第40卷第2期2018年4月
电气电子教学学报
JOURNAL OF EEE V〇1.40No.2
Apr.2018基于北斗卫星定位的开放实验平台开发
賡昌俊\刘继芝2
(电子科技大学1.通信与信息工程学院,2.微电子与固体电子学院，四川成都611731)
摘要：本文针对“卫星导航原理与应用”课程的需要，研发了基于北斗卫星定位的开放实验平台。本实验系统主要是由GPS/北斗模块、GPRS/ GSM模块、ARM及其外围电路组成。学生通过本实验，不但可以对“卫星导航原理与应用”课程的知识有更深人的掌握，而且可以学习硬件系 统的设计和软件系统的开发。
关键词：卫星导航；开放实验平台；工程素养
中图分类号:G424.31 文献标识码:A文章编号:1008"0686(2018)02"0132>04 Development of Open Experiment Platform Based on Beidou Satellite Positioning
LIAO Chang-jun1, LIU Ji-zhi2
(1. School o f Communication and Information Engineerings2. School o f microelectronics and solid state electronics,
University o f Electronic Science and Technology o f China,Chengdu611731, Chirux)
Abstract：In view of the needs of the Principles and Applications of S a t e lli te Navigation course, an open experimental platform based on Beidou s a t e l l i t e positioning i s developed. The experimental system i s mainly composed of GPS/ Beidou module, G P R S/G S M module, A R M and i t s peripheral c i r c u i t. Through th is experiment, students can not only master the knowledge of s a t e l l i t e navigation principle and application course, but also learn the design of hardware system and the development of software system.
Keywords：s a t e l l i t e navigation； open experimental platform； engineering accomplishment
〇引言
卫星导航系统是高精度、全天候和全球性的无 线电导航、定位和定时的多功能系统[1]。目前卫星 导航已经发展成为多领域、多模式、多用途的产业。以前高校相关专业开展的实验课内容多以验证为 主，
少有研究，浅尝辄止[M]。为了提升实验内容的 规模和深度，提高学生的学习兴趣，使学生把掌握的 抽象知识与具体产品相联系并加以运用，本文介绍 一款基于北斗卫星定位的开放实验平台。学生通过 对本实验平台的了解和使用，不但可以对卫星导航 原理与应用课程的知识有更深入的掌握，而且可以学习硬件系统的设计和软件系统的开发。
1实验平台硬件模块设计方案
该实验平台硬件系统主要是由GPS/北斗模块、G P R S/G S M模块、A R M及其外围电路组成。GPS/ 北斗模块将从天线接收到导航定位信息通过串口发 给A R M,A R M对这些数据进行处理，并通过G P R S 通道传递出位置信息[5’6]。G P R S/G S M通信模块可 完成与实验者手机进行通信的任务。G P R S/G S M 通信模块会根据接收到的AT指令将相应的数据信 息传送给实验者的手机，手机可以将接收到的信息 进行存储和处理，例如接收到定位信息，手机就可以
收稿日期:20174)9-23；修回日期:2017-11~05国家法定节假日规定
第一作者：廖昌俊(1974-)，男，硕士，讲师，主要从事数字信号处理理论教学、卫星导航和数字信号处理研究工作，E-mail:C hangjunliao@ueSt C.
edu
第2期廖昌俊，刘继芝：基于北斗卫星定位的开放实验平台开发
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通过地图匹配技术显示出实验平台的当前位置。实 验平台硬件系统的总体框图如图1所示。
手机
GPRS 网络
开放实验乎台
5TM 32F 103
其他税块
GSM/QPRS
換块
图1
实验平台硬件框图
实验平台硬件系统主要组成部分介绍如下：
1.1
主控芯片
ARM
A R M 是整个硬件系统的核心。本平台选择的
核心控制器 STM32F103VCT6 是 STMicreelecronics 公司发布的32位增强型通用微处理器产品，采用
C 〇r gtex-M3 内核，片内 F L A S H 容量为 256 K [7’s]。为
了方便学生使用和创新扩展，设计连接的外设接口
比较多且采用两片S T M 32F 103V C 芯片作为系统的 核心处理器，它们之间采用U S A R T 串口相连。两片
M C U 控制的外设以及接口连接方式如图2所示：
图2 M C U 外设框图
1.2
GPS /北
斗模块
GPS/北斗模块也是整个系统中十分重要的一
部分，其主要功能是通过天线接收GPS/北斗卫星发 送的导航数据，得到自己当前的位置以及当前的时 间信息，然后通过模块上的串口把这些数据输出。
本系统使用的GPS/北斗模块是泰斗微电子生 产的T D 3020C 模块，该模块支持B D 2 Bl/GPS L 1频 点的双模导航定位模块。可同时接入B D 2 B 1和
GPS L 1信号，模块内部集成了泰斗微电子自主研发
的双模SOC 基带芯片和双模射频芯片，可以高效地 解算出天线接收到的信息，具有高灵敏度、高精度、 低成本和低功耗等优点[9]。
1.3
GPRS/GSM 模
块
G P R S /G S M 模块是系统中十分重要的通信模
块，负责进行语音通话、短消息通信以及网络数据传 递，是实验平台与手机之间通信的纽带。本系统使
用的G P R S /G S M 模块是S I M C o m 提供的SIM900A ， 具有G S M 语音通话和短消息通讯的功能,SIM900A 提供2个工作频段，分别为E G S M 900 M H z 和DCS
1800 M H z ，而且具有标准的A T 指令接口。
2
实验平台软件设计
系统各个模块的软件设计包括STM 32F 103VC
的外部接口 I 2C 、USART 串口、GPI 0、SPI 等通信接 口，用以控制外部相连的各个模块，包括外部存储器 控制、GSM 模块控制、GPS /北斗模块控制等。
3实验平台上开展的实验项目
为了使学生更好地掌握卫星导航系统的设计思
想、结构和测试方法，学生在实验平台上可以完成下 列实验。
3.1
GPS /北
斗模块测试
系统中使用到的GPS/北斗模块为泰斗微电子 公司生产的T D 3020C ，该模块具有U A R T 串口，可以 通过M C U 的U A R T 端口来控制此模块。GPS/北斗 模块是通过M C U 1的串口 2来控制的，通过串口发 送一组定位信息，得到其测试结果如图3所示。通 过本实验，学生可以学习和掌握串口的使用和如何 控制实验所使用的GPS/北斗模块。
图3 GPS /北斗模块串口发送数据波形图
3.2串口电平转换测试
由于系统中外接的串口摄像头采用的是RS232 电平，与单片机工作的电平不一致。R S 232是美国 电子工业协会 El A ( Electronic Industry Association ) 制定的一种串行物理接口标准，最大通信距离为
15
134电气电子教学学报第40卷
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M，有自己的电气标准，采用负逻辑，即逻辑“0”： + 5乂~+15¥，逻辑“1”：-5¥~-15¥，而1^电平的逻辑“0”： <0.4V，逻辑“1”： +3V~ +5V，因此 RS232 不能与TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转 换，本系统使用电平转换芯片HIN202EIBN来进行 串口电平的转换。图4所示为从ARM1的串口 4发 送一组数据之后使用示波器获得的电平转换测试结 果。通过本实验学生可以学习和掌握如何进行电平 转换。
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图4串口电平转换测试
3.3 1C卡模块测试
本系统中1C卡采用的是I2C接口，I2C在传送 数据的过程中共有三种类型的信号线，分别是开始 信号、结束信号和应答信号，三种信号中开始信号是 必需的，结束信号和应答信号都可以没有。图5和 图6为通过ARM1的I2C1接口发送一组数据，然后 使用示波器触发方式获得的波形图。通过本实验，学生可以掌握如何通过示波器来测试器件是否能正常工作。
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图6 IC卡数据信号线波形图
3.4 GPRS/GSM模块测试
系统中GPRS/GSM模块采用STM32的串口来
控制。本系统主控芯片STM32F103FVC需要用到
串口连接的模块如表1所示。
表1M C U串口连接模块分布表佛山电台
MCU1MCU2MCU】M O J2
USAR11透传爪十测试USART4摄像头R K；栈块
USART2GPS/北4未用USART5MCIT2惯性3航
书香气质女孩名字USART3GSM MCU1
学生可以通过串口调试助手SSCOM来测试一
下GPRS/GSM模块。SIM900A模块提供的AT命令
包含符合 GSM07. 05、GSM07. 07 和 ITU-T Recom
mendation V.25ter的指令 ，以及 SIMC0M 自己开发
的指令[1M1]。
图7所示为发送AT+ CSQ指令测试，这条指令
用于查询信号的质量，返回SIM900A模块的接收信
手机格式化恢复号强度，测试中返回值为+ CSQ:10，0，表示信号强
度为1〇(最大有效值是31)。
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图5 1C卡时钟信号波形图图7 AT+ CSQ
指令测试
第2期廖昌俊，刘继芝：基于北斗卫星定位的开放实验平台开发
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1)拨打/接听电话
使用SIM 900A 模块可以非常方便地进行拨打 和接听电话。常用的指令有：ATEO /ATD /ATA /
ATH/AT + COLP/AT + CUP/AT + VTS 等 6 条 AT 指 令，例如ATD 指令，用于拨打任意电话号码，格式 为:ATD +号码+ ;，如发送:ATD 10086;，即可实现 拨打10086。
2)短信读取与发送
使用SIM 900A 模块，还可以很方便地进行中英 文短信的读取与发送。用到的指令有:AT + CNM I /
AT + CMGF / AT + CSCS / AT + CSMP / AT + CMGR/AT + CMGS/AT + CPMS 等 7 条 AT 指令。例 如AT + CMGR 指令，用于读取短信，比如发送:AT + CMGR = 1，则可以读取SIM 卡存储在位置1的短 信。为方便实现中英文短信的读取与发送，采用文 本模式(AT + CMGF = 1)、UCS 2编码字符集（AT +
CSCS = “UCS 2”），这样电话号码和短信内容，全部 是采用UNICODE 编码的字符串。在读取短信的时 候，需要将模块返回的UNICODE 编码字符串转换 为GBK /ASCII 码。而在的时候，需要将
GBK /ASCII 编码的电话号码和短信内容转换为 UNICODE 编码的字符串，发送给SIM 900A 模块，实 现中英文短信的发送。通过本实验，学生可以学习 和掌握串口调试和SIM 900A 模块的使用。
3.5显示屏模块控制
显示屏是人机交互重要的中介，最基本的表现
是将经纬度信息用STM 32控制LCD 显示汉字[12]。 本系统使用外部FLASH 来存储字库，并可以通过
SD 卡更新字库[13]。STM 32读取存在FLASH 里面 的字库，然后将汉字显示在LCD 上面。显示屏模块 示于图8。通过本实验，学生可以学习汉字字库的 使用和LCD 的控制。
3结语
基于北斗卫星定位的实验平台可以将传统的以
验证理论为主要内容的实验课程逐步转变为以综合 性、设计性为主要内容的实验课。有利于培养学生 的创新思维和创新能力。在整个开放的实验平台 上，学生不但可以学到课堂上的基本知识，而且可以 从系统的角度，了解整个系统的设计原理及如何调 试系统。系统预留的接口给学生提供一个可以扩展 功能的机会，有利于锻炼学生自主开发的能力和培 养学生的工程素养。
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图8
显示屏模块
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