基于单片机技术的多功能码表开发

黎伟峰

[摘           要]  结合单片机技术和无线电协议的教学，开发了一个先进码表产品。描述了一个基于STM32F407的自行车码表系统。系统通过GPS模块接收并记录设备持有者的移动速度、坐标和海拔等。系统中的nRF24ap2芯片模块支持ANT+协议，通过ANT+协议能与使用相同协议的其他产品配对，接收运动员心率、功率等信息。系统通过LCD显示屏实时更新信息。

[关    键   词]  教学;码表;自行车;STM32;GPS;ANT+

[中图分类号]  TP368.12             [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2021）12-0146-02

在中职单片机教学实践中，教学内容相对比较抽象，容易让一般的中职学生感到乏味，成为影响教学过程和教学质量的一个难题。开发一个应用单片机技术的实用电子装备，把它作为一个教学项目，让学生参与设计和制造，在这个过程中自觉补充所需的知识和技能，增加学生的成就感和获得感。通过与学生、教研组的反复研讨，项目定为基于单片机技术的多功能码表。

一、项目任务

在自行车运动训练中，运动员通过查看实时速度、心率、功率数据执行训练计划，在比赛中通过这些数据观察竞技状态，决定比赛策略，因此，一个能实时接收和显示数据的便携式系统成为运动员的迫切需求。这个码表的功能定位如下：整合GPS接收机和ANT接收器的功能，通过单片机处理相关数据并显示在LCD液晶屏上，支持速度、心率、功率等数据的显示，达到辅助自行车运动员训练和竞赛的要求。

具体需要完成的设计内容包括（总体结构见图1）：

（1）GPS模块接收卫星定位信号，包括经纬度、地面速度、地面航向、海拔高度、UTC时间等，通过USART与单片机交互。

（2）ANT+接收器可与附近5米内ANT+传感器配对，接收每分钟心跳数、自行车踩踏频率、踩踏功率等数据，通过USART与单片机交互。

（3）信息处理单元处理来自GPS和ANT接收器的信息。

（4）LCD屏幕显示信息，实时更新。

二、项目开发流程

（一）码表部件选材

系统由单片机和GPS模块、ANT接收模块、LCD屏幕组成。微处理器通过两个USART接口分别接收来自GPS模块和ANT接收模块的信息，通过DMA把接收到的信息传输到内存中，由单片机处理器解码内存中的信息，包括速度、可用卫星、海拔等GPS信息，以及功率、心率、心率区间、踏频、左右平衡等ANT接收器接收到的信息。单片机处理器通过FSMC外设控制液晶屏幕显示以上信息。

（1）GPS模块：选用NEO-6M GPS模组，使用无源陶瓷天线，3.3或5V供电，支持串口和mini-USB接口。

（2）ANT接收模块：选用nRF24AP2-8CH模组从机模式，最多同时支持8通道，通过串口和微处理器进行交互。

（3）LCD屏幕模组：选用4.5寸电阻触摸屏幕，使用8080接口与单片机通信。

（4）单片机处理器：系统选用STM32F407ZGT6作为处理器。

（二）单片机电路设计

使用STM32F407ZGT6芯片，144引脚LQFP封装，工作电压1.8～3.6V。此芯片的最小系统由复位电路、程序下载接口、外部晶振电路、电源供电接口组成。

1.复位电路

此MCU低电平复位，复位电路设置了上电复位和按键复位。上电复位时，连接电源，在上电3ms内电容输出电压不超过0.5V，系统复位成功。

2.程序下载接口

STM32的启动模式可以分为3种：内部Flash、系统储存器（支持通过串口的ISP下载）、程序从内嵌的SRAM中启动。通过改变启动选择电路的连接可以选择不同的启动方式。该系统可以选择三种启动方式，还通过J-link下载器，使用JTAG接口进行程序的下载和调试。

3.外部晶振电路

电路使用一个25MHz的无源晶振为系统提供外部高速时钟，时钟从OSC_IN和OSC_OUT进入，由两个22pF的谐振电容帮助晶振起振。

4.电源供电接口

系统可以通过12V～6V外部电源供电，或通过5V USB供电。

DC DC电源接口可以接入6～12V的电源，使用RT7272电压转换成5V电源。外部电源供电时USB供电会断开，防止灌电流。5V电源为板上所有需要5V的芯片和接口供电。通过LDO转换，得到3.3V电源，为工作电压为3.3V的芯片供电。

（三）传感模块电路设计

ANT接收模块选用nRF24AP2芯片，其中PORTSEL引脚选择同步或异步工作模式，此处引脚接地，选择异步模式。BR1、BR2、BR3三个引脚为波特率选择引脚，此处波特率选择为9600。异步接口RXD、TXD、SUSPEND、SLEEP、RTS五个引脚与MCU相连，模块中引出这五个引脚以及电源、地和复位引脚。

GPS模块选用NEO-6M芯片，模块中带有EEPROM用于记录GPS配置参数，掉电复位后芯片从EEPROM上重新加载配置信息。模块上有USB转串口电路，可以直接向电脑发送信息。模块通过RXD和TXD与单片机通过串口通信。

三、驱动软件设计与系统测试

系统的GPS模块、ANT模块和LCD屏幕的软件驱动设计。具体内容有GPS模块的数据接收、NMEA报文的消息结构、数据解码的方法;ANT通讯协议的说明、ANT+心率和功率消息结构的说明、ANT模块的数据接收和处理;LCD控制器8080接口说明、MCU使用FSMC模拟8080时序的方法、LCD初始化和显示字符的程序说明。

GPS模块需要在室外或无遮挡的地方进行测试，可以通过串口传输到上位机进行测试。首先把GPS模块和电脑通过USB转串口进行直接连接，用u-center上位机进行测试。u-center是u-blox公司开发的上位机，可以方便观察卫星信号强度，还可以在上面配置GPS模块的寄存器调整性能。

初次启动时，把GPS模块放到信号良好的露天环境下，大约等待30s左右，GPS模块开始接收到有效数据。先接收到UTC时间，再接收其他数据，根据使用的卫星数不同可以接收到2D或3D定位数据。若GPS模块使用差分定位，则是使用了SBAS星基增强系统，准确度会提高到2m左右。

如图2所示，可以见到GPS模块接收到的数据从左到右分别为速度、可用卫星和可视卫星信号强度、卫星位置、UTC时间、航向角、指南针以及一个综合的数据表格，下半部分是使用卫星（绿色）信号强度和卫星名称以及可视卫星（蓝色）信号强度和卫星名称。可视卫星有11颗，模块自动选取信号较强的四颗卫星接收GPS信息。

把GPS模块与单片机连接，经过MCU的解码，通过串口再把解码后信息发送到上位机进行观察测试。

四、项目成果及应用效果

（一）项目成果使用性能优异

在实际的开发过程中，我和学生还对部分组件进行了升级优化，收到了非常好的效果，如选用STM32F407作为MCU，考虑到其具有丰富的接口资源和强大的浮点运算能力，能支持更多的数据运算;选用带SBAS的GPS模块实现定位和测速功能，在室外或信号良好的条件下可以接收时间、定位、海拔、速度等数据，只需数十秒的启动时间，水平误差值在2m左右。通过ANT模块可以接收10米以内存在的ANT+协议设备的心率和功率数据，在实际操作中连接时要附近没有其他同类主机的情况下操作，但连接成功后只要不断开连接，则可以一直接收同一个主机发送的信息。LCD屏幕可以做到清晰的同时显示10组数据，骑行中操作码表是十分不方便的，同时显示多组数据可以提高骑行安全。自行车运动一般在室外进行，GPS会有良好的信号。心率计会带在运动员身上，功率计会在自行车上，设备离码表距离一般为1～2m，不会超出ANT协议的通信范围，因此，本项目的设计在大多数的应用场景中能实现自行车码表的功能。

（二）项目成果教学效果非常好

用看得到摸得着的实际项目引导学生学习，发挥了学生学习的主观能动作用，受到了广大学生的欢迎。通过多功能码表设计，学生的专业学习兴趣和自信心都得到了提升，为学生提供了展示才能的平台。

教师在无线电协议、电路设计、测试和仪器使用、设计方案讨论等多方面技术得到锻炼，实现以研促教，大大提升了教师的综合能力。以多功能码表为载体，单片机、电路设计等专业教学工作开展得有声有色，促进了专业建设。

参考文献：

[1]朱成东，林华，董凤飞，等.自行车运动员多训练时期心率变异性变化特点研究[J].辽宁师范大学学报（自然科学版），2017，40（4）：563-570.

[2]王江斌.自行车运动员耐力训练方法研究[J].黑龙江科学，2017，8（11）：126-127.

[3]张威，王培勇，傅兰英，等.运动心率采集技术的发展[J].传感器与微系统，2015，34（12）：1-4.

[4]李良，王德生，王小康，等.基于STM32单片机FSMC接口驱动LCD的配置与分析[J].机电产品开发与创新，2018（4）：72-73.

编辑 郑晓燕