液晶GPS定位信息显示器图顺序错位Word文档格式.docx
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5m,非差分情况下为15m;
提供外接天线,以帮助接收;
体积小,功耗低,采用5V供电。
2.2显示器的选择
一般嵌入式系统可供选择的显示器有以下3种,下面分别做具体介绍。
1.VFD显示器
VFD显示器是由电子管发展过来的一种显示器件。
它是真空二极管或三极管的一种改型。
二极管的改型称为静态VFD,三极管的改型称为动态VFD。
静态VFD含有两个基本电极:
阴极(灯丝)和阳极。
动态比静态多一极:
栅极。
所有极在高真空条件下封装于玻璃壳内。
由阴极发射的电子在正向电位的作用下加速到达栅极和阳极(静态VFD直接到达阳极),并碰撞激活在阳极上的荧光粉图案使其发光。
所需的亮度图形显示可以由控制栅极和阳极(静态VFD仅控阳极)正电位或负电位来实现。
VFD显示器具有高清晰度,高亮度,宽视角,反应速度快及从红色到蓝色多种色彩等特点,显示效果好。
当使用CIG(集成芯片玻璃)技术时,可集成VFD的驱动电路,具有可靠且使用寿命长等特点;
但它需要5.5~6.3V的灯丝电压、150~450mA的灯丝电流、12~36V的阳极加速电压和15~36V的栅极电压。
不考虑阳极和栅极电流,单灯丝功耗就达825mW,功耗相对来说较大,不适合在移动设备上使用。
另外,它需要多组电压不同的供电电压,使用不方便。
2.LED显示器
LED显示器是由LED发光二极管发展过来的一种显示器件,是LED发光二极管的改型,一般分为LED数码管显示器和LED点阵显示器。
它具有高亮度,宽视角,反应速度快,可靠性高,使用寿命长等特点;
但LED数码管只能显示数字和极少数几个英文字符,显示单调。
而LED点阵显示器虽然能显示各种信息,但它的体积较大,在市场上能买到的最小的8×
8LED点阵显示器的尺寸都有3cm×
3cm,适合于广告牌等需要大面积显示的地方,不适合移动设备。
况且动态扫描有可能同时被点亮,此时按每段10mA电流来算也有80mA,如果同时点亮段数更多,则电流更大。
3.LCD液晶显示器
LCD液晶显示器是利用光的偏振现象来显示的。
一般也分为数字型LCD(同LED数码管显示器,只能显示数字和极少数几个英文字符)和点阵型LCD两种:
前者用于只需显示简单字符的地方,如时钟等;
后者能显示各种复杂的图形和自定义的字符,因此应用比较广泛。
LCD液晶器具有本身不发光,靠反射或者透射其他光源的优点,同时具有功耗小,可靠性高,寿命长(工业级>
100000h,民用级>
50000h),体积小,电源简单等特点,非常适合于嵌入式系统、移动设备和掌上设备的使用。
本设计采用点阵型LCD液晶显示器CGM-12232。
该显示器具有122×
32点阵,不仅可以显示数字,还可以显示中文、英文甚至图片等,体积只有61mm×
19mm×
5.7mm,功耗仅为5V×
2.5mA=12.5mW(不开背光)。
2.3CPU的选择
一般GPS导航器都是GPS配合矢量电子地图来进行导航和航线记录。
这些设备CPU的运算量和需要储存的数据量都很大,一般都使用X86、ARM等32位CPU。
考虑到本设计只需显示经纬度和时间等简单信息,决定选择ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控制器。
3系统硬件电路的设计
图1所示为GPS定位信息显示器系统设计原理框图。
图1系统硬件原理框图
图2液晶GPS定位信息显示器电路原理图
系统硬件电路主要由GPS-OEM接收板、液晶显示器、AT89C51单片机、键盘、RS-232电平转换、单片机上电复位和电源等部分组成。
GPS-OEM板发送的串行数据经RS-232(CMOS/TTL电平转换)电路送至单片机串行口,经处理后通过键盘选择要显示的信息,送至LCD液晶显示器。
LCD液晶显示器为定时更新,更新周期约为1s。
上电复位电路为单片机上电提供上电复位。
电源电路为各个电路提供稳定的+5V电源。
GPSOEM板的设置用预留的RS-232口,在计算机上用GARMIN公司提供的软件(GARMINSensor/SmartAnten-naSoftware)来进行设置。
图2所示为GPS定位信息显示器电路原理图。
3.1电源电路
电源电路采用机内变压器供电和机外外接电源供电两种供电方式,如图3所示。
两种供电方式可以任选一种,在机内自动切换。
机外外接供电采用傻瓜式接口,不需要辨认直流电正负极,可任意接入8~15V的交流或直流电压。
图3电源电路原理图
机内变压器输入220V交流电压,输出7V交流电压。
经过桥式整流输出大约9V的脉动电压,经过470μF的滤波电容可得到平稳的直流电压。
此电压再经过三端稳压器7805稳压,输出稳定的+5V电压。
外接供电口输入的电源也经过机内另一组桥式整流桥,再经过滤波、稳压、然后输出。
输人口的整流桥堆实现了傻瓜式接口。
当输入直流电源时,由D1、D4或者D2、D3中的一组完成极性转换。
如果输入的是交流电源,则由D1~D4组成的桥完成整流。
3.2AT89C51单片机系统
系统电路的主芯片采用美国ATMEL公司的AT89C51Flash单片机。
它与MCS-51系统产品兼容,具有4KB可重编程Flash存储器,5V的电源使用电压,128×
8位的内部RAM,2个16位定时/计数器,6个中断源,以及低功耗空闲和掉电方式等一系列功能。
AT89C51单片机的电源、复位、晶振振荡电路如图4所示。
图4AT89C51单片机的电源、复位、晶振振荡电路图
1.复位电路
单片机上电时,当振荡器正在运行时,只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平,便可完成系统复位。
外部复位电路是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。
系统采用上电自动复位,上电瞬间电容器上的电压不能突变,RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差,因而RST上的电压与Vcc上的电压相同。
随着充电的进行,电容器上的电压不断上升,RST上的电压就随着下降,RST脚上只要保持10ms以上高电平,系统就会有效复位。
电容C可取10~33μF,电阻R可取1.2~10kΩ。
在系统设计中,C取10μF,R取10kΩ,充电时间常数为10×
10-6×
10X103=100ms。
2.晶振振荡电路
XTAL1脚和XTAL2脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端,外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C1、C2构成并联谐振电路。
当外接石英晶体时,电容C1、C2选30pF±
10pF;
当外接陶瓷振荡器时,电容C1、C2选47pF±
10pF。
AT89C51系统中晶振可在0~24MHz选择。
外接电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。
在设计电路板时,晶振和电容应靠近单片机芯片,以便减少寄生电容,保证振荡器稳定可靠工作。
在系统设计中,为保证串行通信波特率的误差,选择了11.0592MHz的标准石英晶振,电容C1、C2为20pF。
3.3键盘电路
键盘电路原理图如图5所示。
图5键盘电路原理图
本键盘为最简单的点式键盘,由单片机I/O口进行扫描。
一般来说,键盘按键多数采用行列式,如图6所示。
这是因为在按键数量多时行列式键盘在占用相同数量I/O口时,能设置的按键较点式键盘多。
但在按键少时行列式键盘还不如点式键盘来得简单、方便。
本设计只设置两个按键,用来进行显示信息的翻页。
图6典型的4×
4行列式键盘图
3.4单片机与GPS-OEM板接口电路
GARMINGPS25-LP型GPS-OEM板输出引脚功能如图7所示。
GPSOEM板各引脚功能介绍如下:
引脚1:
串行口2的数据输出端。
引脚2:
串行口2的数据输入端。
引脚3:
秒脉冲输出端,精度为±
10r/Sc,
引脚4:
串行口l的数据输出端。
引脚5:
串行口l的数据输入端。
引脚6:
掉电模式控制端。
引脚7:
外部备用电源输入端。
图7GPS-OEM板输出引脚图
引脚8:
GND接地端。
引脚9:
VIN电源输入端。
引脚10:
同引脚9,电源输入端,内部与引脚9相连。
引脚11:
空脚NC。
引脚12:
NMEA(美国海洋电子协会)0183,Verl.5格式语句输出端。
由于使用的是LVS版本GPS25-LP型GPS-OEM板,所以串行口1、串行口2和NMEA口使用的都是RS-232电平。
如果使用的是LVC版本的GPS25-LP型GPS-OEM板,则端口是TTL电平。
在本系统中,将串行2用于计算机作GPS-OEM板设置用,本机显示GPS信息从NMEA口送出。
GPS-OEM板接口电路如图8所示。
图8GPS-OEM板接口电路
由于GPS-OEM送出的是RS-232电平,计算机串行通信用的也是RS-232电平,单片机使用的是TTL电平,因此GPS-OEM板与计算机通信可以直接用串行线相连,而与单片机接口必须进行RS-232电平和TTL电平的转换。
RS-232是异步串行通信中应用最早的,也是最广泛的标准串行总线之一。
它原是基于公用电话网的一种串行通信标准,推荐电缆的长度最长为15m(50ft)。
它的逻辑电平以公共地为对称,其逻辑O电平规定为+3~+25V,逻辑1电平则规定为-3—-25V,因而需要使用正负极性的双电源。
其主要电气参数如表1所列。
而传统的TTL电平,逻辑电平是以地为标准不对称设置,其逻辑0电平规定<
0.7V,逻辑1电平则规定>
3.2V。
因此两者之间逻辑电平不兼容,两者通信时必须进行电平转换。
以前RS-232与TTL电平转换常用MC1488和MC1489。
MC1488实质上由3个“与非”门和1个反向器组成,通过它们可以将4路TTL电平转换为RS-232电平。
MC1488需要±
12V或者±
15V双路电源,适用于数据发送。
MC1489实质上是4个带控制端的反相器,其控制端通常接一滤波电容到地,使用单一+5V电源,适用于数据接收。
由于MC1488和MC1489是单一功能的发送/接收器,所以在双向数据传输中各端都需要同时使用两个器件;
此外由于必须同时使用正负两组电源,因而在很多场合下使用显得不方便,所以被淘汰。
为此推出了只用单一电压且具有发送/接收双重功能的电路。
这种器件内部集成了一个电荷泵和一个电压变换器,它能将+5V或者更低的电压变换成RS-232所需的±
10V以上的电压。
这类芯片最典型的就是MAXIM的MAX232芯片,如图9所示。
其内部电荷泵电路先将+5V提升到+10V,然后再用电压反转电路将+10V变成-10V,这样就得到了RS-232所需的±
10V的电压了。
本设计单片机只须接收从GPS-OEM板发送过来的数据,而无须向GPS-OEM板发送数据。
也就是只须将RS-232电平转换为TTL电平,而无须将TTL电平转换为RS-232电平。
通过对RS-232电平和TTL电平(见表2)分析,决定采用三极管来进行转换,而不用MAX232等专用RS-232与TTL电平转换器。
具体如图10所示。
图10RS-232电平TTL电平转换图图9MAX232接线图
表1RS-232标准的主要电气参数表
项目
参数指标
带3—7kΩ负载时的驱动器输出电平
逻辑O为+3—+25V,逻辑1为-3—-25V
不带负载时的驱动器输出电平
-25—+25V
驱动器通电时的输出阻抗
大于300Ω
输出短路电流
小于0.5A
驱动器转换速率
小于30V/μs
接收器输入阻抗
3~7kΩ
接收器输入电压
-25—+25V
输入开路时接收器的输出逻辑
1
输入经300n接地时接收器的输出逻辑
+3V输入时接收器的输出逻辑电平
-3V输入时接收器的输出逻辑电平
最大负载电容
2500pF
不能识别的过渡区
-3-+3V
表2RS-232电平和TTL电平逻辑电平对比表
逻辑值
RS-232电平lV
TTL电平/v
0
+3~+25
<
0.7
1
-3~-25
>
3.2
当RS-232IN端输入RS-232逻辑电平O,也就是输入+3~+25V时,三极管正向导通,此时TTLOUT端输出的是三极管的饱和压降。
此电压约0.1~0.2V,符合TTL电平<
0.7V的要求。
当RS-232IN端输入RS-232逻辑电平1,也就是输入-3~-25V时,三极管截止。
此时TTLOUT端输出的是电源电压+5V,符合TTL电平>
3.2V要求。
3.5单片机与液晶显示器接口电路
液晶驱动IC(SED1520FOA)基本特性如下:
具有低功耗,供电电压范围宽等特点;
具有61段输出,并可外接驱动IC扩展驱动;
具有2560位显示RAM(DDRAM),即80×
8×
4位;
具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能,并有专用的指令集,可完成文本显示或图形显示的功能设置。
工作参数介绍如下:
逻辑工作电压(VDD-VSS)为2.4~6.0V;
LCD驱动电压(VDD-VLCD)为3.0~13.5V;
工作温度(T。
)为0~55℃(常温)/-20~70℃(宽温);
保存温度(TSTG)为-10—70℃。
电气特性(测试条件:
T。
=25℃,VDD=5.0V±
0.25V)如下:
输入高电平(VIH)为3.5V(min);
输入低电平(VIL)为0.55V(max);
输出高电平(VOH)为3.75V(min);
输出低电平(VOL):
1.0V(max);
工作电流为2.OmA(max)。
液晶显示器CGM-12232的引脚功能如图11所示,具体介绍如下:
VDD正电源输入。
地。
LCD驱动电压,调对比度。
接口时序选择。
芯片1使能信号,高电平有效。
芯片2使能信号,高电平有效。
图11液晶显示器CGM-12232引脚
读/写控制端,高电平读,低电平写。
引脚8:
数据/指令选择端,高电平为数据,低电平为指令。
引脚9—16:
液晶并行数据。
引脚17:
背光LED阳极。
引脚18:
背光LED阴极。
单片机与液晶显示器接口电路图如图12所示。
CGM-12232的引脚9~16接单片P2口进行数据传输,引脚5-8的3根控制线接PO口。
由于PO口内部没有上拉电阻不能给出高电平,因此在PO口上接了一个10kΩ排阻RP9作为PO口的上拉电阻。
LCD液晶显示器的背光LED灯采用三极管驱动控制。
在CGM-12232的说明文档中,引脚VLCD须通过电阻在VDD与GND之间分压得到,但实验中发现,通过分压后液晶显示很暗,而直接将其接地使液晶显示明显好转,因此这里将其直接接地。
图12单片机与液晶显示器接口电路图
4系统程序的设计
系统软件采用C语言编写,C编译器为KeilC51。
4.1系统软件设计原理
系统软件运行总体设计流程如下:
系统初始化,显示开机画面,串行中断接收GPS-OEM板的“$GPGGA”语句,每当正确收到“$GPGGA”语句一次,就更新一次显示,键盘可以选择显示的GPS信息。
主程序流程图如图13所示。
图13系统主程序设计流程图
4.2LCD液晶显示器程序
1.CGM-12232型LCD液晶显示器原理
CGM-12232型LCD液晶显示器采用两片SED1520FOA驱动芯片,LCD液晶显示程序即是对两片SED1520FOA的驱动程序。
SEDI520FOA属行列驱动及控制合一的小规模液晶显示驱动芯片,电路简单,经济实用,内含振荡器,只需外接振荡电阻即可工作(已经接在板上)。
一个SED1520FOA显示控制器能控制80×
16点阵液晶的显示,其显示RAM共16行,分2页,每页8行,每一页的数据寄存器分别对应液晶屏幕上的8行点。
当设置了页地址和列地址后,就确定了显示RAM中的唯一单元。
屏幕上的每一列对应一个显示RAM的字节内容,且每列最下面一位为MSB,最上面一位为LSB,即该RAM单元字节数据由低位到高位的各个数据位对应于显示屏上某一列的由高到低的8个数据位。
对显示RAM的一个字节单元赋值就是对当前列的8行(一页)像素点是否显示进行控制。
CGM-12232液晶显示器的引脚定义如表3所列。
表11.3CGM-12232液晶显示器的引脚定义表
序号
符号
状态
功能说明
符号
VDD
逻辑电源正
7
R/W
输入
读/写选择信号
2
GND
逻辑电源地
8
AO
寄存器选择信号
3
VLCD
液晶显示驱动电源
9-16
DBO~DB7
三态
数据总线
4
RES
接口时序类型选择
17
A
背光灯正电源
5
CSI
主工作方式IC使能信号
18
K
背光灯负电源
6
CS2
从工作方式IC使能信号
各符号含义如下:
DBO~DB7:
数据总线。
AO:
数据/指令选择信号。
AO=1表示出现在数据总线上的是数据;
AO=0表示出现在数据总线上的是指令或读出的状态。
RES:
接口时序类型选择。
RES=O为Intel8080时序(见图11.14和表11.4),操作信号是RD和WR;
RES=1为M6800时序(见图11.15和表11.5),其操作信号是CS和R/W。
RD(CS):
在Intel8080时序时为读,低电平有效;
在M6800时序时为使能信号,是个正脉冲,在低电平时为写操作,在高电平时为读操作。
WR(R/W):
在Intel8080时序时为写,低电平有效;
在M6800时序时为读、写选择信号,R/W=1为读,R/W=O为写。
图14与Intel8088系列单片机接口读/写操作时序图
表4与80系列单片机接口时序参数表(VDD=5.0(1±
10%)V,T。
=-20—+75℃)
名称
最小值
最大值
单位
地址建立时间
tAW8
20
ns
数据建立时间
tDS8
80
ns
地址保持时间
tAHS
10
写数据保持时间
tDH8
R/W,WR周期
tCYC8
1000
读存取时间
tAcca
90
R/W,WR脉冲宽度
tcc
200
读数据保持时间
tCH8
60
图15与M6800系列单片机接口读/写操作时序图
表5与M6800系列单片机接口时序参数表(VDD=5.O(1士10%)V,L--20~+75℃)
最小值
最大值
单位
地址建立时间
tAW6
20
tAH6
10
系统时钟周期
tCYCs
1000
脉冲宽度
读
tEW
100
写
80
tDS6
tDH6
存取时间
tACC6
90
tOH6
60
SED1520FOA液晶显示驱动器有13条指令。
表6所列为与M6800系列单片机接口为例(RES=1)而总结出的指令。
表6SED1520FOA指令集
指令名称
控制信号
控制代码
R/W
AO
D7
D6
D5
D4
D3
D2
Dl
DO
显示开/关指令
O
l
1/0
显示起始行设置
显示起行(0~
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