间进行传送。按照数据的传送方向的不同，可以把数据传送方式分为：单工、半双工和全双工。数据只能向单
19、一方向传送。从设备1发送到设备2，设备1是发送方，设备2是接受方。数据可从设备1发送到设备2，此时设备1是放松方，设备2是接受方；也可以从设备2发送到设备1，此时设备2是发送方，设备1是接受方。但某一设备不能同接受数据和发送数据。在这种方式下，由于两设备之间只有一条传输线，某一时刻数据只能向某一方向传送。相对于半双工和单工通信，全双工通信有两根数据传输线，这就意味着，在同一时刻，数据收发双方可以同时向对方传送数据。所以全双工通信速度也比其它两种的通信方式快。 传输速率在并行通信中，传输速率用每秒传输的字节数表示，单位是：Bps。相对的，在串行通信中，传输速率用波特率表示。波特率的单位是：波特，
20、1波特=1位/妙（bps）。串行通信双方使用相同的波特率，虽然收发双方的时钟不可能完全一样，但由于每一帧的尾数最多只有12位，因此时钟的微小误差不会影响接受数据的正确性。在一般实验中，串口通信最常用的波特率是：9600bps和115200bps。 在串行通信是将数据拆分，一位一位地发送出去的。2.3 GPS定位技术及数据传输协议NMEA0183NMEA 0183是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association ）指定的标准协议，目前已经被广泛的接受作为GPS导航设备通信协议的标准。其中协议的各个命令如表2-1所示：编号命令说明最大帧长度1$
21、GPGGA全球定位数据722$GPGSA卫星PRN数据653$GPGSV卫星状态信息2104$GPRMC运输定位数据705$GPVTG地面速度信息346$GPGLL大地坐标信息无7$GPZDAUTC时间和日期无表2-1 指令意义发送数据的顺序如表2-2所示：1234567$PZDA$GPGGA$GPGLL$GPVTG$GPGSA$GPGSV*3$GPRMC表2-2 数据发送顺序协议帧总说明：该协议采用ASCII字符直接传输，传输的通信格式为：一个起始位，无奇偶校验位，一个停止位，通信速率默认为4800bps。帧格式形如：$bbccc,ddd,ddd,ddd*hh1、“$”帧命令起始位2、bbc
22、cc地址域，前两位为识别符，后三位为语句名3、dddddd数据4、“*”校验和前缀5、hh校验和,$和*字符之间所有ASCII字符的校验和（每个ASCII字符的异或运算。）6、数据信息结束的表示，表示回车和换行。GPGGA这帧数据是最常用的数据，必须要掌握，包含的GPS信息也最多。$GPGGA,* 全球定位时间，格式为 时分妙.毫秒。 纬度信息数据。 S代表南纬，N代表北纬。 经度信息数据。 E代表东经，W代表西经。 定位成功标志，0=定位失败，1=定位成功。 连接卫星的数量，从0到12。 平面精度值，0.5至99.9。 海拔高度，-9999.9之9999.9。 高度的单位，M代表长度单位米。
23、 大地相对海平面的高度（999.9到9999.9）。 高度的单位，M代表长度米。 差分GPS接受数据的时间界限。 差分参考基站的编号。 校验和。2.4 12864显示器12864液晶显示器有两种显示模式，一：字库显示模式，二：图像显示模式。其中使用字库显示模式是要使用基本指令集，使用图像显示模式时要用到扩展指令集。在操作12864液晶显示器时要了解其各个管脚的定义与功能，表2-3是12864液晶显示器的管脚定义与功能：引脚编号名称电平功能1VSS0V电源2VDD+5V地3V0-LCD驱动电压4D/IH/LH:写数据 L:写命令5R/WH/LH:读信号 L:写信号6EH/LH:使能 L:失能7-
24、14DB0-DB7H/L数据端口15PSBH/LH:并行 L:串行16NC-17/RESH/LH:- L:复位18NC-19LED(+)+5VLCD背光电源20LED(-)0VLCD背光地表2-3 12864引脚名称常用寄存介绍：1清除显示，清除命令的定义如表2-4所示RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLLLLLLH表2-4 清除命令功能：清除显示屏幕，把DDRAM地址计数器调整为“00H”2地址归位，地址归位命令如表2-5所示RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLLLLLHX表2-5 地址归位命令功能：打DDRAM地址计数器调整为“00H
25、”,游标回到原点，该功能不影响屏幕的显示3显示状态 开/关，显示开关命令如表2-6所示RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0LLLLLLHDCB表2-6 显示开关命令功能：D为1; 整体显示开 C为1; 游标显示开 B为1; 游标位置开在编写程序的过程中，若不读取芯片的忙碌状态，写入数据与命令之后必须延时一段时间，来等待芯片的操作结束。3 软件环境的构建3.1 编译环境的安装与使用随着时间的推移，ARM7和ARM9内核越来越深入微控制器领域，引来了许多的开发工具对这些CPU的支持，其中主要的开发编译平台有GCC、Greenhills、Keil、IAR和Tasking等。随着新
26、一代Cortex-M3处理器的诞生，绝大部分的开发工具都很“识趣”地迅速进行更新以支持Thumb-2指令集。因此在进行STM32开发之前，开发人员事先至少需要要获取以上几种开发工具的一种。所幸的是，这些开发工具都能轻易的获取到，并且有的还是免费开源。一般情况下，建议选用芯片提供商所推荐的开发平台。但时至今日，每个开发平台都有其长处，要在两个开发平台之间分出优劣，恐怕要花费大量的时间来讨论，并且往往无疾而终。因此除了芯片提供商推荐的开发平台外，开发人员还是有别的选择的。开发平台主要分为两类。一类是免费开源的具有“大众”性质的开发平台，而一类是收费具有“专业”性质的开发平台。免费的开发平台，首当其
27、冲的无疑是基于GCC或GUN编译器的开发平台，这两个编译器是完全免费且开源的，用户可以任意下载在任何场合放心使用。GCC编译器已经被整合到众多的商业集成开发环境（IDE）和调试工具中，也由此出现了许多廉价的开发工具和评估开发板。GCC编译器的可靠性和稳定性是有目共睹的，但是大众普遍认为它生成的代码不比商业平台来的更有效率，而使用GCC遇到的问题也无法得到直接的技术支持，这样就会容易延缓产品的开发进度。商业开发平台方面，ARM RealView开发平台作为ARM公司自行推出的产品，在业界具备相当的权威性，但其也以压倒性的强大功能和令人生畏的价格令诸多工程师“又爱又恨”。RealView编译器是A
28、RM RealView IDE一系列组件之一，在片上操作系统领域应用较多，但是对于微控制器开发并没有很好的支持。MDK的长处在于功能完善，易于使用，而且为开发者提供了无缝的工具集。相比Keil而言，IAR编译环境是1938开发的，许多芯片公司，如德州仪器、意法半导体、美信等的前沿产品都使用IAR编译环境。在本次课题中，使用Keil编译环境。首先在官网1. 点击安装包安装，选择安装路径，出现如图3-1所示的对话框：图3-1 安装初始化界面2. 填写用户信息，输入姓名、公司名和邮箱地址，安装程序会弹出如图3-2所示的对话框：图3-2 用户信息登录界面3. 安装完成之后需要对软件进行破解，否则软件无
29、法编译调试打大的文件程序。接下来是建立一个可用的工程，Keil编译器是以工程的形式来组织建立代码的，各个c语言的源文件都要在工程的组织形式下才能发挥作用。首先点击编译中project中的new project按钮，即新建一个工程，如图3-3所示。图3-3 新建工程界面下面一步是选择硬件的型号，这个步骤很重要，每款硬件都有区别，对应的启动代码也就不一样，Keil编译器的一个优点就是不需要用户编写硬件的启动代码，选择硬件的型号之后就会自动生成硬件的启动代码，所以这一步不能够选错，否则就会生成错误的启动代码，这样硬件芯片就无法配置出正常的c语言运行环境，整个软件系统也就无法正常工作，但往往这个错误在程序中却很难发现。本课题所用的到硬件是ST公司的招牌芯片STM32F103VC，按图3-4选择正确的芯片型号：图3-4 芯片幸好选择界面经过该过程后，下面就是在工程中组织排列源代码了，首先要建立若干个文件夹，以便将不功能的硬件驱动代码存放在不同的位置，方便查找。在软件当中，点击“三个立方体”的按钮，会出现如图3-5的对话框，在如下的对话框中新建自己命名的文件夹和添加一些源文件。图3-5 工程文件夹建立界面在设置完文本编辑工具之后，下面将要设置编译环境。点击“三个立方体”左边的按钮会出现图3-6的对话框。图3-6 编译器编译选项首先配置C/C+选项卡中的内容，在第一
