基于UM220―III N的轨迹记录仪设计
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摘 要：基于STM32微处理器，采用和芯星通公司的北斗/GPS混合定位模块um220-iii N，设计了一种轨迹记录仪。该轨迹记录仪主要由电源、北斗/GPS电路、SD卡存储电路、LCD显示和主控电路组成，可实现对北斗/GPS信息进行1～5Hz的采集并进行存储，并且对轨迹进行实时的里程计算。性能测试表明该记录仪的定位精度优于2.5米，轨迹记录效果良好。
关键词：STM32；北斗/GPS；UM220-III N；轨迹记录
引言
随着近些年北斗二代导航定位系统的区域导航定位能力的实现，利用北斗/GPS组合定位方式是接收机的导航定位能力相比于以前的单一系统接收机更具有优势，能实现快速定位、提高定位精度等。文章采用UM220III N设计的轨迹记录仪，在户外长跑、骑行、爬山和旅游时，记录仪可持续获取地理坐标并记录存储，并实时显示时间、坐标、里程数等信息，用户可以借助Google Ealth软件来导入所记录的文件中的数据，查看自己的运动轨迹。
1 北斗/GPS混合定位模块
系统中北斗/GPS混合定位模块选用的是和芯星通科技（北京）有限公司开发的GPS、BD-2双系统高性能GNSS模块UM220-III N，将射频前端、基带处理、定位软件进行高度集成，能够同时支持BD2 B1、GPS L1两个频点，具有低功耗、小体积、高可靠、高性能等特点，可实现北斗/GPS单模、双模灵活定位模式。UM220-III N模块具有两个串口，设计主要用到可支持数据传输、模块配置、固件升级等功能的主串口1，模块能够提供高精度的载体三维地理位置信息、速度、时间信息以及原始观测数据。硬件电路简单，仅需提供电源、匹配电阻电感和北斗/GPS双模电线即可，硬件电路如图1所示。其主要技术指标为：功耗：120mW，定位精度：2.5m，数据更新率：1～5Hz。
2 系统实现
2.1 硬件方案设计
轨迹记录仪系统由北斗/GPS混合定位模块、按键、SD卡存储模块、数据显示模块和主控模块组成。北斗/GPS混合定位模块UM220III N接收卫星信号，主控MCU芯片STM32通过串口读取北斗/GPS模块数据，对数据解析和处理后，把实时时间、经纬度、里程等信息显示到LCD上，同时将数据以FAT32的文件格式存储到SD卡中。通过按键来设置采样率、完成待机、启动停止记录等功能。系统框图如图2所示。
2.2 软件设计
软件部分主要包括北斗/GPS接收程序、SD卡读写程序、LCD显示和按键中断程序。UM220-III N与MCU的串口1通信采用NEMA-0183标准协议。MCU根据对应指令通过串口对UM220-III N模块进行更新速率配置。开始采集后，MCU打开串口中断，串口根据NEMA-0183标准协议中断接收北斗/GPS模块UM220-III N的GPS信息，使用FatFs文件系统管理SD卡进行GPS信息存储，并对GPS信息进行分析，LCD实时显示定位状态、时间、经纬度、里程数等信息。
2.3 SD卡Fatfs文件系统存储
系统存储使用SD卡的SDIO模式，支持三种数据总线模式：1位、4位、8位，系统采用的是4位总线传输，结合STM32的SDIO接口，组成一个比SPI模式传输速率更高的通信方式。
2.4 里程计算
轨迹记录仪实时记录了大量采样数据，根据采样数据按以下步骤实时计算运动轨迹里程数：（1）记录数据按时间序列排序存储；（2）并利用公式1计算1、2点距离；（3）读取下一点记录数据，计算与上一点距离并累加到总里程变量；（4）重复第（3）步直至读取完全部数据记录点。公式1中A（Lung1，Lat1），B（Lung2，Lat2）表示两点经纬度坐标，为两点纬度之差，为两点经度之差，6378137为地球半径，单位为米。
3 性能测试
3.1 GPS静态漂移测试
使记录仪保持静态工作状态，利用和芯星通公司研发的卫星显控软件CDT进行静态漂移测试，配置北斗/GPS模块数据更新频率为5Hz，测试时间20分钟，由测试数据可得记录仪的定位精度（RMS）为2.5米，精度较高。
3.2 动态测试
以手持轨迹记录仪，在户外进行徒步行走，打开轨迹记录仪，在户外延多树道路和空旷运动场运动后，记录下整个运行轨迹，其形成的轨迹数据文件利用Google Earth软件，导入数据后轨迹如图3所示，可生成Google Earth软件轨迹KMZ文件。测试表明此款轨迹记录仪在户外轨迹记录效果良好。
4 结束语
文章以北斗/GPS混合定位模块UM220III N为核心，结合简单的电路和数据存储电路，按照NMEA-0183协议进行数据通信，实现了轨迹记录仪，测试表明记录仪定位精度高，定位时间短，呈现轨迹效果好，使用方便，针对户外运动轨迹记录和运动量检测具有一定的应用价值。
参考文献
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[2]杨会玲，唐彬.基于PCI-E的北斗/GPS双模授时系统设计[J].苏州科技学院报（工程技术版），2014，27（1）：68-70.
[3]齐文达.基于SD卡的GPS轨迹记录仪研究设计[J].科学技术与工程，2011，11（28）：6910-6914.
作者简介：邹海春（1991-），男，硕士研究生，研究方向：仪器仪表及信号与信息处理。