由于实验条件限制，实验时惯性导航系统使用三维电子罗盘代替，激光雷达测距信息摄取开始脉冲信号用微控制器内部的TIM2 模拟，50ms 输出一次中断(周国清等，2014)。低价POS 系统原理框图如图10-4 所示。
图10-4 低价POS 系统原理框图
微控制器负责各种中断的处理和数据的存储工作。GPS 接收机导航信息输出的数据接口为TTL 电平的UART 接口，可直接连接到微控制器的串口1，其时间脉冲PPS 输出接口与微控制器的外部中断口EXTI 连接。三维电子罗盘为标准的RS232 输出接口，进行电平转换后与微控制器串口2 连接。SD 卡工作在SPI 模式，与微控制器的SPI 接口连接。激光雷达进行图像数据采集时，产生一个测距信息摄取开始脉冲信号，该TTL 电平信号与微控制器的外部中断口EXTI 连接，图像数据的传输通过USB 口与微控制器连接。
系统上电工作，PPS 到来时启动计时器，当测距信息摄取开始脉冲信号和惯性导航系统数据包到达微控制器外部中断口时分别产生中断，并分别读取计时器的值，这样已知传感器数据采集时的时间差就可以建立起它们之间的时间联系，并统一到UTC 时间轴上。由于存在传感器频标漂移和各种转换、通信延迟(游文虎和姜复兴，2003)，根据各传感器的数据更新周期递推各个时间间隔会引入误差，所以需要采用中断方式。每次惯性导航系统数据包和测距信息摄取脉冲信号到达时都要分别读出计时值，记下与当前PPS 的时间间隔，每一次PPS 到来都将计时器清零并重新计时，减少了计时器的累积误差。
1. 硬件电路设计
本书设计的低价POS 系统硬件电路简单，整个系统硬件电路由STM32 微控制器最小系统设计，STM32 微控制器分别与SD 卡、GPS 接收机和三维电子罗盘通讯的接口电路和电平转换电路等外围电路构成(杨春桃，2014)。
(1)STM32 微控制器最小系统设计
STM32 微控制器最小系统设计包括：电源模块设计、复位电路设计、时钟电路设计以及仿真接口电路设计。其中，STM32f103c8t6 微处理器芯片和GPS 接收机模块采用3.3V 供电，电源设计中选用AMS1117-3.3 稳压器进行电压转换，输出3.3V 电压；三维电子罗盘采用5V 供电，选用LM2940CS-5.0 三端稳压器进行电压转换，稳定输出5V 电压。晶振选用8MHz，利用软件设置倍频系数实现系统时钟频率的升高。经测试，各模块均能够稳定、可靠地工作，具有成本低、体积小、重量轻、结构简单和可靠性强等优点。STM32 微控制器最小系统原理图如图10-5 所示。
图10-5 STM32 微控制器最小系统原理图
(2)接口电路设计
GPS 接收机带有TTL 电平的UART 接口，可直接与STM32 微控制器连接，GPS 接收机的TTL 电平接口如图10-6 所示。
图10-6 GPS 接收机的TTL 电平接口
SD 卡选用SPI 模式，STM32 微控制器与SD 卡的接口电路如图10-7 所示。SD 卡通过将时钟线SD-CLK、片选线SD-CS、数据线SD-IN 和SD-OUT 4 根线分别与单片机的SCLK、CS、MOSI 和MISO 连接，即可实现数据传输，其中SD 卡的工作电压为2.7 ～4.6V，需要在数据线上连接10kΩ 以上的上拉电阻以增大对SD 卡的驱动能力。
图10-7 STM32 微控制器与SD 卡的接口电路
三维电子罗盘为标准RS232 输出接口，需要进行电平转换才能与STM32 微控制器连接，选用MAX3232 作为电平转换芯片，三维电子罗盘电平转换电路如图10-8 所示，三维电子罗盘DCM300B 电气连接图如图10-9 所示。
在电路设计软件Protel DXP 平台下，设计由STM32 微控制器最小系统和接口电路构成的低价POS 系统控制板原理图，并进行PCB 设计，PCB 尺寸为10×15cm，低价POS 系统控制板PCB 图如图10-10 所示；制作手工电路板，并焊接好相关电子元器件，低价POS系统控制板如图10-11 所示。
2. 硬件组成
低价POS 系统硬件由GPS 接收机、三维电子罗盘、微控制器和SD 卡构成，硬件组成如图10-12 所示。
图10-8 三维电子罗盘电平转换电路
图10-9 三维电子罗盘DCM300B 电气连接图(深圳瑞芬科技公司，2012)
图10-10 低价POS 系统控制板PCB 图
图10-11 低价POS 系统控制板(www.xing528.com)
图10-12 低价POS 系统硬件组成
(1)GPS 接收机
GPS 接收机模块主芯片为瑞士u-blox 公司的LEA-5S 模组，GPS 接收机模块的主要参数如表10-1 所示，其输出频率为1Hz，带PPS 秒脉冲输出，信号捕获能力强。该GPS 接收机采用很强的噪声抑制技术和创新RF 架构，使其抗干扰能力加强，可应用于汽车电子、手持设备和航空航海领域(小超嵌入式工作室，2012)。该模块既带有TTL 电平的UART 接口，能方便与各种微处理器连接，又拥有RS232 电平串口和USB2.0 接口，与计算机直接连接。GPS 接收机上电后，向用户自动发送NEMA0183(National Marine Electronics Association)协议数据包。
表10-1 GPS 接收机模块的主要参数(小超嵌入式工作室，2012)
续表
GPS 接收机如图10-13 所示。
图10-13 GPS 接收机(小超嵌入式工作室，2012)
(2)微控制器
目前，市场上可用于组合导航的处理器有ARM、FPGA、DSP、SOC、CPLD 等，工程应用中，需要结合组合导航系统所要完成的实际任务、工作环境、性价比和系统平台的后续升级等多种因素，选择合理的处理器。DSP 体积小、功耗低，具有很强的数据计算能力，FPGA 以硬件方式实现简单算法的并行计算，速度快，但是两者的管理能力较差；SOC 集成度，功能强大，但复杂度高，研发周期长。STM32 微控制器体积小、功耗低而且集成度、性价比高，不仅为用户提供卓越的计算性能，而且拥有先进的中断系统响应，满足本组合导航系统在精度和实时性上的需求。
本书的微控制器选用一片STM32f103c8 芯片，它是ARM32 位的CortexTM-M3 微控制器，RISC 内核，有丰富的I/O 口，最高72MHz 的工作频率，7 个定时器(其中有3 个16位定时器)，多达9 个通信接口。其中，通信接口包括2 个I2C 接口，3 个USART 接口，2 个SPI 接口，1 个CAN 接口和1 个USB 2.0 全速接口，这些丰富的接口可方便地和其他传感器连接，满足不同传感器的接口特性。STM32 微控制器内置紧耦合的嵌套的向量式中断控制器，可处理的可屏蔽中断通道多达43 个；中断响应处理的时间延迟短；中断向量入口地址直接进入内核；允许中断的早期处理；即使较高优先级中断到达时间晚也能处理；中断返回时自动恢复，无需额外指令开销，以最小的中断延迟对中断提供出色的管理功能(STMicroelectronics Inc.，2009)。
(3)三维电子罗盘
电子罗盘，又称数字磁罗盘。指南针是现在磁罗盘的雏形，是我国古代四大发明之一，中间经历了司南、液浮式罗盘、机械式罗盘、远读磁罗盘的阶段。近代随着计算机、微电子和传感器技术的不断进步，用微处理器替代了电子罗盘过去复杂的机械结构和随动系统，促进了电子罗盘向低成本、高性能、数字化的方向快速发展。现在一般用磁阻传感器和磁通门先进加工工艺生产的电子罗盘，具有低成本、体积小、重量轻、结构简单、数字化显示、便于操作等优点(朱伟，2012)。
现代的电子罗盘作为一种重要的导航工具，具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、响应快、精度高等优点，正越来越多地应用于导航和定位系统。目前大多数的导航系统都用电子罗盘来指示方向，而三维电子罗盘作为可以测量载体的航向角、俯仰角、翻转角等参数的传感器，在姿态控制、电子对抗、飞机船舶和车辆导航、水下作业等领域得到大量的使用(张燕，2009)。
电子罗盘又可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。平面电子罗盘是二维电子罗盘，在使用的过程中需要保证罗盘的水平，否则当罗盘失去水平发生倾斜时，会影响罗盘姿态数据输出的准确性。平面电子罗盘的成本比较低，但是工作的条件比较苛刻。如果能满足保持水平的要求，那么平面电子罗盘的性能会得到很好的发挥，因此平面罗盘一般用于静止测量环境；三维电子罗盘在平面罗盘的基础上，在内部加入了倾角传感器，如果罗盘失去水平发生倾斜时，可以对罗盘进行倾斜补偿，从而保证姿态数据输出的准确性，克服了平面电子罗盘在使用时必须保持水平的缺点，因此三维电子罗盘多用于动态测量环境。
三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和微处理器构成。三维磁阻传感器通过测量地球磁场的三个分量，同时配合双轴倾角传感器在磁力仪非水平状态时进行补偿。微处理器可以处理磁力仪和双轴倾角传感器的信号、数据输出以及软铁、硬铁补偿。磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为X 方向的传感器检测地磁场在X 方向的矢量值，向右或Y 方向的传感器检测地磁场在Y 方向的矢量值，向上或Z 方向的传感器检测地磁场在Z 方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入微处理器进行处理，得到三个姿态角信息。
本POS 姿态角的测量模块选用深圳瑞芬科技公司高精度三维电子罗盘DCM300B，三维电子罗盘的主要性能参数如表10-2 所示，其最大数据更新为20 次/秒，为了稳定获取多个姿态值，每秒读取10 个罗盘数据。该三维电子罗盘集成三轴磁通门传感器，采用美国专利技术的硬磁和软磁校准算法，电子罗盘内部对航向进行补偿。同时，其内部集成高精度微处理器，俯仰、横滚倾斜测量范围达±85°，理想状态下，倾角精度为0.1°，方位角精度为0.5°，可应用于GPS 组合导航、激光测距仪、无人飞行器等。
表10-2 三维电子罗盘的主要性能参数(深圳瑞芬科技公司，2012)
三维电子罗盘DCM300B 实物图如图10-14 所示。
图10-14 三维电子罗盘DCM300B 实物图(深圳瑞芬科技公司，2012)
(4)SD 卡
SD 卡是一种便携式的大容量数据存储介质，体积小、功耗低、可靠性高。SD 卡主要由九个接口引脚、接口驱动电路、寄存器组SD 卡接口控制器以及存储单元组成，通过九个接口引脚与微处理器连接(刘振强，2011)。微处理器对SD 卡的操作是通过向SD 卡接口控制器发送相应命令实现的，SD 卡接口控制器根据微处理器发出的命令进行相应操作，如控制SD 卡与微处理器的接口驱动电路、对寄存器的操作和控制数据在存储单元的传输。SD 卡有SPI 模式和SD 模式两种工作模式，上电时，SD 卡缺省进入SD 模式。SD 模式采用并行方式传输数据，速率快的同时传输协议也较复杂，而且大部分微控制器是没有SD 模式接口的。此时，可以使用软件模拟SD 模式的方式，但是软件方法相对复杂，而且SD 卡的数据传输速率将会受到影响。虽然，SPI 模式为串行方式，速度比SD 总线模式的速度慢，但其通过时钟线SCLK、片选线CS 以及数据线DI 和DO 四根线即可实现数据传输，并且很多微处理器都带有SPI 接口，使得硬件电路设计简单。SD 卡上电后，执行第一个复位指令(CMD0)，片选信号CS 置低选择SPI 模式，并且在接通电源过程中不能改变工作模式。文中使用SPI 模式，配以FAT32 文件系统，首次使用前需在计算机上将其格式化为FAT32 文件格式。SD 卡实物图如图10-15 所示。
图10-15 SD 卡实物图
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