Розробка програмно-апаратного забезпечення для створення GSM GPS-трекера

В статті розглянуті системи передавання даних, проведено аналіз систем спутникового зв'язку. Описано етапи розробки програмно-апаратного забезпечення для GSM GPS-трекера на базі мікроконтролера STM32F407VET6. В статті описано вибір та перелік апаратного забезпечення розробленої системи передавання даних, а також прошивка мікроконтролера з під'єднанням до дисплея.

Ключові слова: модуля позиціювання, модуль GSM, дисплей; мікроконтролер, система зв'язку, конвертер, трекет, автономна система.

спутниковий зв'язок програмний мікроконтролер

Структурна схема, створеної, автономної системи представлено на рис. 2, яка розроблена з використанням:

- модуля позиціювання на базі U-Blox NEO-7M,

- модуля GSM SIM800 MicroSIM,

- TFT LCD дисплей;

- мікроконтролера STM32F407.

Мікроконтролери STM32 здобувають все більшу популярність завдяки своїй потужності, досить різнорідної периферії, та своєї гнучкості. У мікроконтролері STM32F407VET6 використовується тестова плата.

Цей мікроконтролер не є найпотужнішим серед STM32, але і не самий слабкий. Існують різні тестові плати, у томі числі і дуже дорогі, які коштують близько 20$. На таких платах є майже те саме, що і на нашій платі, плюс програматор. В нашому випадку ми використовували програматор окремо.

Характеристики мікроконтролера STM32F407VET6

- ядро: 32-бітний RISC Corex-M4

- особливості: однократні інструкції DSP

- робоча частота: 168 МГц (210DMIPS / 1025 DMIPS / MHZ)

- робочанапруга: 1,8-3,6 В

Рис. 2. Структурна схема GSM GPS-трекера

Будова плати мікроконтролера STM32F407VET6 представлено на рис 3.

Рис. 3. Будова відлагоджувальної плати

Прошивка STM32 відбувалась за допомогою ST-Link програматора під Windows. При використанні програматорам ST-Link піни BOOT0 і BOOT1 не використовуються і мають стояти у стандартному положенні для звичайної роботи контролера. Качаємо з сайту “st.com” утиліту “STM32 ST-LINK Utility”. Встановлюємо її. З нею має бути встановлений і драйвер для ST-Link. Якщо ні, качаємо і встановлюємо драйвери ST-Link. Підключаємо ST-Link у USB- коннектор, а відповідні виводи програматора підключаємо до виводів тестової плати згідно маркування.

Після завершення прошивки і перевірки завантажена програма мікроконтролера автоматично запуститься [7], як показано на рис. 4.

Підключення модуля GPSNEO-7M

GPS приймач на модулі uBlox NEO-7M забезпечує високу точність і стабільність частоти вихідного опорного сигналу. При цьому вартість плати становить всього 22-26 USD на eBay, 4$ на Aliexpress. І що найцікавіше - вихідний опорний сигнал міг програмно встановлюватися від 0.25Гц до 10 МГц (на відміну від старого приймача Rockwell / Conexant / Navman Jupiter GPS, який мав вихід опорного сигналу тільки на 10 кГц) [8].

Рис. 4. Запуск програми мікроконтролера

Основні переваги GPS модуля від швейцарської компанії u-blox це - наявність GLONASS, хороша доступна документація і наявність власного сервісу AGPS.

Підтримка активних і пасивних антен, саме у 7M немає можливості програмно вимикати живлення активної антени, тому для енергозбереження потрібно зробити одну із запропонованих в документації схем апаратного виключення ззовні.

Інтерфейси: UART, SPI, I2C, USB

UART і I2C працюють одночасно, а ось SPI потрібно працювати за допомогою виведення D_SEL. Відповідно можна зробити кероване перемикання, наприклад підключивши GPIO до виходу D_SEL. Для наших цілей UART - це достатньо та дуже зручно. Також перемикання протоколу обміну немає великого сенсу, загальний вигляд модуля. Елементна база, яку я використовується цілком доступна в Україні. За винятком RF індуктивності 27nH, яку рекомендує виробник, схема представлена на рис. 5.

На нижньому боці плати є 5 виходів:

- 2 виведення UART помічені як «Rx» «Tx»

- 2 виведення I2C помічені як «SDA» «SCL»

- 1 контакт для сигнальної «землі»

Також є SMA - female роз'єм для підключення активної / пасивної антени. На верхній стороні є одинокий пін 3.3В. Він не був запланований і не був розлучений на PCB спочатку, звідси вийшов висить в повітрі конденсатор, антена використовується активна.

У u-blox є свій власний БІНАР протокол, який нарівні з NMEA вміє передавати інформацію про місцезнаходження, і багато іншого. Всі елементи працюють у зв'язці з PC і Cubieboard.

Основний недолік цього модуля полягає в тому, що GPS і GLONASS не можуть працювати одночасно. Доводиться програмно перемикатися між ними [9].

Підключення TFT LCD дисплея до мікроконтролера. Використання FSMC

Однією особливістю мікроконтролерів STM32 - а саме модуль FSMC, що є практично незамінною при роботі із зовнішньою пам'яттю, або, наприклад, з графічним дисплеєм. Власне потрібно підключити дисплей за допомогою модуля FSMC.

FSMC реалізує паралельний інтерфейс обміну даними між різними пристроями, це просто паралельна шина. Використовуючи FSMC при роботі із зовнішньою пам'яттю, ми отримуємо можливість включити зовнішню пам'ять в адресний простір мікроконтролера. Це дає звернення до зовнішньої пам'яті, що значно спрощується - необхідно просто звертатися до ОЗУ мікроконтролера за певними заданими адресами. Тобто всю роботу з тимчасовими діаграмами, таймингами і іншим модуль FSMC бере на себе.Потрібно просто написати дані за адресою, a FSMC смикає лінії даних, повністю здійснюючи безпосередню роботу з тим, що підключається пристроєм.

Схожим чином працює вся ця справа і при підключенні дисплеїв. Але все-таки тут трохи інакше. Нехай у нас є дисплей, у якого є такі виходи: DB [17: 0] - 18 ліній для передачі даних (не забуваємо, що тут у нас паралельна передача даних, а не послідовна)

Також є виходи для вирішення запису/читання - туди ми повинні видавати синхро-імпульси в певній послідовності. Крім того, у дисплея є виходи: chip select'a, reset і т.д.

Щоб всім цим управляти, нам і допоможе FSMC. І не просто допоможе, а всю роботу візьме на себе. Якщо вже підключений дисплей правильно, написана програма для FSMC STM32. Робота дисплея схожа на роботу із зовнішньою пам'яттю. Потрібно лише вносити дані за певною адресою, а FSMC буде в цей час розподіляти їх лініями даних, стежити за часовими інтервалами, передавати всі інші необхідні дисплею сигнали. А щоб розділити передачу даних і команд ми повинні записувати байти за різними адресами.

У дисплея є вихід для вибору - дані/команда. Тобто станом цього виходу дисплей вирішує, що саме зараз до нього надійде. А у FSMC є шина адреси і шина даних. Так ось цей вихід дисплея підключається до якогось піну шини адреси. І якщо підключити його до 16 виходу шини адреси, то записавши який-небудь байт з будь-якого (!) Адресу з нульовим 16 бітом ми подамо дисплею команду.

Коли вирішили підключений 16 біт шини адреси, тоді беремо адресу з доступних FSMC - 0x60000000. Бачимо, що в цьому значенні 16 біт дорівнює нулю, а значить, коли ми запишемо значення за цією адресою, FSMC подасть дисплею сигнал на запис, також повідомить дисплею, що зараз буде команда, ну і, звичайно ж, видасть на шину самі дані. А якщо ми запишемо значення за адресою 0x60010000 (16 біт - одиниця) То FSMC все вирішить і передасть дисплею дані. Ось так все просто). Але, якщо, у 16-бітному режимі роботи FSMC 16 біт шини адреси відповідає 17-му битку адреси (тобто 0x60020000). Тоді, всі інші адреси також будуть зміщені на 1 біт в цьому режимі.

Робота з дисплеєм і з зовнішньою пам'яттю з точки зору програміста виглядає однаково, але на ділі все не так. При роботі з дисплеєм ніяка пам'ять нікуди не «проектується», умовно пишуться дані за адресами, але це всього лише дає FSMC сигнал про те, що пора починати діяти

Для роботи з FSMC було використано Standard Peripheral Library. Там все аналогічно будь - який інший периферії, хіба що налаштувань побільше.

Робота з FSMC буде за допомогою плати MiniSTM32 [10]. Там уже встановлений дисплей, так що ніяких зайвих рухів тіла не буде потрібно, схема підключення дисплея представлено на рис. 6

Якщо звернути увагу на терморегулятори конкретного дисплея і на виходи FSMC мікроконтролера, то видно, що вони точно відповідають один одному.

Для того щоб фарбувати дисплей в певний колір потрібно спочатку залити екран червоним, потім зеленим і потім синім (RGB). Отже, потрібно отримати миготливий дисплей, на якому змінюють один одного три кольори. Дані будемо передавати в 16-бітному режимі (рис. 7).

Червоному кольору відповідає - 111111 000000 000000.

Зеленому - 000000 111111 000000.

Синього - 000000 000000 111111.

Як видно з рис. 7, на 18 біт кольору припадають 16 біт даних, в результаті отримуємо наступне:

- для червоного - 0xF800;

- для зеленого - 0x07E0;

- длясинього - 0x001F.

Слідуючий етап є написання програми. Ініціалізація дисплея взята з китайських прикладів програм, які йшли разом з платою.

Число 76800 - кількість точок дисплея. Все інше начебто зрозуміло, з настройками ББМС теж ясно, як завжди в БРЬ все поля структури названі логічно і адекватно їх функції. Після прошивки програми в контролер дисплей починає справно підморгувати [11].

Рис. 6. Схема підключення дисплея

Рис. 7. 16-ти бітний режим передавання

Для перевірки працездатності пристрою досить мати ПК і сімкарту з невеликим грошовим рахунком. Перевірку працездатності можна проводити за двома методами підключення модуля до ПК: через перетворювач інтерфейсів USB-UART або використовуючи Arduino UNO. Розглянемо метод перевірки без Arduino. Встановлюємо сімкарту в модуль GSM GPRS, дотримуючись розташування контактів. З'єднайте ПК через перетворювач інтерфейсів USB-UART з пристроєм за схемою наведеної вище. Підключіть живлення номінальною напругою. Дочекайтеся орієнтуючись на мигання світлодіода підключення до мобільного оператора. Увімкніть на ПК термінальну програму. Дані в неї слід вводити великими буквами. Використовуючи термінальну програму відправляємо в модуль GSM GPRS SIM800 через порт підключення наступні команди.

AT

Відповідь модуля ОК AT + CSQ

Відповідь модуля + CSQ: 18,0 OK

Ця команда дає інформацію про рівень сигналу. Перше число - рівень сигналу, величина 18 означає - 78 dbM. Друге число - кількість помилково прийнятих біт, величина "0" говорить про частку помилок менше 0,2%, що свідчить про хорошу зв'язку (рис. 8).

Використовуємо перетворювача USB-UART, то можна використовувати Arduino UNO. Потрібно з'єднати контакт RX модуля SIM800L з контактом 11 цифрового сигналу Arduino UNO застосовуючи резисторний дільник напруги. Після цього з'єднуємо контакт TX модуля SIM800L з контактом 10 цифрового сигналу Arduino UNO. Завантажумо в Ардуіно програму, текст якої наведено далі. Тут використовується бібліотека SoftwareSerial дозволяє реалізувати послідовний інтерфейс на будь-яких цифрових висновках Ардуіно за допомогою програмних засобів, які дублюють функціональність UART [12].

Рис. 8. Відправка команд у модуль

Текст програми:

#include

SoftwareSerial mySerial(10, 11); // RX, TX void setup()

{

// Open serial communications and wait for port to open:

Serial.begin(9600);

mySerial.begin(9600);

}

void loop() // run over and over ^{

if (mySerial.available())

Serial.write(mySerial.read()); if (Serial.available())

{

while(Serial.available())

{

myS erial.write(Serial. read());

}

myS erial.println();

}

^}