全球定位系統，小名GPS，大家一定不陌生，對于我們來說，它隻有一個功能——定位，說白了，就是它能告訴我們現在所處的經緯度。

雖然功能簡單，可由此衍生出來的應用可就不少了，比如車載導航儀，不光能告訴我們現在在哪，還能告訴我們怎麼去想去的地方;又如某個車隊要了解車輛的位置，那就給每個車子裝個GPS和無線收發設備，實時了解車輛信息。

圖12.1 GPS 記錄器的顯示界面

除此之外，還有些另類的應用：比如 GPS授時，所謂授時，就是告訴我們現在幾點鐘了。雖然這有點大材小用的意思，不過這時間是相當準确的，可以精确到毫秒級，可以作為許多應用的标準時鐘。再有就是今天我們要DIY的這個“GPS 記錄器”(見圖12.1)了，簡單來說，就是把我們所經過的位置記錄下來的裝置。有人要問了，這有什麼用呢?假如有驢友旅行過程中發現一段非常漂亮的路徑，路上湖光山色，風景秀麗，他就可以利用這個裝置将路徑記錄下來和朋友們分享;假如探險家外出探險，也可以利用這個裝置将路徑記錄下來，探險結束後按原路安全返回。這，就是路徑回溯功能。

接下來讓我們了解一下必備的基礎知識。

GPS應用已經非常普及，現在很多手機都集成了GPS導航的功能，但是光有導航儀或者是GPS接收器是不行的，它還得有天上挂着的24顆衛星作為信号的來源。這24顆衛星就像草莓外面的籽一樣均勻地分布在地球上空，基本上在全球任意地方都能接收到GPS衛星的信号。接收器根據衛星發送的含有報文的信号來計算處于哪個位置。除此之外，我們不能将衛星發射上去之後就不管了，所以，地球上還有地面中心對這些衛星進行監控和數據修正。所以，完整的GPS系統包括 GPS衛星、用戶接收端、地面監控中心。

圖12.2 解析流程

上面講的GPS系統包含3部分，但是我們平時能接觸到的隻有接收端。别看現在市面上各種牌子的導航儀和接收器數不勝數，但上面用的GPS接收處理的芯片，全球就隻有幾家公司有能力設計。其中，SiRF的芯片占據了民用市場七八成的份額，而目前用的比較多的是2004年發布的SiRFstar III，也就是所謂的“第3代”芯片。

接下來就是讓其他産品能“聽懂”從GPS芯片發出的數據是什麼意思了，這時就需要有個通信協議。目前大部分GPS模塊采用的是NMEA0138協議。這個協議涵蓋了許多方面，GPS隻是用到其中的一部分。

NMEA 是由美國全國海洋電子協會(The National Marine Electronics Association)制定的一套通信協議，是目前GPS最常見的通信協議。

以筆者的這個GPS 模塊為例，它将接收到的GPS衛星信号解碼之後，通過串口以NMEA格式輸出，而用到的語句隻有4個：$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC，其中美元符号($)代表前綴，表示語句開始;GP 代表對象，代表用在 GPS 上;後面的GGA、GSA、GSV、RMC等是語句類型;每條語句的各個數據字段用半角逗号(,)分開;結尾為*XX，XX 是整個語句的校驗和，以檢驗收到的語句是否正确，代表回車和換行，表示該條語句結束。

我們所要做的就是将其接收下來，解析出我們要的數據，再進行下一步的應用。

有了從模塊那裡收到的數據，接下來就是解析出裡面有用的數據了。圖12.2所示為簡單的解析流程。

由于使用的是單片機，所以最簡單的保存數據的方案便是使用SPI接口的Flash。另外由于NMEA語句是為了便于傳輸，采用字符形式，所以“身材”比較大，基本上每次的數據量在300～500字節，由于Flash容量限制，不能将原始的NMEA 語句直接保存，所以我們自己定義了一個存儲格式，将其中有用的數據摘出來以二進制的格式保存，這樣每次的數據順利地縮小了。在實際應用中，每個點的數據隻需要32字節。

說到這裡，就必須請出神器——Google Earth了。這是谷歌出的一款可以看衛星圖的軟件，可惜的是目前的6.0 版還不能直接支持 NMEA 協議。不過 Google Earth 支持另外一種語言，那就是KML。其全稱是Keyhole Markup Language，基于XML，同樣，它包含了很多複雜和高級的内容，在此不再贅述，我們隻需要用到其中一部分——在Google Earth 中畫路徑。

下面是一個最簡單的KML示例：

Path from GPS Logger V2

Path Name

這個KML文件被Google Earth讀取後會生成：

簡單來說，它告訴Google Earth，生成一個文檔，名字為Path from GPS Logger V2，其中有一個路徑，名字叫Path Name，路徑的是“連線”的模式，顔色為黃色(ff00ffff)，線寬5像素，而具體經緯度信息則包含在标簽中，繼而Google Earth會根據其中的經緯度信息繪制出一條折線。

所以，隻要将之前保存的每個點的數據，依次填充到标簽中，則生成的KML被Google Earth讀取之後顯示的就是我們記錄的路徑。

至此，我們自制記錄器所需要了解的背景都全部知道了，接下來便是制作的過程了。

直接顯示當前日期和時間、經緯度、海拔、速度、方向等信息，顯示衛星信号強度、衛星數目、分布情況等。

将位置信息記錄到存儲器中，并顯示當前空間使用情況。闆載的Flash可用保存50994個記錄點，按每秒一次計，可連續記錄14小時。當空間滿了之後，可以将數據轉存至TF卡之後重新記錄。可實時浏覽存儲器中的數據，也可将存儲器中的記錄導出，或者轉換成 Google Earth可以識别的KML格式。

圖12.3 GPS 記錄器的模塊框圖

GPS記錄器的模塊框圖如圖12.3所示。數據通信方面，GPS模塊通過串口與MCU通信，TF卡和SPI Flash則分别挂載在兩個硬件SPI上，LCD通過并行方式與MCU連接。供電方面，采用锂電池(自帶過充過放保護電路)供電，由于GPS内置了LDO(低壓差線性穩壓器)，所以直接與電池連接;另外一路則經3.3V LDO輸出給MCU、LCD、Flash和TF卡供電;同時，用STM32自帶的ADC模數轉換測出锂電池的電壓，以此估算剩餘電池電量。圖12.4為根據框圖設計出的PCB原理圖。

圖12.4 GPS 記錄器的PCB 原理圖

根據液晶顯示屏的尺寸，确定了主控闆的大小。元器件不多，所以PCB尺寸隻有顯示屏的1/2左右。制作完成的PCB圖與實物如圖12.5所示。

表12.1 制作所需原材料和元器件

圖12.5 制作完成的PCB圖與實物

圖12.6 焊接完元器件的PCB

圖12.7 GPS 模塊通過支架來安裝，電池也加以更換

筆者的習慣是焊接完一部分立刻檢測該部分是否能正常工作，這樣可以盡早發現問題并快速判斷出問題源。

在焊接之前，目測一下闆子是否有斷路或短路的情況，然後用萬用表測量電源正負極之間是否短路。

首先焊接電源部分，将USB座、LDO穩壓管和充電芯片及阻容元件焊上，然後供電，測量輸出是否為3.3V，有條件的話，還可以接在示波器上看看輸出的電壓是否純淨。

在LDO輸出和整版的供電之間，筆者增加了一個0Ω的電阻，這個電阻可作為跳線使用，斷開後可以檢測芯片部分是否有短路等情況，調試完成後可直接短接導通。

電源部分完成後，接下來焊接單片機和外圍的晶體振蕩器、複位電路，組成最小系統。要判斷單片機是否能運行起來，可以将闆上的兩個LED也裝上，然後編寫一個測試程序，循環點亮和熄滅，如果成功，則表明單片機基本正常。

最後焊接Flash芯片、TF卡座、按鍵等。

至此，原來的空PCB已經比較像一塊電路闆了，如圖12.6所示。

一般來說，使用陶瓷天線的GPS模塊需要盡量使天線面向天空，這樣才能盡可能地接收信号，所以安裝GPS模塊的時候設計了一個支架，使得模塊天線與接收器成45°角，平時手持的時候剛好面向天空，即使平放或立着放都能部分面向天空，如圖12.7所示。另外，還為模塊換了一個備用電池。

全部元件組裝完成後的樣子如圖12.8所示。裝上電池和後蓋，如圖12.9所示，硬件裝配至此就完成了。

由于功能簡單，軟件不需要複雜的結構，流程如圖12.10所示。開機初始化完成後，系統便進入無限主循環中，循環檢查GPS是否接收完畢，是否有按鍵按下。

圖12.8 全部元器件組裝完畢的樣子

圖12.9 裝上電池和後蓋

GPS接收和解析使用了中斷，當接收完成後，設置标志位，主循環檢測到數據接收完成，便将數據顯示在LCD上，如果設置需要記錄，則再記錄到SPI Flash中。

如果“菜單”按鍵被按下，則轉到菜單函數;如果“顯示模式”按鍵被按下，則切換顯示模式;如果“記錄”按鍵被按下，則切換是否記錄到SPI Flash中。

圖12.10 軟件流程框圖

記錄器上部有4個按鈕，用途分别為“菜單/退出”、“上一個/顯示模式”、“下一個/記錄模式”、“确定”。

常規顯示時屏幕分為3個區域，頂部顯示電池電量、衛星信息、時間等，中間用大字體顯示當前經緯度，下半屏則根據顯示模式分别顯示衛星信息、速度航向和記錄信息3種模式。按“顯示模式”按鍵可以在3種模式中循環切換，如圖12.11所示。

圖12.11 顯示屏下半部具備3種顯示模式

圖12.12 将數據存儲到 TF 卡中

按“記錄模式”鍵可以切換記錄開始和停止模式。按“菜單”鍵可進入功能菜單。選擇“菜單→轉儲→TF卡(KML)”可将存儲器中的數據以KML文件的格式轉存到TF卡中，如圖12.12所示。選擇“菜單→轉儲→TF卡(轉儲)”可将存儲器中的數據以原始二進制格式存到TF卡中。

轉儲之後，在TF卡的GPS目錄中就會有已經生成好的KML 文件，如果裝了 Google Earth，就會出現如圖12.13所示的圖标。

圖12.13 存儲在TF卡中的KML文件

直接雙擊之後會自動打開 Google Earth，黃色的連線就是我們記錄下的路徑，如圖12.14所示。

圖12.14 GPS記錄器記錄下的路徑可在 Google Earth 中顯示

選擇“菜單→浏覽記錄”可以實時浏覽存儲器中記錄的路徑和記錄點的信息，并能直觀地了解存儲器空間使用情況，如圖12.15所示。選擇“菜單→擦除空間”，可将數據擦除，繼續記錄，如圖12.16所示。

其實市場上早已有産品化的GPS記錄器，而且成本更低、功能更強，但是DIY的樂趣在于更深地了解其中的原理，以及發揮自己的想象力，根據自己的需要定制。比如，還是這套硬件，通過修改軟件，還能實現GPS測面積的功能。

圖12.15 實時浏覽存儲器中記錄的路徑和記錄點的信息

圖12.16 擦除記錄

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!