Các NMEA message chia làm 2 loại là input message và output sent message. Một số output message:
Bản ghi NMEA Mô tả
GGA Dữ liệu cố định hệ thống định vị toàn cầu
GLL Vị trí kinh độ/ vĩ độ địa lý
GSA GNSS DOP và vệ tinh hoạt động
GSV GNSS những vệ tinh theo dõi
RMC Bản ghi dữ liệu GNSS rút gọn đặc biệt
VTG Diễn biến ngoài trái đất và tốc độ trái đất
Bảng 2.3. Output Message Một số input message
Bảng 2.4. Input Message Trong đó: MID là viết tắt của message identifier.
45
Chương 3: Thiết kế hệ thống nhằm thu thập và hiển thị thông số định vị 3.1. Tổng quan về các ứng dụng của hệ thống GPS trong định vị dẫn đường.
Ngày nay, thiết bị sử dụng hệ thống định vị toàn cầu qua vệ tinh viễn thông (GPS) đang trở nên thông dụng và các phần mềm hỗ trợ ở môi trường Việt Nam cũng được cập nhật, ngày càng chi tiết hóa và có độ chính xác cao hơn. Do đó ứng dụng của hệ thống GPS ở thời điểm hiện nay là rất đa dạng:
* Chức năng định vị
Đây là tính năng cơ bản nhất của một thiết bị có tích hợp hệ thống GPS. Tính năng này từ trước đến nay vẫn chỉ được hiểu đơn giản rằng người sử dụng có thể dễ dàng xác định được ngay vị trí của mình dù đang ở bất kỳ nơi đâu thông qua hệ thống GPS. Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của tính năng này ở thời điểm hiện tại là khá đa dạng, Chẳng hạn dựa trên tọa độ mà GPS định vị, những ứng dụng trợ lý giọng nói như Siri, Google Voice, S Voice... sẽ có thể cung cấp cho người sử dụng hàng loạt những thông tin hữu ích về thời tiết, nhiệt độ hoặc các nhà hàng, khách sạn, bệnh viện gần vị trí đó. Hơn thế nữa, một số ứng dụng còn cho phép người dùng chia sẻ vị trí của mình thông qua tin nhắn SMS. Khi tin nhắn được gửi đi, thiết bị sẽ gửi kèm theo đó một tọa độ của bạn để người nhận có thể xác định được bạn đang ở đâu, rất tiện lợi.
46
Hình 3.1. Mô tả vị trí của trạm BTS trên bản đồ số có ứng dụng hệ thống GPS
47
* Chức năng dẫn đường.
Chức năng dẫn đường là một tính năng mà hầu hết những người sử dụng đều muốn có khi cầm trong tay một thiết bị có tích hợp GPS. Dựa trên vị trí tọa độ của thiết bị cộng thêm dữ liệu của ứng dụng bản đồ số, thiết bị GPS sẽ vạch cho người sử dụng một lộ trình từ điểm đầu đến điểm cuối sao cho ngắn nhất và thuận tiện nhất. Hơn nữa, một số ứng dụng còn có tính năng dẫn đường bằng giọng nói, giúp người sử dụng có thể dễ dàng di chuyển mà không cần phải nhìn liên tục vào màn hình thiết bị.
Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng không phải ứng dụng nào cũng có thể đáp ứng hoàn hảo cho nhu cầu dẫn đường. Chẳng hạn trên một số dòng thiết bị, ứng dụng google Maps tuy có thể dẫn đường với độ chính xác khá cao nhưng nó lại không được trang bị bản đồ ngoại tuyến, bắt buộc người sử dụng phải kết nối internet mới có thể sử dụng được. Việc này về cơ bản có thể giải quyết bằng sóng điện thoại 3G nhưng nhược điểm là không phải lúc nào thiết bị cũng bắt được sóng khi đang di chuyển.
Hiện nay, đối với các hãng vận tải thị GPS là một ứng dụng không thể thiếu trong việc quản lý, điều hành phương tiện vận tải. Trước tiên, nó cho phép giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực; vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe... Dựa vào đó, thiết bị có thể lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình. Ngoài ra, một số thiết bị GPS còn có tác dụng cảnh báo mỗi khi xe vượt quá tốc độ cho phép hoặc thay thế vai trò của một máy chống trộm hết sức hiệu quả.
48
49
50
Hình 3.5. Mô tả quy trình giám sát và quản lý phương tiện giao thông
* Chức năng tìm người, thiết bị.
Hầu hết các nhà sản xuất Smartphone hiện nay đều có những ứng dụng giúp người dùng có thể xác định được vị trí của chúng phòng khi thất lạc. Khi bật tính năng này, người dùng có thể theo dõi được vị trí của thiết bị dù ở bất kỳ nơi đâu, miễn sao chúng vẫn có thể kết nối Internet thông qua 3G hoặc Wi-Fi. Hơn thế nữa, ứng dụng này còn cho phép chủ nhân của thiết bị có thể gửi tin nhắn, bật âm báo hiệu, khóa hoặc xóa dữ liệu từ xa. Trên thực tế, ứng dụng này còn hữu ích trong việc tìm lại điện thoại bị thất lạc hơn là tìm lại điện thoại bị mất cắp, bới chúng cũng có thể vô hiệu hóa chỉ với vài thao tác.
51
Hình 3.6. Mô tả vị trí của chiếc xe máy có gắn thiết bị định vị GPS
Như đã trình bày ở trên, với các ứng dụng đa dạng và phong phú của công
nghệ GPS trong xã hội ngày nay. Trong luận văn này Em thử nghiệm “Xây dựng,
thiết kế hệ thống nhằm thu thập và hiển thị thông số định vị ứng dụng công
nghệ GPS”.
3.2. Sơ đồ khối hệ thống
Vi điều khiển trung tâm Bộ nhớ SD CARD Màn hình hiển thị Module GPS Nguồn cung cấp Hình 3.7. Sơ đồ khối hệ thống
52
3.2.1. Nguồn cung cấp
Năng lượng cung cấp cho mạch điện tử là nguồn điện một chiều, do vậy để mạch hoạt động hiệu quả và ổn định thì mạch nguồn cũng đóng vai trò nhất định ngoài chương trình và giải thuật toán. Mạch nguồn cung cấp điện áp và dòng điện một chiều cho các linh kiện, phần tử trên mạch. Đồng thời phải có khả năng chống nhiễu cho các phần tử trên mạch từ các nguồn nhiễu bên ngoài và bên trong mạch. Đối với các khối trong hệ thống, nguồn cung cấp thỏa mãn cho khối thẻ nhớ, Module GPS, màn hình hiển thị là 3.3V. Còn với module UART trong mạch để kiểm tra lỗi truyền, nhận bản tin sử dụng nguồn 5V.
3.2.2. Điều khiển trung tâm
Vi điều khiển trung tâm là bộ não của mạch, mọi hoạt động, các thao tác xử lý, điều khiển phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng và tốc độ xử lý của chip vi điều khiển này. Bộ vi điều khiển này có nhiệm vụ điều khiển mọi hoạt động thu nhận tín hiệu GPS, hiển thị thông tin lên màn hình Graphic LCD.
3.2.3. Màn hình hiển thị thông tin
Các dữ liệu được lưu trữ, xử lý dưới dạng nhị phân, do đó để giúp người thao tác có một cái nhìn tổng quan hơn thì màn hình Graphic LCD là một là một lựa chọn phù hợp với yêu cầu đặt ra của hệ thống. Với màn hình này các thông tin được hiển thị giúp người thao tác dễ dàng vận hành và sử dụng.
3.2.4. Bộ nhớ SDCARD
Một nhược điểm của vi điều khiển là bộ nhớ trong sẽ bị giới hạn. Với yêu cầu của hệ thống cần phải có nhiều không gian bộ nhớ hơn nữa để dùng cho việc lưu trữ và xử lý thông tin cần thiết trong quá trình hoạt động.
53
3.2.5. Module GPS
Module GPS là một module quan trọng trong việc xác định vị trí của một vật bất kỳ trên bản đồ số. Thông qua module này thì tọa độ, vận tốc, các thông tin quản lý khác sẽ được xác định và truyền tới bộ vi điều khiển trung tâm để xử lý.
3.3. Phân tích các module trong hệ thống. 3.3.1. Vi điều khiển trung tâm 3.3.1. Vi điều khiển trung tâm
Vi xử lý đầu tiên được phát triển đầu tiên do Intel vào những năm 1970, đây là bộ vi xử lý 4 bit đầu tiên. Nhưng cũng từ đó cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ, vi điều khiển ngày này đã được nâng cao mật độ tích hợp làm tăng khả năng xử lý, tốc độ,… làm cho vi điều khiển ngày càng thông minh hơn, dễ dàng điều khiển, tích hợp thêm các chức năng trên một chip vi điều khiển. STM32 là một dòng vi điều khiển 32 bit của STMicroelectronics được phát triển trên nền tảng
Cortex M3. Vi điều khiển STM32F103xE [4] đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cho việc
thiết kế hệ thống trên.
* Đặc điểm vi điều khiển STM32F103xE
- Đây là một dòng vi điều khiển mạnh của hãng STM. Cấu trúc lõi Cortex M3. - Lõi ARM - 32 bit Cortex M3 với tần số hoạt động lớn nhất lên tới 72MHz, đơn vị bảo vệ bộ nhớ 210 DMIPS/1.25 DMIPS/MHz.
- Bộ nhớ Flash lên tới 512 Kbytes.
- Bộ nhớ SRAM lên tới 64 Kbytes gồm 64 Kbyte lõi kết hợp bộ nhớ dữ liệu RAM. - Bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt hỗ trợ bộ nhớ Flash, SRAM, PSRAM, NOR và NAND.
- LCD giao tiếp song song chế độ 8080/6800.
- Nguồn cung cấp các ứng dụng và I/O là 1.8V đến 3.6V. - Tần số dao động thạch anh 4 - 16 MHz
- Tiêu thụ điện năng thấp.
- Hỗ trợ 3 bộ chuyển đổi A/D 12 bit và 2 bộ chuyển đổi D/A 12 bit - Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp USART, SPI, SDIO, I2C,…
54
55
* Sơ đồ khối của STM32:
Hình 3.9. Sơ đồ khối của STM32F103
Trong nội dung đề tài luận văn này Em sử dụng vi điều khiển STM32F103EVT6 là phù hợp với yêu cầu thiết kế cũng như tốc độ của mạch.
56 - USART giao tiếp với module GPS.
- GPIO điều khiển giao tiếp với màn hình Graphic. - SDIO giao tiếp với thẻ nhớ SD CARD.
3.3.2. Module thu nhận tín hiệu GPS
Việc phát triển của công nghệ sản xuất các linh kiện điện tử ngày càng phát triển, đồng thời công nghệ tích hợp đã giúp cho việc linh kiện có kích thước ngày càng nhỏ gọn và có nhiều chức năng hơn. Module thu nhận tín hiệu GPS
SIM548C[5] với kích thước nhỏ gọn, khả năng tích hợp vào hệ thống lớn, độ chính xác chấp nhận được theo yêu cầu của hệ thống.
Hình 3.10. Module thu nhận tín hiệu GPS
* Các thông số nhà sản xuất đưa ra
- Kích thước nhỏ 55x34x3.0 mm - Độ nhạy cao -165 dBm
- Hỗ trợ 66 kênh tìm kiếm và 22 kênh tracking - Tiêu thụ điện năng thấp
- Hỗ trợ chuẩn giao tiếp MNEA0183 [6]. Chuẩn này do NMEA thông qua lần
57
* Chuẩn giao tiếp MNEA 0183 hỗ trợ các thiết bị GPS
- Bản tin GGA:
Hình 3.5. Cấu trúc bản tin GGA Trong đó:
$ Kí tự bắt đầu cho một bản tin
1) Thời gian (UTC)
2) Vĩ độ
3) Bắc hoặc Nam
4) Kinh độ
5) Đông hoặc Tây
6) Chỉ số chất lượng tín hiệu GPS
7) Số vệ tinh trong tầm nhìn, 00 - 12
8) Độ chính xác theo chiều ngang
9) Biên độ anten trên, dưới mức trung bình
10) Đơn vị của biên độ anten, mét
- Bản tin RMC:
Hình 3.6. Cấu trúc bản tin RMC
1) Thời gian (UTC)
2) Trạng thái, V- Rỗng, A- Hoạt động
3) Vĩ độ
58
5) Kinh độ
6) Đông hoặc Tây
7) Tốc độ trên mặt đất, knots
8) Theo dõi được thực hiện tốt, đúng mức độ
9) Ngày
10) Chênh lệch từ trường, mức độ
11) Đông hoặc Tây
12) Tổng kiểm tra - Bản tin VTG: Hình 3.7. Cấu trúc bản tin VTG 1) Mức độ theo dõi 2) T - đúng 3) Mức độ theo dõi 4) M- từ trường 5) Tốc độ hải lý 6) Hải lý 7) Tốc độ Km/h 8) Km/h 9) Tổng kiểm tra 3.3.3. Module Graphic LCD
Màn hình LCD là bước đột phá để thay thế cho các màn hình CRT thông thường. Với màn hình LCD thì kích thước màn hình sẽ giảm đi đáng kể, công suất
59
tiêu thụ cũng nhỏ hơn rất nhiều so với màn hình CRT. Do đó, màn hình LCD càng có tính ứng dụng nhiều vào các thiết bị di động yêu cầu nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, dễ điều khiển,…
Với moule màn hình TFT LCD 2.4 inch 256 000 màu giao tiếp 16 bit song
song được tích hợp IC driver SSD1289 [7] trên module giúp cho vi điều khiển dễ
dàng giao tiếp và hiển thị trên LCD.
Hình 3.11. Module Graphic LCD
3.3.4. Module nguồn
Đối với mạch điện tử thì nguồn điện cung cấp phải là nguồn 1 chiều, có điện áp và dòng điện phù hợp với công suất. Chính vì vậy mạch nguồn ảnh hưởng rất lớn tới sự ổn định của mạch trong quá trình làm việc.
* Chức năng:
- Chuyển đổi điện áp AC -> DC cung cấp cho mạch điện tử.
- Cung cấp điện áp và dòng điện phù hợp với công suất tiêu thụ của từng mạch điện cũng như các module mở rộng bên ngoài.
* Các thông số chính:
- Điện áp vào: 7-30 VAC, 7-40 VDC. - Điện áp ra: +5 VDC 3A, +3.3 VDC 3A.
60
Linh kiện sử dụng trong mạch nguồn: LM2576 [8] Đây là một IC nguồn có
chức năng chuyển đổi DC-DC chuyên dụng. Với điện áp vào 4 - 40V. Dòng điện ra max = 3A. Cung cấp đủ công suất cho hầu hết các thiết bị trong mạch.
Hình 3.12. IC nguồn LM2576
3.3.5. Module giao tiếp thẻ nhớ.
Với mục đích hỗ trợ thẩm mỹ của giao diện hiển thị, bộ nhớ của vi điều khiển không đủ, do đó thẻ nhớ hỗ trợ lưu trữ ảnh hiển thị. Thẻ nhớ được sử dụng có kích thước 15mm x 11mm x 0.7mm, dung lượng 1GB, tốc độ bus 4 bit và sử dụng chuẩn giao tiếp SDIO. Chuẩn giao tiếp SDIO hỗ trợ bốn đường dữ liệu.
3.4. Thiết kế mạch nguyên lý.
Căn cứ vào sơ đồ khối chức năng hệ thống định vị như trên và phân tích chức năng yêu cầu của hệ thống, sơ đồ nguyên lý của hệ thống tổng quát được trình bày trong hình vẽ 3.13. Mạch nguyên lý được thiết kế trên phần mềm Orcad capture phiên bản 16.3.
61
Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý hệ thống định vị
3.4.1. Khối hiển thị Graphic LCD
Khối hiển thị là màn hình TFT LCD 2.4 inch để cung cấp cho người sử dụng thông tin về tọa độ và các chức năng.
Modul màn hình gồm 40 chân được điều khiển với khối xử lý trung tâm qua các chân ghép nối là 7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,33. Chân cấp nguồn 3.3V cho LCD là chân số 3, cấp đất là chân số 1. Chân 37 cấp nguồn 3.3V để làm sáng đèn nền LCD. DATA1 TDITCK RESET J1 JTAG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 N J T R ST TDO 3.3V NJTRST TDI TMS TCK stm32f103VE U2 stm32f 103v e PE2 1 PE3 2 PE4 3 PE5 4 PE6 5 VBAT 6 PC13 7 PC14 8 PC15 9 VSS5 10 VD D 5 11 PH0 12 PH1 13 NRST 14 PC0 15 PC1 16 PC2 17 PC3 18 VSSA 19 Vref - 20 Vref + 21 VD D A 22 PA0 23PA1 24 PA2 25 PA3 26 VSS4 27 VD D 4 28 PA4 29 PA5 30 PA6 31 PA7 32 PC 4 33 PC 5 34 PB0 35 PB1 36 PB2 37 PE7 38 PE8 39 PE9 40 PE10 41 PE11 42 PE12 43 PE13 44 PE14 45 PE15 46 PB10 47 PB11 48 VSS1 49 VD D 1 50 VD D 2 75 VSS2 74 VCAP2 73 PA1372 PA1271 PA1170 PA1069 PA968 PA867 PC966 PC865 PC764 PC663 PD1562 PD1461 PD1360 PD1259 PD1158 PD1057 PD956 PD855 PB1554 PB1453 PB1352 PB1251 VD D 3 100 VSS3