基于ATtiny841通过I2C总线连接GPS模块

风筝

本篇文章主要描述了如何通过I2C总线连接一个简单的GPS模块。使用的控制器是ATtiny841：

简介

将GPS纳入到项目中是一项非常艰巨的任务。首先，您必须正确解析您使用的GPS模块返回的NMEA语句，然后如果您使用接收到的经度和纬度进行任何计算，则需要将浮点GPS库结合到例程中来执行计算。

如果您需要处理一些任何其他重要的事情，GPS处理任务可能会干扰您的其他任务。将GPS处理作为单独的I2C模块解决了这个问题。

我最初设计这个是为运行我的Lisp解释器uLisp的电路板提供GPS支持，但它对于您希望通过简单的I2C接口访问GPS数据的任何其他应用程序都很有用。

GPS变量

I2C数据中的18个字节包含从NMEA消息中提取的原始GPS数据：

这些变量如下：

偏移量	变量	说明
0	Time	以HH：MM格式表示的时间。
2	Csecs	以厘秒为单位的秒数。
4	Lat	以1e-4弧分为单位的纬度。
8	Long	以1e-4弧分为单位的经度。
12	Knots	速度，单位1e-2节。
14	Course	轨道，单位1e-2度。
16	Date	DD：MM格式的日期。

角度测量、纬度和经度以1e-4弧分为单位返回。因此，一度表示为600,000单位。这旨在允许使用长整数来完成算术，并且非常适合解析GPS模块返回的值而不会丢失任何精度。

◾    如果您喜欢使用百万分之一度的纬度和经度，就像其他一些GPS库一样，只需乘以5/3即可。

◾    如果要将纬度和经度用作浮点数（以度为单位），请将它们除以6e5。

◾    如果您想使用纬度和经度作为度、弧分和弧秒，请使用下面演示程序中的计算。

电路

我决定将电路基于ATtiny841控制器，因为它在硬件中提供USART和从I2C功能：

为方便起见，我使用了Adafruit Ultimate GPS Breakout，但该电路适用于其他GPS模块。

由于ATtiny841仅采用SOIC封装，我将其安装在分线板上。 GPS模块和分线板都整齐地安装在迷你面包板上，可从SparkFun获得。

我使用了一个晶振时钟，虽然您可以使用内部8MHz振荡器，只要您使用OSCCAL寄存器进行校准即可。我在晶体和Vcc之间连接了18pF电容，而不是传统的GND，以使原型板上的布线更容易。这不应该影响电路的运行。

根据您连接I2C GPS模块的情况，您可能需要在SDA和SCL线路与Vcc之间使用4.7kΩ上拉电阻。我发现我将模块连接到Arduino Uno时不需要他们，但使用Aduino Zero则确实需要他们。

程序代码

首先，我们定义一个typedef，它定义了一个18字节的buffer_t类型，也可以通过GPS变量名称或字节数组来引用：

1. // GPS variables
   
2. typedef union {
   
3.   struct {
   
4.     unsigned int Time, Csecs;
   
5.     long Lat, Long;
   
6.     unsigned int Knots, Course, Date;
   
7.   };
   
8.   uint8_t Data[buffersize];
   
9. } buffer_t;

复制代码

该程序的工作原理如下。当从GPS模块接收到每个字符时，由ParseGPS()函数解析，该函数将GPS变量写入gps.Data []缓冲区，直到Fix指示已收到完整的NMEA句子：

1.   do {
   
2.     while (!Serial.available());
   
3.     char c = Serial.read();
   
4.     ParseGPS(c);
   
5.   } while(!Fix);

复制代码

I2C接口产生TWI中断，对于通过I2C接口写入或读取的每个字节调用TWI_SLAVE中断。 I2C接口直接从gps.Data []缓冲区读取数据是不安全的。想象一下，当我们在中断时通过I2S访问缓冲区时，是否从GPS模块读取GPS数据。当我们读取LSB时，双字节时间可能是11:59。但是，当我们读取MSB时，它可能已更改为12:00。然后我们将以12:59的时间结束，这将是完全错误的。任何其他字段都可能出现同样的问题。

为防止这种情况，我们使用两个缓冲GPS数据由ParseGPS()写入gps.Data []，当我们收到完整的NMEA消息时，会在一次操作中将其复制到buf.Data []，并禁用中断。

如果我们通过I2C直接从buf.Data []读取，可能会发生同样的问题。在读取两个连续字节之间可以更新数据。解决方案是在I2C例程开始时将buf.Data []复制到第三个缓冲区i2c.Data []。然后我们从这个安全数据中读取数据，直到它是一致的。

另一种解决方案是让一个过程等到另一个过程完成。但是，使用单独的缓冲区是一种更优雅的解决方案，可确保数据始终保持一致而不会占用程序。

该电路提供可选的INT输出，当接收到完整的NMEA语句以指示新数据准备好时，该输出为低电平。当I2C读取数据时，输出再次变为高电平。

TWI中断服务程序

我决定自己实现从属软件，而不是使用库，目的是使项目尽可能简单。以下处理I2C接口的代码：

1. ISR(TWI_SLAVE_vect) {
   
2.   if (TWSSRA & 1<<TWASIF) {                // Address received
   
3.     if (TWSSRA & 1<<TWDIR) {               // Master read
   
4.       // Copy buf buffer to i2c buffer so it's ready to be read
   
5.       for (int i=0; i<buffersize; i++) i2c.Data[i] = buf.Data[i];
   
6.       // Take INT pin high
   
7.       digitalWrite(Interrupt, HIGH);
   
8.       TWSCRB = 3<<TWCMD0;                  // ACK
   
9.     } else {                               // Master write
   
10.       TWSCRB = 3<<TWCMD0;                  // ACK
    
11.     }
    
12.   } else if (TWSSRA & 1<<TWDIF) {          // Data interrupt
    
13.     if (TWSSRA & 1<<TWDIR) {               // Master read
    
14.       if (Position >= 0 && Position < buffersize) {
    
15.         TWSD = i2c.Data[Position++];
    
16.         TWSCRB = 3<<TWCMD0;
    
17.       } else {
    
18.         TWSCRB = 2<<TWCMD0;                // NAK and complete
    
19.       }
    
20.     } else {                               // Master write
    
21.       Position = TWSD;                     // Write sets position
    
22.       TWSCRB = 3<<TWCMD0;                  // ACK
    
23.     }
    
24.   }
    
25. }

复制代码

这个例程的逻辑如下：

◾    如果中断是针对地址的：

      ◾    如果是一次读取：复制将由i2c读取的GPS数据，以及ACK

      ◾    如果是一次写入：只是ACK。

◾    如果中断是针对数据的：

      ◾    如果是一次读取：从位置的缓冲区读取数据。

      ◾    如果是一次写入：将缓冲区指针Position设置为byte。

每个I2C会话都以写入开始，以指定缓冲区中的偏移量以读取后续变量。然后，您可以读取任意数量的字节以获取要访问的变量。

编译程序

我使用Spence Konde的新ATTiny Core编译了该程序，该核心现在支持所有ATtiny处理器并取代了早期的各种ATtiny内核。在Boards菜单上的ATtiny Universal标题下选择ATtinyx41选项。然后后续菜单选择B.O.D. Disabled, ATtiny841, 8 MHz (external) 。

通过合适的编程器将电路连接到计算机，例如Tiny AVR Programmer Board，然后从Programmer菜单中选择编程器。请注意，您必须选择标记为（ATtiny）的编程器才能正确上传到大多数支持的芯片 - 这显然是由于IDE的限制。

选择Burn Bootloader以适当设置保险丝。然后选择Upload将程序上传到ATtiny841。

这是整个I2C GPS模块程序： I2C GPS模块程序.rar (1.72 KB, 下载次数: 11)

2018-10-4 09:32 上传

点击文件名下载附件

。

使用LCD字符显示器测试I2C GPS模块

为了测试模块，我编写了一个简单的程序，在LCD字符显示器上显示纬度和经度，电路如下：

以下例程读取I2C GPS模块返回的长整数值并将其打印为度、分和秒：

1. void printDMS (long ang) {
   
2.   int degs, mins, secs;
   
3.   degs = abs(ang)/600000; mins = (abs(ang) - degs*600000)/10000;
   
4.   secs = (abs(ang) - (long)degs*600000 - (long)mins*10000)*6/1000;
   
5.   lcd.print(degs); lcd.print((char)0xdf); lcd.print(mins);
   
6.   lcd.print('\''); lcd.print(secs); lcd.print('"');
   
7. }

复制代码

我很高兴地发现LCD字符显示器可以显示度数符号；它的字符是0xdf。

最后，这是从I2C GPS模块获取经度和纬度并将其写入LCD显示器的例程：

1. void loop() {
   
2.   Wire.beginTransmission(0x3A);
   
3.   Wire.write(4);                                 // Start with latitude
   
4.   Wire.endTransmission();
   
5.   Wire.requestFrom(0x3A, 8);                     // Ask for 8 bytes
   
6.   long Lat = 0, Long = 0;
   
7.   for (int i=0; i<4; i++) Lat = Lat | (long)Wire.read()<<(i*8);
   
8.   for (int i=0; i<4; i++) Long = Long | (long)Wire.read()<<(i*8);
   
9.   lcd.cmd(0x01);
   
10.   lcd.print(" Lat: "); printDMS(Lat); lcd.print((Lat < 0) ? 'S' : 'N');
    
11.   lcd.cmd(0xc0);                                 // Clear
    
12.   lcd.print("Long: "); printDMS(Long); lcd.print((Long < 0) ? 'W' : 'E');
    
13.   while (digitalRead(Ready));                    // Wait for Ready to go low
    
14. }

复制代码

使用uLisp测试I2C GPS模块

我还使用在Arduino Zero上运行的uLisp解释器测试了I2C显示模块。 这是用于读取和打印七个GPS值的uLisp程序：

1. (defun read2 (str)
   
2.   (+ (read-byte str) (ash (read-byte str) 8)))
   
3. 
   
4. (defun read4 (str)
   
5.   (+ (read-byte str) (ash (read-byte str) 8)
   
6.      (ash (read-byte str) 16) (ash (read-byte str) 24)))
   
7. 
   
8. (defun rd ()
   
9.   (with-i2c (str 58)
   
10.     (write-byte 0 str)
    
11.     (restart-i2c str 18)
    
12.     (princ "Time:") (princ (read2 str))
    
13.     (princ ", Sec:") (princ (/ (read2 str) 100))
    
14.     (princ ", Lat:") (princ (/ (read4 str) 6e5))
    
15.     (princ ", Long:") (princ (/ (read4 str) 6e5))
    
16.     (princ ", Knot:") (princ (/ (read2 str) 100))
    
17.     (princ ", Course:") (princ (/ (read2 str) 100))
    
18.     (princ ", Date:") (princ (read2 str)) (terpri)))
    
19. 
    
20. (defun go ()
    
21.   (loop (rd) (delay 1000)))

复制代码

键入（go）每秒打印一行值; 例如：

1. Time:1043, Sec:48, Lat:52.2187, Long:0.137323, Knot:0.09, Course:332.24, Date:2709

复制代码

参考链接

◾    Adafruit的Ultimate GPS Breakout。

◾    Proto-PIC的Ultimate GPS Breakout。

◾    用于SOIC-14或TSSOP-14的SMT Breakout PCB。

◾    GitHub上的ATTinyCore。