基于MiniGUI的GPS自动定位系统设计

摘要：为方便获取移动目标的位置信息，提出了基于MiniGUI的嵌入式GPS的自动定位系统的硬件及软件设计方法。硬件采用ARM7内核嵌入式处理器LPC2103，使用GPS模块接收地理位置信息，设计了系统LCD、GPS接口、键盘以及最小系统硬件电路。软件采用μC／OS-II操作系统，进行系统软件多任务管理，使用MiniGUI制作图形界面，并显示数据。制作了样机并进行了实验，实现了系统要求的各项功能。
关键词：GPS模块；MiniGUI；LPC2103；μC／OS-II

引言
    基于GPS的卫星定位技术，可以将移动目标的动态位置(包括经度和纬度)、时间、状态等信息通过无线通信链路实时传送到监控中心，从而在电子地图上显示出移动终端运动的轨迹，并对终端的位置、速度、运动方向、报警信息等用户感兴趣的参数进行监控和查询。本文提出一种基于MiniGUI的嵌入式自动定位系统，具有占用资源少、高性能、高可靠性及可配置的特点，并可以成功移植到多种硬件和操作系统平台上。

1 系统总体设计
    本系统采用ARM7内核的LPC2103处理器，软件上采用占用硬件资源较少、实时性能和可移植性能优良的μC／OS-II操作系统，图形界面采用MiniGUI。
1．1 系统实现功能
    系统实现主要功能包括：实时采集GPS数据并进行处理；查询当前地理位置；通过MiniGUI图形用户界面显示GPS数据。
1．2 整体硬件结构
    系统整体硬件结构如图1所示。

    系统采用的LPC2103是基于一个支持实时仿真的16／32位ARM?TDMI-S CPU的微处理器，带有32 KB高速Flash、8 KB SRAM，小型LQFP48封装，低功耗，带有2个URAT以及多个I／O接口，符合系统要求。GPS模块SP3232E与LPC2103的串口0接口，负责数据的采集。受LPC2103引脚数量限制，4×4的键盘采用I2C输入、输出的7920芯片与LPC2103接口。LCD显示采用TFT6758，液晶屏幕2．2 in，240×320点像素。
1．3 系统软件结构
    系统软件结构如图2所示，基于MiniGUI的应用程序通过ANSI C库以及MiniGUI自身提供的API来实现自己的功能。底层驱动包括键盘以及
TFT6758液晶显示，为便于移植MiniGUI通过图形抽象层和输入抽象层与输入、输出设备接口。

2 系统硬件设计
2．1 控制系统最小系统
    控制系统最小系统如图3所示。

    LPC2103最小系统需要模拟和数字3．3 V电源以及核心电源1．8 V。为便于波特率的设置，晶振频率采用11．059 2 MHz。PO．14引脚通过10 kΩ电阻上拉禁止 ISP功能。DBGSEL引脚接高电平使能调试状态，正常工作时接低电平。由阻容电路构成低电平复位电路，SW-PB按键按下产生处理器复位信号。
2．2 GPS接口电路
    该电路主要作用是接收GPS模块发送数据，保存到处理器存储单元，处理后等待MiniGUI图形用户界面显示。GPS模块采用九针串口数据输出，RS232电平，需要 SP3232E电平转换芯片与LPC2103的串口O连接。SP3232E是3 V工作电源的RS232电平转换芯片。接口电路如图4所示。

2．3 键盘电路
    本系统采用4×4小键盘，用于数据输入和模拟鼠标。S13模拟左键，S15模拟右键，S9、S10、S11、s14分别模拟向左、下、右、上移动鼠标，其余为数字输入键。由于LPC2103引脚数量限制，采用有I2C接口的7290芯片做键盘接口。键盘电路复位与系统复位共用nRST复位信号。有按键按下时，中断信号通过EINTO送入LPC2103外部中断处理单元。7290的I2C接口加4．7 kΩ的上拉电阻与LPC2103的I2C串行总线接口，I／O引脚为PO．2和PO．3。键盘电路如图5所示。

2．4 TFT6758 LCD接口电路
    系统显示采用2．2 in的TFT6758液晶屏，LCD控制器为HD66781。IM3和IM0引脚接地，采用16位总线方式与LPC2103连接，16位数据由DBl～DB8、DB1O～DB17输入， TFT6758液晶屏的控制引脚CS、RS、WR、RD分别由P0．4～P0．7控制。其中PO．5高电平为数据操作，低电平为命令操作。TFT6758的复位由PO．24引脚控制。CAT32TDI为TFT6758白光LED驱动的升压芯片，可以驱动4个串联的白光LED。CAT32TDI的关闭由PO．26引脚控制。为在没有配置LPC2103引脚时也能输出背光，加10 kΩ上拉电阻。CAT32TDI为恒流输出，大小由1．5 kΩ电阻控制，电流大小为15 mA。TFT6758 LCD接口电路如图6所示。

3 系统软件设计
3．1 μC／OS-II在LPC2103上的移植
    与处理器无关的μC／OS-II源代码可以直接在网上下载；与处理器相关的代码需要自己根据LPC2103编写，其中OS_CPU．H定义与处理器相关的常数、宏以及类型。OS_CPU A．ASM实现的功能包括：使就绪优先级最高任务运行；任务级切换；中断后任务切换；实现周期性时钟源。OS CPU C．C主要实现任务堆栈的初始化。INCLUDES．H主头文件包含程序所需的头文件，方便程序编写。通过OS_CFG．．H文件实现操作系统的配置和裁剪。
3．2 MiniGUI在LPC2103上的移植
    (1)MiniGUI的GAL移植
    为便于移植，MiniGUI引入图形抽象层GAL，定义了一组不依赖任何特殊硬件的抽象接口，所有顶层的图形操作建立在抽象接口上，类似于操作系统的驱动程序。根据液晶驱动模块和LPC2103的硬件连接编写液晶驱动程序lcddriver．c和lcddriver．h。根据系统硬件编写图形引擎程序commlcd．c。图形引擎程序需要调用液晶驱动程序中的函数。
    (2)MiniGUI的IAL移植
    MiniGUI通过INPUT数据结构表示输入引擎，该数据结构定义在ial．h文件中。INPUT数据结构定义很多函数指针，这些函数指针指向设定的IAL对应函数，从而实现硬件输入。程序输入引擎为comminput．c，通过底层键盘驱动程序comm_driver．c读取键盘输入数据。该驱动程序把16个键模拟成O～9数字键和鼠标的左右键。
    (3)MiniGUI的交叉编译
    使用ADSl．2集成开发环境建立MiniGUI Lib工程，工程下添加MiniGUI源文件以及配置文件，编译生成MiniGUI_Lib．a库文件。Lib．a文件是针对LPC2103和μC／OS-II操作系统的POSIX的线程库，并提供了内存管理接口以及I／O接口，共占用3 MB动态内存，使用1个μC／OS-II互斥信号量，优先级42，每增加1个线程信号量增加3个，最大线程16个，任务优先级43～58，1个MiniGUI线程堆栈(8 KB)。
3．3 系统应用程序设计
    (1)主程序设计
    主程序流程如图7(a)所示，用来完成操作系统的初始化。其中使用语句OSTaskCreate(Task0，(void*)O，＆TaskStk[TaskStkLengh-1]，10)创建任务O；使用语句MiniGUI_app_entry()创建MiniGUI主线程；使用语句KevMbox=OSMboxCreate(NULL)建立一个邮箱，用于传递按键消息，最后开始多任务调度。

    (2)任务O设计
    任务O流程如图7(b)所示，用来完成系统硬件的初始化。通过I2C接口的输入引擎读取按键键值，如有按键按下通过OSMboxPost(KeyMbo-x，(void*)&s_key_in)发送键值到KeyMbox邮箱。通过邮局OSTimeDly(5)交出CPU占用资源，运行其他任务。
    (3)MiniGUI入口程序设计
    入口程序如图7(c)所示，用来完成消息处理。使用语句InitMainWindow()初始化窗体；使用语句ShowWindow(hMainWnd，SW_SHOWNORMAL)显示窗体，其中hMainWnd为窗体句柄；使用语句GetMessage(＆Msg，hMainWnd))获取消息，其中Msg数据结构用于保存消息；使用语句Trans-lateMessage(＆Msg)把消息送入队列；使用语句DispatchMessage(＆Msg)分配信息给窗体回调函数；使用语句MainWindowThreadCleanup(hM-ainWnd)清除线程。
    (4)MiniGUI窗体回调程序设计
    窗体回涮函数流程如图7(d)所示，根据消息类型确定要执行的程序。如果消息类型为MSG-PAINT，先调用GPS数据读取以及处理程序，用MiniGUI内部函数TextOut(hdc，10，10，”显示字符”)，在指定位置显示字符；最后调用μC／OS-II系统函数OSTimeDly(100)开始任务调度。如果消息类型为MSG_CLOSE，用语句DestroyMainWindow(hWnd)销毁窗体；用语句PostQuitMessage(hWnd)发送退出消息。

4 GPS的自动定位系统实验
    系统软件采用ADS V1．2开发、调试，使用PC机对MiniGUI源代码进行编译，生成MiniGUI静态链接库文件MiniGUI-Lib．a。然后交叉编译MiniGUI应用程序，与MiniGUI静态链接库、POSIX线程库链接，生成二进制文件下载到LPC2103的Flash运行。系统软件编译过程如图8所示。

    GPS模块和LPC2103串口0连接，并放置到室外，将生成的可执行文件烧写到LPC2103的Flash内部，上电运行，运行结果如图9所示。

结语
    本自动定位系统运行稳定，具有功耗低、速度快、可裁剪、可固化、实时性能优越等特点。能够准确显示经度、纬度、系统日期、时间、海拔、航向、航速等信息，并可以对所处位置进行查询。