【正文】 1 51 單片機的 GPS 接收機 GPS 主系統(tǒng)是美國發(fā)射運行的衛(wèi)星系統(tǒng)，包含了 27 顆能持續(xù)發(fā)送地理位置海拔高度和時間信號的衛(wèi)星， 24 個正常使用， 3 個備用，這些衛(wèi)星平均分布運行在六個軌道上。一般來說，在地面上的 GPS 接收器能接收 5～ 12 個衛(wèi)星信號，而為了獲得地面上的定位坐標，GPS 導航至少需要 4 個衛(wèi)星信號，三個用來確定 GPS 接收器的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個則提供同步校正時間 [1]。 全球定位系統(tǒng)由三部分構成：太空衛(wèi)星部份：由 24 顆繞極使用衛(wèi)星所組成，分成六個軌道，運行于約 20200 公里的 高空，繞行地球一周約 12 小時。每個衛(wèi)星均持續(xù)著發(fā)射載有衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及時間的無線電波，提供地球上的各種接收機來應用。地面管制部份：這是為了追蹤及控制上述衛(wèi)星運轉(zhuǎn)，所設置的地面管制站，主要工作為負責修正與維護每個衛(wèi)星能保持正常運轉(zhuǎn)的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，以確保每個衛(wèi)星都能提供正確的訊息給使用者接收機來接收。使用者接收機：追蹤所有的 GPS 衛(wèi)星，并實時地計算出接收機所在 位置的坐標、移動速度及時間，各種藍牙 GPS 即屬于此部份。我們通常所說的 GPS, 就是第 3 部分。 它可以實時提供全天候、全球性的三維定位、測速與授 時功能的衛(wèi)星系統(tǒng) ,具有測量精度高、速度快、用戶數(shù)量不限、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點 ,除了可用于軍事領域外 ,還可以廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、野外探險等領域。 自 20 世紀 90 年代 GPS 系統(tǒng)向全世界免費開放以來 , GPS 系統(tǒng)已廣泛應用在導航、大地測量、精確授時、線路巡檢及車輛防盜等領域。接收機是獲得 GPS 系統(tǒng)服務的關鍵設備 ,目前已有從手持式到臺式數(shù)百種型號的接收機可供用戶選擇。通用接收機功能齊全 ,除了信號接收單元外 ,往往還配置有顯示單元和人機對話設備。這一方面為用戶提供了極大的方便但 GPS 定 位接收機價格比較昂貴而且使用靈活性低 ,難以滿足特定條件下的應用需求 ,造成了資金浪費。因此 ,眾多用戶期望按照自己的使用環(huán)境和性能要求設計和使用個性化的GPS 定位接收機。 本文首先介紹了 GPS 系統(tǒng)由來及其發(fā)展、基本概念、 GPS 接收機的工作原理及接收機定位流程。然后對單片機及其串口通信、 GR87 及其 NMEA0183 語句的數(shù)據(jù)格、液晶顯示器進行了詳細論述。并且設置了所需的外圍電路。接著詳細地介紹了該 GPS 接收機的 2 軟件設計過程。通過 C 語言實現(xiàn)了 GPS 信號的提取、顯示及基本的鍵盤控制操作等。經(jīng)過實踐測試 ,這種接收機可以達到基本 GPS 信息接收以及顯示，可以做到方便靈活、優(yōu)質(zhì)價廉、精度高、連續(xù)導航、抗干擾能力強，并可廣泛應用于個人野外旅游探險、出租汽車定位及海上作業(yè)等領域。 第 1 章 GPS 系統(tǒng)簡介及設計方案選擇 GPS 系統(tǒng)簡介 GPS 由來及發(fā)展 導航衛(wèi)星定時測距全球定位系統(tǒng) (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Position System GPS)是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它在 1973 年底由美國陸海空三軍等單位 協(xié)調(diào)分工提出的能取代舊式的導航設備 ,為軍用艦船、飛機車輛等用戶提供全球全天候、連續(xù)實時服務的高精度三維導航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和地面接收機部分組成。定位服務包括精密定位服務 ( PPS)和標準定位服務 (SPS) 。 PPS 授權的精密定位系統(tǒng)用戶需要密碼設備和特殊的接收機。 SPS 對于普通民用用戶 ,供全世界用戶免費、無限制地使用 [2]。 由于 GPS 具有全球覆蓋以及精度高、定位速度快、實時性好、抗干擾能力強等特點 ,近年來在國內(nèi)外得到廣泛的應用 ,在各個領域發(fā)揮了極大的作用 ,已成為信時代不可缺少的一 部分。各種 GPS 民用產(chǎn)品的開發(fā) ,已是經(jīng)濟和社會發(fā)展的必然要求 ,其前景將會非常廣闊和光明 ,尤其是在我國 ,通過這些年來對它認識不斷加深 ,我國的 GPS 開發(fā)應用也一定會以科技力量推動經(jīng)濟和社會發(fā)展的一顆巨星 ,對我國的經(jīng)濟和社會的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。 GPS 定位基本原理 GPS 定位技術的基本原理是采用測量學中通用的測距交會方法． GPS 接收機在某一時刻接收到 4 顆以上的 GPS 衛(wèi)星信號導航電文 , 通過變頻、放大、 濾波等一系列處理過程 ,實現(xiàn) 3 對 GPS 衛(wèi)星號的跟蹤、鎖定、測量 ,從而產(chǎn)生計算位置的數(shù)據(jù) 信息 (包括 :緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向、衛(wèi)星狀況等 ),經(jīng)由 I/O 口輸出串行數(shù)據(jù)． GPS 接收機定位流程 1．搜索可用衛(wèi)星，接收衛(wèi)星信號，與衛(wèi)星信號同步，提取導航電文信息； 2．從導航電文中獲取計算位置所需的信息，這些信息應該包括時鐘信息和星歷等數(shù)據(jù)； 3．計算衛(wèi)星的準確位置，這包括計算衛(wèi)星的高度和方位角，從而進行必要的對流層校正； 4．計算偽距，并進行電離層校正等； 5．重復上述過程，對所有可用衛(wèi)星進行相應的計算； 6．進行其他必要的校正，例如根據(jù)衛(wèi)星信號到達 GPS 接收機的時間，校 正地球旋轉(zhuǎn)所造成的衛(wèi)星位置的偏差； 7．根據(jù)定位原理，計算出 GPS 接收機的初始位置，并將其轉(zhuǎn)換成所需的坐標格式進行顯示或輸出； 8．加入閏秒和 UTC（標準世界時）時間補償計算當前精確的時間； 9．分析可用衛(wèi)星的信息，計算最好的 DOP(Dilution of Precision)，進行選星，并計算和修正 GPS 接收機的位置，給出 GPS 接收機的三維坐標和準確的時間信息。 任務的描述 我們針對全球定位系統(tǒng) GPS，自行研制了一套 GPS 接收機，具有接收、處理、顯示信息能力并能進行鍵盤操作。本設計著重對 NMEA0183 語句的數(shù)據(jù)格式、單片機串行通信、液晶顯示格式進行了詳細論述 ,同時給出了硬件電路和軟件設計。 工作要求：準確地進行定位，顯示出緯度、經(jīng)度、速度、時間、方位角、天空中的衛(wèi)星總數(shù)以及使用的衛(wèi)星數(shù)。通過按鍵可以進行復位與頁面切換功能。 4 設計方案選擇 方案一 系統(tǒng)由 GPSOEM 板、電平轉(zhuǎn)換電路 (MAX232)、控制電路 (8051 單片機 ) 、顯示部分(SED1335 彩色液晶顯示器 )組成。但在和單片機進行串行通信時由于電平不同，必須附加電平轉(zhuǎn)換電路 (MAX232) 而且價格比較昂貴。單 片機采用 8051 功能全面，但其內(nèi)部 ROM一般是掩膜 ROM，不可更新改寫。 SED1335 彩色液晶顯示器其有效顯示點陣為 320 240 ,顯示顏色為 4 色，但根據(jù)我們設計要求，單色顯示完全可以。故不采用。 方案二 系統(tǒng)由 GPS 模塊 (GR87)、控制電路 (89C51 單片機 ) 、顯示部分 (SMC1602 液晶顯示器 )組成。 HOLUX GR87 是一個高性能，低功耗，小型的并且很容易聯(lián)合的 GPS 模塊。該芯片每次將跟蹤 12 枚衛(wèi)星，應用廣泛。而且不用附加電平轉(zhuǎn)換電路，可以直接與單片機進行串行通信。單片機采 用 89C51，其功能完全可以滿足設計要求，而且相對于 8051，其內(nèi)部 ROM 是 FLASHROM，可多次更新改寫，價格也便宜。 1602 字符型液晶模塊是一種用5x7 位圖形來顯示字符的單色液晶顯示器，顯示 2 行 16 個字，可以滿足設計要求而且經(jīng)濟實惠。 可以看出方案二更加實用，根據(jù)現(xiàn)實生活的需要 ,設計采用此方案。 第 2 章 系統(tǒng)硬件設計 課題要求研制的 GPS 接收機要具有接收、處理、顯示信息、鍵盤操作，硬件上必須有相應的接收處理部分、顯示部分和配置輸入部分。同時需要處理器實現(xiàn)各部分功能的聯(lián)結。由于單片機集成度高，系 統(tǒng)結構簡單，價格低廉，同時技術成熟，處理器部分使用單片機實現(xiàn)。 本課題設計的硬件系統(tǒng)主要由：單片機、 GPS 模塊、顯示部分等組成。如圖 21 所示 : 5 圖 21 系統(tǒng)框圖 單片機 硬件核心控制任務是由單片機來完成的，單片機的采用使硬件電路設計大大簡化，而性能更加可靠。目前，可采用的微處理器有很多種 ，如 :MCS5 Me6sol、 280、 eopsoo、等8 位單片機，雖然 16 位單片機在 1982 年已經(jīng)問世，但其發(fā)展并不象人們想象的那樣快，盡管在某些性能指標方面超過了 8 位單片機，但從性能價格比及開發(fā)周期等綜合效益上不如 8 位單片機，因此應用并不普及。 在本次設計中，采用 MCS51 系列單片機，雖然信號處理和計算的功能相對差些，但其結構簡單、體積小、性價比高、可靠性高、功耗小及應用范圍廣，適合于小型化作業(yè)。因此，筆者選擇了 AT89C51 單片機作為微控制器。它具有全雙工異步通信口 ,可與 GR87 接口進行數(shù)據(jù)讀 取 ,處理和輸出。 GPS 信號接收和處理部分與單片機進行串口通信時 ,由于都采用 TTL 電平 ,故兩者之間不需進行電平轉(zhuǎn)換就可直接通信。 GPS 模塊 概述 根據(jù)設計需要， GPS 模塊選用 GR87。 HOLUX GR87 是一個高性能，低功耗，小型的并且很容易聯(lián)合的 GPS 模塊，它每次將跟蹤 12 枚衛(wèi)星，應用廣泛。當 GR87 系統(tǒng)最初的 6 自檢完成后，它開始處理衛(wèi)星所獲得的數(shù)并自動跟蹤。在正常情況下，它需要大約 45 秒達到位置進行定位，但如果 ephemeris 數(shù)據(jù)知道，只用 38 秒即可。在被計算了之后，合法的位置、速度和時間等信息被傳送到輸出通道，通過串口傳送到單片機設備。 GR87 運用最初的數(shù)據(jù)，例如前被存放的位置、日期和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，完成最大獲取。 主要技術參數(shù) 1．輸入電壓： VDC 輸入。輸入電流 ；少于 80 mA (沒有天線 )； 2． RF 接口：天線連接器類型： MMCX， VDC 產(chǎn)品 (任意產(chǎn)品 VCC_IN)； 3．極小的信號跟蹤： 159 dBm； 4．連續(xù)端口： 二個全雙工串行通信 CMOS 3V 接口，可選擇的波特速率 (4800 默認， 9600， 19200， 38400)本設計選用 4800； NMEA 0183 版本 ASCII 輸出 (GGA， GSA， GSV， RMC (VTG，任意的 GLL 和 ZDA))； DGPS 協(xié)議 RTCM SC104 消息類型 1， 2 和 9； SiRF 二進制位置，速度，高度，狀態(tài)輸出。 管腳介紹 表 21 管腳 管腳 管腳名稱 功能描述 1 VCC5V +~ 電量輸入 2 TXA 串行數(shù)據(jù)輸出端口 A （ CMOS 3V： Voh Vol Ioh=Iol=2mA） 3 RXA 串行數(shù)據(jù)輸入端 A (CMOS 3V： Vih≧ *VCC Vil≦ *VCC) 4 RXB 串行數(shù)據(jù)輸入端 B (CMOS 3V： Vih≧ *VCC Vil≦ *VCC) 5 GND 接地 6 時鐘 /復位 時鐘 ： 1PPS時鐘信號輸出 (Vil≦ 7 寬度 10ms)。 復位： 復位輸入 顯示部分 液晶顯示 LCD（ Liquid Crystal Display），是利用液晶材料在電場作用下發(fā)生位置變化，而遮蔽 /通透光線的性能制作成為一種重要平板顯示器件。通常使用的 LCD 器件有 TN 型（ Twist Nematic，扭曲向列型液晶）、 STN 型（ Super TN，超扭曲向列型液晶）和 TFT型（ Thin Film Transistor，薄膜晶體管型液晶）。 TN、 STN、 TFT 型液晶，性能依次增強，制作成本也隨之增加。 TN 和 STN 型常用作單色 LCD。 STN 型可以設計成單色多級灰度 LCD 和偽彩色 LCD， TFT 型常用作真彩色 LCD。 采用 LCM 液晶顯示模塊作為人機交互界面。液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、 PCB 線路板、背光源、結構件裝配在一起的組件。字符型液晶顯示模塊目前在國際上已經(jīng)規(guī)范化，無論顯示屏規(guī)格如何變化，其電特性和接口形式都是統(tǒng)一的。從性價比等方面考慮，這里選用長沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)的字符型液晶顯示模塊SMC1602，它是一種用 5x7 位圖 形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為 1行 16 個字、 2 行 16 個字、 2 行 20 個字等等。本設計以常用的 2 行 16 個字的 1602 液晶屏來構成整個系統(tǒng)的顯示模塊。 SMC1602 采用標準的 16 腳接口，具體定義如下 : 表 22 16 腳接口 引 線 號 符 號 名 稱 功 能 1 Vss 接地 0V 2 VDD 電路電源 5V177。 10% 3 VL 液晶顯示偏壓信號 調(diào)節(jié)對比度 4 RS 寄存器選擇信號 H:數(shù)據(jù)寄存器 L:指令寄存器 8 主要技術參數(shù)： 表 23 技術參數(shù) 顯示容量 16 2個字符 芯片工作電壓 — 工作電流 ()