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[教程] Raspberry Pico尝鲜之GPS轨迹记录仪

本帖最后由沧海笑于 2021-2-13 12:16 编辑

【项目故事】

Raspberry基金会在2021年新年伊始就推出了树莓派第一款单片机产品：Raspberry Pico。主控芯片是英国树莓派设计的RP2040，这是一款双核ARM Cortex M0+ 处理器，时钟高达 133 MHz,载有264KB 的 SRAM 和 2MB 的板载闪存。IO方面提供26 个多功能 GPIO 引脚。2×SPI, 2×I2C, 2×UART, 3×12-bit ADC以及16个可控制 PWM 通道。PICO的亮点还有8 路可编程 I/O （即：PIO）状态机，用于自定义外设支持。美中不足是 PICO的USB接口仍然为USB 1.1而非Type-c，有网友戏称，这是树莓派有多少库存配件需要消化啊。

我在第一时间关注到了这款新板子，出于对树莓派长久的喜爱，虽然PICO从硬件配置上并不比esp8266/esp32占优，也没有wifi和ble，但我对树莓派社区非常有信心，也迫不及待地想尝鲜、做一个新玩具。

由于PICO推荐用micropython以及c++开发，我对前者的IDE以及一些入门库比较熟悉，所以我决定用micropython做一个gps轨迹记录仪。

这个小玩具的知识点不超过五个，上手难度属于较易上手，自认为难度★★（如果设定★★★★★为高难），是供树莓派以及嵌入式玩家尝鲜以及全面了解认识PICO的一个不错的项目。

该项目从构思、搭建原型到代码编写、调试，装配外壳以及路测验证，大致经历了一周多时间，这也是一个完成度较好的小玩具。下面我们一起来做吧。

【硬件准备】

	内容	数量（型号）	备注
1	Raspberry Pico	1
2	GSP模块	1	大疆悟1拆机模块
3	OLED屏幕	1（0.96寸）	IIC接口
4	电源管理模块	1	Type-c接口输入
5	5-3.3V转换器	1（AMS1117-3V3）
6	锂聚合物电池	1（800mah)
7	按钮1	1	控制存储/停止存储
8	按钮2	1	接电源模块Key-Gnd,单击供电，双击关机

部分零件：

1、800mAh锂电池

2、电源管理模块（充电、放电、电量显示、开关）

3、5.5~3.3v电压转换模块

4、微触按钮

【软件准备】

	内容	型号及描述	备注
1	Raspberry Pico micropython固件	2021-1-25 v1.13
2	gps解析库	Micropygps
3	Ssd1306库	官方
4	图形文件转换字节数组程序	第三方
5	Button陷阱库	第三方
6	Thonny ide	v3.3	适配pico必须要求在v3.3及以上

【制作过程】

（一）整体设计思路

使用Gps模块采集坐标以及时间数据，通过uart传送至pcio，Pico负责解析为经纬度以及时间变量，根据按钮的控制来进行gpx文件的存储。存储结束后，将记录文件导出，利用在线解析工具进行轨迹解析和展示。

人机对话方面：本装置设一块oled（128*64）用于监测gps数据以及存储情况。按钮1用于用户控制存储、停止流程。按钮2用于用户控制装置电源的开、关。

（二）硬件接线图

图中：

1、 OLED 128*64

2、大疆悟1GPS模块

3、 AMS1117-3V3，5.0~3.3V转换模块

4、存储控制按钮

5、电源管理模块

6、锂电池（本项目实际使用800mAh）

7、 Raspberry Pico开发板

由于fritzing从元件库中提取，所以带有个别商家logo。

（三）关于大疆悟1GPS模块的接线分析

我从网上淘到一只大疆悟1的gps模块。因为在以往接触gps过程中，饱受搜星慢、用户体验差之苦。这块大疆悟1的gps模块用于无人机导航，天线口径足够大（直径46mm），根据其用途定位而言，该模块应该在定位、寻星、启动方面有不错的表现，事实证明这个猜测是正确的。模块到手后，看到了模块分为两部分：模块本体以及屏蔽底壳，屏蔽底壳对于无线信号系统的正常工作非常重要。大疆gps模块的线材也是屏蔽多股铜线，用料扎实。美中不足就是这款模块用于diy的资料非常有限，一是模块输出不清楚：一共六根输出线，且全部是黑色，无法从颜色和排序上获得参考。二是供电电压不了解，m8n的供电是3.3v没问题，但是我不知道这款模块是否自带电压转换电路。首先在背板上发现了gnd铜焊盘，而且两个焊盘是开窗的（没有用阻焊油封闭），所以很容易通过对线找到了两根（第2、6）是GND线，或者我们理解是和GND接通的。有了这个GND定义就好办了，至少不会在测试中烧模块。实际上我们只需要三根线（VCC,GND以及TX)，经过反复测试，顺利找出了这三根线（如图）。后来在谷歌上也找到了两张国外玩家的拆解图，证明了我的分析。关于供电电压，我先用3.3V进行测试，工作正常。我就没有再尝试提高电压。后来在国外玩家的拆解图（不一定是悟1的）也看到了供电电压是3.3V~3.6V，进一步印证了我的分析。至此，这两个问题都得到了解决。由于是拆机件，没有带原配螺丝。我用M2的螺丝+螺母以及一个M3的螺母做垫片，基本上解决了屏蔽底壳的固定问题。我把vcc,gnd以及tx用排针引出，并且在接头处做了热缩处理，就可以开始后续的gps部分测试了。

（四）软件框图及代码

使用Thonny ide过程中，需要安装pico板解释器，类似的教程网上很多，不在本文讨论范围内。本文末尾附上了相关的配置文件。请注意：pico需要Thonny的版本在3.3.3及以上。

#基于raspberry pico的GPS轨迹记录仪 
# 主要功能：于gps数据轨迹记录，包括按钮控制以及oled屏幕显示
# 2021-01~02
#作者：沧海
#micropyGPS解析库 https://github.com/inmcm/micropyGPS
#ssd1306库 https://github.com/micropython/micropython/tree/master/drivers/display
#button陷阱库https://github.com/researchnix

from machine import Pin,I2C,PWM
from machine import UART
import time
from ssd1306 import SSD1306_I2C
from micropyGPS import MicropyGPS 
import Button
import framebuf
#定义oled显示部分
sda=machine.Pin(4)
scl=machine.Pin(5)
i2c=machine.I2C(0,sda=sda, scl=scl, freq=400000)
oled = SSD1306_I2C(128, 64, i2c)

#定义uart串口部分
com = UART(0,9600) #定义uart0

#定义gps解析部分
my_gps = MicropyGPS(8)#东八区的修正
my_gps.local_offset

#定义按钮以及按钮触发
triggerActive = False
but = Pin(3, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
lat=''
lng=''
s_time=''
rtc=''
#关于存储的控制标志字
ifsave= False  #是否存储标志
ifhead= False #文件头标志
ifend = False #文件尾标志
b_Trigger = False #触发标志字，默认未触发

#按钮触发例程
def toggleLed(): 
    global ifsave,ifhead,ifend, b_Trigger
    if b_Trigger == False:
        print("button press")
        b_Trigger = True #状态反转
        ifsave= True
        ifhead = True
        ifend = False
    else:
        print("button unpress")
        ifsave= False
        ifhead = False
        ifend = True
        b_Trigger = False #状态反转
       

#获取并且解析gps数据例程
def get_GPS_values():
    global lat,lng,s_time,rtc
    time.sleep_ms(200)
    cc = com.readline()
    cc1=cc.decode()
    print(cc1)
    for x in cc:
        my_gps.update(chr(x))
        
    lat=str(my_gps.latitude[0] + (my_gps.latitude[1] / 60))
    lng=str(my_gps.longitude[0] + (my_gps.longitude[1] / 60))
    date = "20"+str(my_gps.date[2])+"-"+str(my_gps.date[1])+"-"+str(my_gps.date[0])+"T"
    timestamp = my_gps.timestamp
    rtc = str(int(timestamp[0]))+":"+str(int(timestamp[1]))+":"+str(int(timestamp[2]))
    s_time= date+rtc+"Z"
    print(lat,lng,s_time,rtc)
    return lat,lng,s_time,rtc
 
while 1:
    time.sleep_ms(2000)
    #绘制UI的表头
    oled.contrast(50)
    oled.fill(0)
    oled.text("Time:", 42, 5)
    oled.text("Lat:", 42, 23)
    oled.text("lng:", 42, 41)
    oled.text(" ", 2, 55)
    oled.text(rtc, 80, 5)
    oled.text(lat, 80, 23)
    oled.text(lng, 80, 41)
    #树莓派logo
    buffer = bytearray(b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\xf0\xf8\x18XX\xd8\x980\xf0\xe0\xf0\x98\x98\xd8X\x18\x18\xf0\xf0\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x80\xf3\xff\xee\xec|?o\xe7\xe7\xef?<|\xec\xde\xfb\xe3\x80\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x0e\x7f\xf8??8\xf0\xf8\x18\x0f\x0f\x0e\x98\xf8x8\x1f\xfc\xf1?\x0e\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x03\x03\x06\x0e\x0e\x1f?323\x1f\x0f\x0e\x06\x06\x03\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00')
    fb = framebuf.FrameBuffer(buffer, 30, 32, framebuf.MVLSB)
    oled.blit(fb, 5, 0)
    oled.show()
    get_GPS_values()
    
    if ifend == True  : # 是文件尾部
        my_gps.start_logging('log.txt') #制定存储的文件，是以“追加”的方式打开,请参考库
        endstring="</trkseg></trk> </gpx>"+"\n"
        my_gps.write_log(endstring)  #写一个文件尾部标记
        my_gps.stop_logging() #停止本次记录
        ifsave = False
        ifhead = False
        ifend= False
        oled.text("End", 2, 55) #屏幕显示文件结束
        oled.show()
        print("end====")
    else :        
        if ifhead == True : #是文件头
            my_gps.start_logging('log.txt') #制定存储的文件，是以“追加”的方式打开,请参考库
            headstring="""<?xml version='1.0' encoding='UTF-8'?><gpx version='1.0'> <name>Example gpx</name>
    <trk><name>Example gpx</name><number>1</number><trkseg>"""+"\n"
            logstring="<trkpt lat='"+lat+"' lon='"+lng+"'><time>"+s_time+"</time></trkpt>"+"\n"
            my_gps.write_log(headstring+logstring)  #写一个文件头+一个内容串
            ifhead = False #头只写一次就关闭
            ifsave = True
            ifend= False
            my_gps.stop_logging() #停止本次记录
            oled.text("New REC", 2, 55) #屏幕显示新记录
            oled.show()
            print("start====")
        else:
            if ifsave == True : #是正常写入串
                my_gps.start_logging('log.txt') #制定存储的文件，是以“追加”的方式打开,请参考库
                
                oled.text("Saving", 2, 55) #屏幕显示文件正在记录中
                logstring="<trkpt lat='"+lat+"' lon='"+lng+"'><time>"+s_time+"</time></trkpt>"+"\n"
                my_gps.write_log(logstring)
                time.sleep_ms(100)
                my_gps.stop_logging() #停止记录
                oled.text("New REC", 2, 55) #屏幕显示新记录
                oled.show()
                print("nomal====")
                ifsave = True
                ifhead = False
                ifend= False
    
    trig = Button.ButtonTrigger(but)
    trig.appendListener(toggleLed, "short")
    but.irq(trigger=Pin.IRQ_FALLING | Pin.IRQ_RISING, handler= trig.buttonCall)
复制代码

（五）软件知识点以及解决过程

1、GPS的NMEA-0183库的解析、记录在pico上的移植和实现

大名鼎鼎的micropyGps库是Micropython在github.com上评分最高的一款解析库，借鉴了著名的Arduino下的解析库tinygps++。最初是为pyb板子设计的，我在esp32上移植过，没有问题。这次在pico上也比较顺利。固件采用1-25发布的1.13版，在后续1.14版上有些不稳定，只能待后续micropyGps升级了，毕竟这个库已经几年没有更新了。

2、Ssd1306 I2Coled屏幕在pico上的实现，以及图片显示功能实现

使用了官方的ssd1306驱动库，在认真阅读库并且尝试解决了i2c的表述后，也顺利点亮。主要使用到了亮度调整、字符显示等功能。目前默认只有一种字体及大小，如果自定义字体需要进行字模的设计，这个话题留待以后再讲。本项目解决了pico显示图形的问题，我用了一个树莓派黑白LOGO图标，转换为32*16的黑白png文件，然后利用Micropython.org上网友提供的转换工具（在文末一并分享），将png文件转换为字节数组，直接在程序中调用即可，由此，本项目中显示了一个可爱的树莓派32*16的logo。玩家也可以根据自己的需要进行图形展示，甚至一些汉字（图形方式）的显示。

3、button陷阱单击以及长按功能在pico上的移植和实现。

这个button陷阱库很棒，可以单独开一个线程侦测按钮的触发，我只做了一处修改，将原示例当中的led.duty修改为led.duty_u16，即可通过。

我用此库作为GPS坐标点（路径）的存储、停止控制，所以我设计了三个状态控制字（新建、存储以及停止），采用button陷阱的单击进行控制和切换，非常方便。在软件框图中有详细解释。

4、gps轨迹的记录（开始、终止）为gpx格式，并且在适当的工具上进行解析和展示。

gpx文件的实质是一个拥有gps坐标（经纬度、海拔（也可以不要这个参数）、时间戳）等内容的xml文件。找到了标准的gpx文件格式后，将文件头、文件尾进行拆离。在存储过程中将文件头、文件体的正常存储、文件尾装配在一起，就形成了完整的gpx轨迹文件了。解析展示方式有很多种，有离线工具（如微软商店里面的GPX查看器）、在线工具等。都可以方便地对所记录的轨迹进行展示。下图是一个gxp文件示例：

（六）基于蓝牙HC-05的面包板验证原型、调试程序

由于我的工作台离窗边比较远，为了方便调试，我用了一组HC-05蓝牙模块，主从方式设置后形成了蓝牙串口的透传，将gps数据通过这组HC-05模块传送到工作台的pico这一端。方便了调试工作，示意图如下：

蓝牙模块是串口透传，设置好主从后就没问题，所幸大疆悟1的GPS模块的输出也是9600波特率，节省了非常多的调试时间。

（七）成品制作过程

1、外壳准备

在搭建完面包板原型后，春节临近，物流快递陆续不发货了。所以就暂时没有考虑3D打印外壳。手里有一块亚克力面板，是上次其他小制作时激光切割的剩余存货，可惜没有找到合适的铜柱。只好放弃。但是找到了吃灰已久的充电宝DIY套件外壳，尺寸非常合适，面板上有一个开孔适合OLED的引出，两个侧面的开孔可以方便电源模块的type-c以及gps模块的引线进入外壳。于是就选定了这个外壳作为本记录仪的外壳。美中不足（也是特点吧）就是外壳一旦扣紧实在咬合太紧，所以把一些咬合部分做了打磨处理，把外壳内一些影响安装的部分也做了拆除。只是对两组按钮进行了打孔，整个外壳就可以用了。
Raspberry Pico尝鲜之GPS轨迹记录仪图16

2、电源管理模块的安装

本次使用的电源管理模块是集充放电管理、type-c与电池连接、5V输出以及key键唤醒一体的模块。体积也比较小，标称输出电流2A，还有电量显示功能，是一块性价比很好的电源管理模块。由于本项目中oled以及gps都是3.3v供电，实际上PICO本身有3.3v外供电端子，但是为了不增加pico的外供电负担，我还是选择了一块1117电源转换IC作为5-3.3V的转换，这样在本项目中将提供两个电压，5V给树莓派PICO供电（采用VSYS端子），3.3V给OLED以及GPS供电，稳定的供电是非常重要的，这样考虑也是不希望给PICO过大负担。将电源管理模块的KEY端子与5V输出的负极相连接，短击可唤醒电量检测以及供电，双击则关断电源输出。将一个微触开关引出在外壳侧面，用于电源控制。

3、Pico、按钮以及OLED屏的安放

Pico我焊接了排针，所以将两列排母焊接在洞洞板上，就可以很好固定pico。按钮在外壳上开孔（用游标卡尺实测尺寸）后，就可以稳定安装在外壳上，oled屏幕也是用了排母，将排母用热熔胶固定在外壳顶板即可。这样oled模块可以方便装卸。

4、整体安装以及路测结果

整体的安装和焊接工作比较简单，由于接线比较简单，所以也没有绘制PCB板，用一块洞洞板作为底板，在板子的端部做了5.0V/3.3V/GND等三组母线，便于各元器件引用。元件之间的飞线在接头处都用了热缩处理，按钮、OLED屏幕以及洞洞板与外壳固定用了热熔胶。当然在全部调试后再固定，否则会很麻烦。我就经历了这样一次麻烦。

整体安装后，在窗台进行了测试，开机-存储-停止-再存储等功能均正常，记录到的gpx文件，也可以正确在解析工具上解析，至此就可以进行路测了。

开车路测很顺利，大疆的GPS模块名不虚传，开机后在几十秒内就可以定位，然后进行存储，开车大约半小时，将路径解析后，表明整个装置工作正常。

我使用了两个网站进行解析，第一个网站是基于百度地图的https://www.cyclingroad.cn/gpx/index.html，第二个网站是基于卫星地图https://www.sunearthtools.com/cn/tools/gps-view.php，只需要把GPX文件拖到页面上就可以解析了。