基于MSP430的GPS定位智能拐杖设计.doc

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1、基于的定位智能拐杖设计MSP430GPS魏庆丽a，b ，许鹏a ，李军a ，隋宇鹏a ，方远韬a ，刁庶a( 吉林大学 a 仪器科学与电气工程学院; b 地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春 130026 )摘要: 为保证老年人出行安全，出现意外情况能及时求助，通过分析远程定位技术，根据卫星定位的快速性和准确性，设计了以 MSP430F149 单片机为核心处理器、GARMIN OEM ( Orignd Equipment Manufactuce ) 板为 GPS ( Global Positing System) 模块、nRF905 为无线收发器、Ampire12864 为 LCD( Liq

2、uid Crystal Display) 显示器的智能 定位拐杖。定位装置接收卫星信号，由 nRF905 接收发送定位信息，通过 LCD 显示准确位置，使老人的出行安全 得到保障。关键词: 无线通信; 智能拐杖; 求助; MSP430 单片机中图分类号: TN927文献标识码:ADesign of GPS Positioning Intelligent CrutchesWEI Qing-lia，b ，XU Penga ，LI Juna ，SUI Yu-penga ，FANG Yuan-taoa ，DIAO Shua( a College of Instrumentation and Elect

3、rical Engineering; b Key Laboratory of Geo-Exploration and Instrumentation of Education Ministry，Jilin University，Changchun 130026 ，China)Abstract: In order to ensure that the old travel safely and they can seek for help quickly when unexpected cir-cumstances appear Through the analysis of the remot

4、e location technology，according to the satellite positioning of the quickness and accuracy an intelligent positioning crutch is designed using MSP430F149 single chip as the core processor，GARMIN OEM ( Orignd Equipment Manufactuce ) as the GPS ( Global Positing System ) chip，nRF905 as the wireless tr

5、ansceiver，Ampire12864 as the LCD( Liquid Crystal Display) monitor nRF905 receiveand send data，and display accurate position through the LCD This increased security for the olds travellingKey words: wireless communication; intelligent crutches; help; MSP430 chip引言0中国人口年龄结构已开始进入老龄化阶段，老年人的生理机能随着年龄的增长开始

6、衰退。如果老年人的出行安全不能得到保障，会为家人和社会带来负担。随着科技的高速发展，老年人的生活用品已越来越丰富。现今，国内外已有很多专门适用于老年人的 产品，如: 急救药袋、定时提醒药盒等。但这些产品大都缺少定位功能，使老人在无法进行自救时不能得到 有效快速的帮助与治疗1。针对现有老年产品的缺点与不足，依据定位技术、无线传输技术、计算机通讯 以及单片机技术，设计了一种新型智能拐杖，该设计在发生意外情况时可以准确定位老人位置，通过拐杖 一键救助功能及时得到救治。收稿日期: 2012 -04 -16基金项目: 吉林大学创新计划基金资助项目( 2011 C65283 )作者简介: 魏庆丽( 197

7、2 ) ，女，吉林伊通人，吉林大学工程师，主要从事电子仪器与测量技术研究，( Tel ) 86 -13756551086 ( E-mail )weiql jlu edu cn; 通讯作者: 刁庶( 1986 ) ，女，长春人，吉林大学研究生，主要从事电子仪器与测量技术研究，( Tel ) 86 -13596407625 ( E-mail) diaoshu jlu edu cn。吉 林 大 学 学 报 ( 信 息 科 学 版)第 30 卷446设计思路设计的拐杖主要根据定位原理、微机原理和无线通信技术，采用 GPS( Global Positing System) 全球定位芯 片、单片机、无线收

8、发装置2，使用集成芯片的器件进行设计，系统兼容性好、简洁、稳定、可靠，可进行模块化 设计，易于理解。由 GPS 芯片接收卫星发出的位置信息，经处理器处理，通过无线收发装置传送，并经处理后 由 LCD( Liquid Crystal Display) 屏显示。当进行求助时，将会在屏上显示求助者的位置信息。1系统硬件设计笔者设计的拐杖包括: 定位模块、无线收发模块和显示模块。定位模块主要由 GPS 芯片和 CPU 处理 器组成，无线收发模块主要由无线接收发装置组成，显示模块主要由 CPU 处理器和显示屏组成，在 3 个模块协调配合工作 下实现定位功能。其工作过程是: 突发情况发生时，使用者启 动一

9、键求助功能，将求助信号送至定位模块的 CPU 处理器， CPU 处理器启动 GPS 接收卫星信号，经处理后解密为标准的 经纬度数据，通过 GPS 处理单元解析转为定位信息，回送给 CPU 处理器，由无线收发模块将信息发送给显示模块中的2CPU 处理器进行分析并处理为位置信息，最后通过显示器显示位置信息，完成定位功能。其硬件系统组成如图 1 所示。图 1 硬件系统组成框图Fig 1 Block diagram of the hardware system定位模块Rockwell 公司的“Jupiter”GPS-OEM 板定位速度快、工作稳定、耐电压冲击和高抗干扰性，12 道并行 通道，瞬间锁定可

10、视卫星、长寿命后备锂电池使重捕速度更快、全屏蔽封装具备优秀抗电磁干扰特点，其位 置精度为 15 mRms( SA off) /10 m( 差分) 、速度精度达0 1 m / s，适合在拐杖中使用3。考虑到 MSP430F149 单片机的输入输出电平与 OEM( Orignd Equipment Manufactuce) 板的输入输出电平不符，因此这里需要加入 双电瓶转换电路4。如图 2 所示，可使用电平转换芯片 MAX232，其内设电荷泵，单电源供电，可以有效进行 电平转换。为了提高 CPU 的使用率，设计采用中断方式从串口接收 OEM 板的数据5。同时，硬件 UART 2 通用异步接收/ 发

11、送器，可以实现串行异步通信中串并行数据转换，使 CPU 利用率大大提高6。定位模块原 理框图如图 3 所示。2 1图 2 Max232 串口电路图Fig 2 Max232 serial interface circuit图 3 定位模块原理框图Fig 3 Block diagram of the positioning principle module魏庆丽，等: 基于 MSP430 的 GPS 定位智能拐杖设计第 5 期447无线收发模块挪威 Nordic 公司推出的 nRF905 单片射频发射器芯片集成度高，使用方便，通过 SPI 接口与微控制器 连接，功耗小于 12 5 mA。此外，具有

12、接收发送功能合一和收发完成中断标志，抗干扰性强，有很强的扰障 碍穿透性能7。该设计使用了 nRF905 模块的 ShockBurst 工作模式和节电工作模式。2 22 2 1数据发送过程单片机检测到按键按下后，从 OEM 板获取位置信息，将 TRX-CE 设置为高 TX-EN 启动 nRF905，再将位置信息通过 SPI 口传送给 nRF905，由 nRF905 完成数据包( 包括前导码和 CRC 校验码) 的发送。数据接收过程2 2 2拐杖发出数据后，接收端的 nRF905 会检测到与接收频率相同的载波并将检测 ( CD) 置高，等待接收有效地址并将地址匹配( AM) 置高，当数据包接收完毕

13、、检查无误后将绪位 ( DR) 置高，单片机便可通过SPI 口读取接收到的数据。当读出所有数据后，nRF905 自动进入节电模式8。模块电路如图 4 所示。图 4 无线模块硬件电路图Fig 4 Wireless module circuit显示模块2 2 3MSP430F149 是 TI 公司的 16 位 RISC 单片机，具有 16 位的寄存器 16 个，27 条精简指令，片内 Flash60 kByte，片内 RAM 2 kByte 以及使用双重取数据技术，满足应用的要求9。Ampire12864 图形点阵液晶显示器，主要采用动态驱动原理由行驱动器和列驱动器两部分组成 128( 列) 64

14、( 行) 的全点阵液晶显示。可显示 8 4 个 16 16 点阵汉字或 16 4 个 16 8 点阵 ASCII 字符 集，也可完成图形的显示10。MSP430F149 读取 nRF905 接收到的数据并通过 I / O 口控制 LCD 进行显示11。单片机的 P2 1 为 LCD 左半屏的片选信号 CS1，P2 2 为 LCD 右半屏的片选信号 CS2，P2 4 为 R / W 控制信号，P2 5 为 LCD 的 E 使能信号，P2 3，P2 6 分别为寄存器选择信号和复位端口。P3 口作为 LCD 现实数据( 或指令) 通讯 口12。显示模块电路图如图 5 所示。图 5 显示模块电路图Fi

15、g 5 Display module circuit吉 林 大 学 学 报 ( 信 息 科 学 版)第 30 卷448软件设计正常情况下，微处理器处于待机状态，意外情况发生时，老人按下求助键时微处理器执行中断程 序13，将信号传至 GPS 处理单元，GPS 开始接收卫星信号，并将信号转为定位信息，转换完毕后将定位信 息回送给微处理器14，MSP430 先把待发送的数据写入 nRF905 的数据寄存器中，把“TRX_CE”、“TX_EN” 引脚置高便启动数据发送。该设计选中了 nRF905 的自动重发位，在“TRX_CE”为高电平时一直重复发送 数据。程序中设计延时 500 ms，置低“TRX_

16、CE”让无线模块回到待机模式，单片机置高“TRX_CE”后便接 收数据。CPU 在 35 s 内一直检测“DR”引脚是否变高，如变高则可退出接收模式; 若超时后也退出。退出待机 模式后，CPU 通过 SPI 总线将数据从寄存器中读出，然后输出到 LCD，以地图和坐标的形式显示在 LCD 屏 上15。程序流程图如图 6 所示。3图 6 程序流程图Fig 6 Process flow chart系统测试结果及分析设计完成后，对该设计进行功能测试。测试方法: 将拐杖和显示器分别给测试者 A 与测试者 B，A 与 B 随机移动至 600 m 范围内某位置进行多次测试，A 到达某一位置后将其所在的位置通

17、过移动电话告诉 B，再按下求助按键，B 对显示的位置信息和 A 告诉的信息进行记录。测试结果及分析: 经 A 与 B 核对，显示信息表示的位置与实际位置基本一致。由于该设计使用的 GARMIN OEM 板定位误差在 5 15 m 范围内，而经纬度的最小单位 1 s，约为实际距离 30 m，实际位置与 显示位置的误差小于 30 m，在可视范围内，在 600 m 范围内可以对求助者进行寻找和辨认，且该设计的地 图信息与经纬度显示准确，误差较小，定位精确，测试效果良好，满足实际要求。4结语5该智能拐杖采用 GPS 定位、无线数据传输等先进技术，基于模块化的思想进行总体构建，能实现定位功能，精度符合实

18、际应用的需求，为辅助老年人行走提供安全保障。当遇到突发情况时，能及时、准确获取 老人位置，使老人在第一时间得到救助。该设计具有性能高、速度快和成本低等特点，符合老年人的需求， 具有一定前景及市场价值。参考文献:1郑林欣，张帅 基于老年人生理衰退的产品设计J 包装工程，2007，28( 10) : 188-210.ZHENG Lin-xin，ZHANG Shuai Based on the Elderly Physiological Decline of Product DesignJ Packaging Engineering，2007，28( 10) : 188-210.魏庆丽，等: 基于

19、MSP430 的 GPS 定位智能拐杖设计第 5 期4492魏小龙 MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例 M 北京: 北京航空航天大学出版社，2002.WEI Xiao-long MSP430 MCU Interface Technology and System Design Example M Beijing: Beihang University Press，2002.3ELLIONTT D，KAPLAN GPS 原理与应用M 北京: 电子工业出版社，2002.ELLIONTT D，KAPLAN GPS Principle and ApplicationM Beijing: E

20、lectronic Industry Press，2002.4刘瑞华 MCS-51 单片机与 GPS-OEM 板串行通信系统设计J 仪表技术与传感器，2005( 3) : 53-55.LIU Rui-hua MCS-51 SCM and GPS-OEM Board Serial Communication System Design J Instrument Technology and Sen- sors，2005( 3) : 53-55.5刘大杰，释一民 全球定位系统( GPS) 的原理与数据处理M 上海: 同济大学出版社，2003.LIU Da-jie，SHI Yi-min The Gl

21、obal Positioning System( GPS) Principle and Data Processing M Shanghai: Tongji UniversityPress，2003.6张凤举，王宝山 GPS 定位技术M 北京: 煤炭工业出版社，1997.ZHANG Feng-ju，WANG Bao-shan GPS TechnologyM Beijing: Coal Industry Press，1997.7吕跃刚 基于 nRF905 无线数传模块的设计及其实现J 微计算机信息，2006，22( 12) : 274-275L Yue-gang Based on nRF905

22、Wireless Digital Module Design and Its ImplementationJ Mirco Computer Information，2006，22( 12) : 274-2758侯海岭，姚年春 无线收发芯片 nRF905 的原理及其在单片机系统中的应用J 仪器仪表用户，2006，13( 3) : 70-71.HOU Hai-ling，YAO Nian-chun Wireless Transceiver Chip nRF905 the Principle and the Application in the SCM System J Instruments Use

23、rs，2006，13( 3) : 70-71.9沈建华，杨艳琴，翟骁曙 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用M 北京: 清华大学出版社，2004SHEN Jian-hua，YANG Yan-qin，ZHAI Xiao-shu MSP430 16 Ultra-Low Power Single-Chip Microcomputer Principle and Appli- cationM Beijing: Tsinghua University Press，2004.10刘福才，王冬云，张海良 一种实用的 MSP430 单片机与 LCD 显示器接口技术J 可编程控制器与工厂自动化，

24、2005，93( 4) : 93-96.LIU Fu-cai，WANG Dong-yun，ZHANG Hai-liang An Applied Technology of Interface in MSP430 and LCD System J PLC FA，2005，93( 4) : 92-96.11郭强 液晶显示器件应用技术M 北京: 电子工业出版社，2000GUO Qiang Liquid Crystal Display Device Application Technology M Beijing: Electronic Industry Press，2000.12于龙成，史延龄 仪表

25、用中文 LCD 与单片机的接口技术J 仪表技术，2003( 3) : 18-22.YU Long-cheng，SHI Yan-ling Instruments in Chinese LCD and Single-Chip Microcomputer Interface Technology J Instru- ment Technology，2003( 3) : 18-22.13胡大可 MSP430 系列单片机 C 语言程序设计与开发M 北京: 北京航空航天大学出版社，2003.HU Da-ke MSP430 MCU C Language Program Design and Developm

26、ent M Beijing: Beihang University Press，2003.14王慧南 GPS 导航原理与应用M 北京: 科学出版社，2003.WANG Hui-nan GPS Navigation Principle and ApplicationM Beijing: Science Press，2003.15秦龙 MSP430 单片机 C 语言应用程序设计实例精讲M 北京: 北京航空航天大学出版社，2006.QIN Long MSP430 Microcontroller C Language Program Earnestly Design ExampleM Beijing: Beihang University Press，2006.( 责任编辑: 刘东亮)