【正文】 在 GPS 接收機(jī)的二次開發(fā)過程中 , 我們采用了單片機(jī)擴(kuò)展的方式 , 并利用單片機(jī)作為中間媒介向微機(jī)提供信息服務(wù)。 單片機(jī)概述 ． 1 單片機(jī)主流產(chǎn)品系列 MCS51單片機(jī)是美國 INTEL公司于 1980年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有8031（內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）、 8051（芯片采用 HMOS，功耗是 630mW，是 89C51的 5倍，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）和 8751等通用產(chǎn)品。 89S51在工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，89S51采用 ，成本降低 ,而且將功能提升 ,增加了競爭力。本次項(xiàng)目主控單元采用的是 AT89S52,51跟 52的主要區(qū)別在于，多了一個(gè)定時(shí)器 2， RAM變成 256byte,FLASH變成 8k。其實(shí)單片機(jī)應(yīng)用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣，微控制技術(shù)將不斷發(fā)展完善。 物理上分為： 4個(gè)空間，即片內(nèi) ROM、片外 ROM、片內(nèi) RAM、片外 RAM 邏輯上分為： 3個(gè)空間， 即程序內(nèi)存（片內(nèi)、外）統(tǒng)一編址 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片內(nèi)） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片外） 8 （ 1） .程序存儲(chǔ)器 一個(gè)微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務(wù)，除了它們強(qiáng)大的硬件外，還需要運(yùn)行的軟件，其實(shí)微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預(yù)先編寫的程序而執(zhí)行。但在程序存儲(chǔ)中有些特殊的單元，這在使用中應(yīng)加以注意：其中一組特殊是 0000H— 0002H單元，系統(tǒng)復(fù)位后， PC為 0000H，單片機(jī) 從 0000H單元開始執(zhí)行程序，如果程序不是從 0000H單元開始，則應(yīng)在這三個(gè)單元中存放一條無 條件轉(zhuǎn)移指令，讓 CPU直接去執(zhí)行用戶指定的程序。 001BH— 0022H定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1中斷地址區(qū)。但是通常情況下，每段只有 8個(gè)地址單元是不能存下完整的中斷服務(wù)程序的，因而一般也在中斷響應(yīng)的地址區(qū)安放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，指向程序存儲(chǔ)器的其它真正存放中斷服務(wù)程序的空間去執(zhí)行 ,這樣中斷響應(yīng)后， CPU讀到這條轉(zhuǎn)移指令，便轉(zhuǎn)向其他地方去繼續(xù)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 MCS51的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。從下圖中可清楚地看出它們的結(jié)構(gòu)分布。 表 21 PSW與工作寄存器關(guān)系 (RS!) (RS0) 工作寄存器區(qū) 0 0 0區(qū) 00H— 07H 0 1 1區(qū) 08H— 0FH 1 0 2區(qū) 10H— 17H 1 1 3區(qū) 18H— 1FH 特殊 功能寄存器（ SFR）也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器反映了 MCS51 單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。位尋址區(qū)共有 16個(gè)字節(jié)， 128個(gè)位，位地址為 00H— 7FH。 ～ （ 39～ 32腳）： 8位漏極開路的三態(tài)雙向輸入 /輸出口。作為輸出口時(shí)，由于電路內(nèi)部已經(jīng)帶上拉電阻，因此 P1 P2 S1 P2 指令周期機(jī)器周期 S2S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2XTAL2 (OSC) 振蕩周期 時(shí)鐘周期 無需外接上拉電阻；作為輸入口時(shí)，也需先向鎖存器寫入“ 1”。 P2口可作為通用 I/O口使用，也可作為高位地址線使用的。定時(shí)器在本次項(xiàng)目中需要 用到地方較多。 TMOD和 TCON這兩個(gè)特殊功能寄存器的格式參見下表： 表 22 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的方式控制字 TMOD D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 TI方式字段 TO方式字段 表 23 定時(shí)器控制寄存器 TCON D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 MCS51的定時(shí) /計(jì)數(shù)器共有四種工作方式，我們將逐個(gè)了解下，并著重介紹 本次項(xiàng)目采用的工作方式 2。 12或 (213— 計(jì)數(shù)初值 )179。 12或（ 216— 計(jì)數(shù)初值）179。在這種工作方式中， 16位計(jì)數(shù)器分為兩部分，即以 TL0為計(jì)數(shù)器，以 TH0作為預(yù)置寄存器，初 始化時(shí)把計(jì)數(shù)初值分別加載至 TL0和TH0中，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，不再象方式 0和方式 1那樣需要“人工干預(yù)”，由軟件重新賦值，而是由預(yù)置寄存器 TH以硬件方法自動(dòng)給計(jì)數(shù)器 TL0重新加載。也可以當(dāng)作串行數(shù)據(jù)通信的波特率發(fā)送器使用。其功能和操作與方式 0或方式 1完全相同。這個(gè)通信口既可以用于網(wǎng)絡(luò)通信，亦可實(shí)現(xiàn)串行異步通信，還可以構(gòu)成同步移位寄存器使用。此時(shí)也得象人的思維一樣停下某一樣（或幾樣）工作先去完成一些緊急任務(wù)的中斷方法。 MCS51提供了 5個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)控制，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)中斷服務(wù)嵌套。不同的中斷源、 不同的中斷要求有不同的中斷處理方法，但它們的處理流程一般都如下所述： （ 1） .現(xiàn)場保護(hù)和現(xiàn)場恢復(fù) 中斷是在執(zhí)行其它任務(wù)的過程中轉(zhuǎn)去執(zhí)行臨時(shí)的任務(wù)，為了在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，回頭執(zhí)行原先的程序時(shí)，知道程序原來在何處打斷的，各有關(guān)寄存器的內(nèi)容如何，就必須在轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序前，將這些內(nèi)容和狀態(tài)進(jìn)行備份 — 即保護(hù)現(xiàn)場。 （ 3） .中斷服務(wù)程序 既然有中斷產(chǎn)生，就必然有其具體的需執(zhí)行的任務(wù)，中斷服務(wù)程序就是執(zhí)行中斷處理的具體內(nèi)容，一般以子程序的形式出現(xiàn)，所有的中斷都要轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，進(jìn)行中斷服務(wù)。 TI： MCS51串行口的發(fā)送中斷標(biāo)志，在串行口以方式 0發(fā)送時(shí)，每當(dāng)發(fā)送完 8位數(shù)據(jù)，由硬件置位。 RI為 1 表示串行口接收器正向 CPU申請中斷。 IT1=1，邊沿觸發(fā)。對(duì)于中斷控制，已經(jīng)對(duì) TCON和 SCON進(jìn)行了分析，其實(shí)它們兩個(gè)寄存器也是中斷的控制寄存器，負(fù)責(zé)對(duì)中斷的部分功能進(jìn)行控制。 ES:串行口中斷控制位， ES=1允許串行口中斷， ES=0，屏蔽串行口中斷。 ET0:定時(shí) /計(jì) 數(shù)器 T0中斷控制位。這就是優(yōu)先級(jí)寄存 IP的作用了， IP的格式如下，字節(jié)地址是 B8H。 PX1:外中斷 1優(yōu)先級(jí)控制位。 PX0:外中斷 0優(yōu)先級(jí)控制位。值得一提的是，各中斷區(qū)只有 8個(gè)單元，一般情況下（除非中斷程序非常簡單），都不可能安裝下一個(gè)完整的中斷服務(wù)程序。 避免 90176。還要注意地線的電源的共用問題。傳輸 CPU 對(duì) 8251A 的編程命令字和 8251A 送往 CPU 的狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)。該信號(hào)也可看作是 8251A 數(shù)據(jù)口 / 控制口的選擇信號(hào)。 TXE ：發(fā)送器空信號(hào)， TXE 為高電平時(shí)有效，用來表示此時(shí) 8251A 發(fā)送器中并行到串行轉(zhuǎn)換器空，說明一個(gè)發(fā)送動(dòng)作已完成。 8251A 與外部設(shè)備之間的連接信號(hào) 8251A 與外部設(shè)備之間的連接信號(hào)分為兩類 ： (1) 收發(fā)聯(lián)絡(luò)信號(hào) ：數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好信號(hào)，通知外部設(shè)備， CPU 當(dāng)前已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。 實(shí)際使用時(shí)，這 4 個(gè)信號(hào)中通常只有 必須為低電平，其它 3 個(gè)信號(hào)可以懸空。用來接收外設(shè) 送來的串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進(jìn)入 8251A 后被轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿蟹绞健? TXD ：發(fā)送器時(shí)鐘輸入，用來控制發(fā)送字符的速度。 VCC ：電源輸入 GND ：地 21 圖 211 8251的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 74ls373 74LS373是八 D鎖存器 (3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性 ) ，常應(yīng)用在地址鎖存及輸出口的擴(kuò)展中。 工作原理： 74LS373的輸出端 O0~O7可直接與總線相連。當(dāng) LE為低電平時(shí)， O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 GPS工作衛(wèi)星星座（ BlockⅡ）共有 24顆衛(wèi)星，其中 3顆為備用衛(wèi)星可隨時(shí)替代發(fā)生故障的其它衛(wèi)星。從一個(gè)軌道面的衛(wèi)星到下一個(gè)軌道面的衛(wèi)星間錯(cuò)動(dòng) 40176。 圖 32 GPS星座示意圖 GPS衛(wèi)星的基本功能是： 1)接收和儲(chǔ)存來自地面監(jiān)控站的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。 5)在地面監(jiān)控站的指令下 ，通過推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。每個(gè)監(jiān)測站配有 GPS接收機(jī)，對(duì)每顆衛(wèi)星長年連續(xù)不斷地進(jìn)行觀測，每 6秒進(jìn)行一次偽距測量和積分多普勒觀測，采用氣象要素等數(shù)據(jù)。空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶廣泛應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)，而用戶只有通過用戶設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用 GPS導(dǎo)航和定位的目的。用戶設(shè)備的主要任務(wù)是，接收 GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線信號(hào)，以獲得必要的定位信息及觀測量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理而完成定位工作。用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻 接收到 3 顆以上的 GPS 衛(wèi)星信號(hào) , 測量出測站點(diǎn)至衛(wèi)星的距離 , 并通過導(dǎo)航電文解算出該時(shí)刻 GPS 衛(wèi)星空間坐標(biāo) , 據(jù)此 , 采用距離交會(huì)算法 , 得出接收機(jī)天線中心的空間位置坐標(biāo)。本文主要用后一種即 NMEA0183格式。軟件包括內(nèi)軟件和外軟件，內(nèi)軟件是與接收機(jī)融為一體的控制接收機(jī)信號(hào)、對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測量，以及自動(dòng)操作的程序等 。 26 圖 34 GPS接收機(jī)的基本構(gòu)成 下面對(duì)其主要功能作簡要介紹。前置放大器是一種關(guān)鍵性元件，它直接影響著信噪比。通道由硬件和軟件組成。同時(shí)相關(guān)型通道也廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的 GPS接收機(jī)中。輸入各種指令，以控制屏幕顯示等。下面以碼相關(guān)型通道的工作方式為例，來闡述接收機(jī)的基本工作原理。碼跟蹤回路從 C/A碼或 P碼中提取偽距觀測量 ，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以獲取導(dǎo)航電文和載波。此時(shí)，如果把衛(wèi)星信號(hào)和復(fù)制碼混頻，并將混頻后的信號(hào)通過帶通濾波器濾去衛(wèi)星信號(hào)中的偽隨機(jī)噪聲碼，便可獲得只具有數(shù)據(jù)碼 (導(dǎo)航電文 )和載波的信號(hào)。碼相關(guān)通道既可進(jìn)行偽距測量，又可進(jìn)行載波相位測量，并能獲得導(dǎo)航電文，信噪比也較好，因此目前接收機(jī)普遍采 用這種通道。新型的 GPS接收機(jī)綜合了相關(guān)技術(shù)和平方技術(shù)，可以提供多種導(dǎo)航和定位信息等。 41mm179。 （ 2） 跟蹤性能 29 跟蹤能力：同時(shí)跟蹤 12顆衛(wèi)星 波跟蹤（載波輔助跟蹤） L1波段（ ）， C/A碼（ 速率）＋載 小于 1米差分精度 獨(dú)特的速度濾波器，無靜態(tài)漂移 首次定位時(shí)間（ TTFF）短 （ 3） 捕獲時(shí)間 TTFF典型重捕獲時(shí)間 ， TTFF典型溫啟動(dòng) 15秒，典型初始化啟動(dòng) 45秒；TTFF典型冷啟動(dòng) 120秒。 （ 6） 動(dòng)態(tài)性能 高度：－ 1000～ 60000英尺 速度 ： 515米 /秒 加速度 ： 6g （ 7） 物理特性 基準(zhǔn)面： 189種標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面， 5種 用戶自定義基準(zhǔn)面，缺省為 WGS－ 84 電源：直流＋ 5177。板上自帶超大容量電容。 10）插頭，射頻： OSX（或 MCX型， 超小型，搭鎖式） TTL接口；差分 GPSRTCM SC－ 104（ ROCKWELL二進(jìn)制和 NMEA兩種格式） GARMIN 公司 的 GPS25 板 （ 1） 產(chǎn)品簡介 30 GARMIN公司在提供各種類型的 GPS成品的同時(shí) ,還提供一系列的最經(jīng)典的GPS OEM板產(chǎn)品。 （ 2） 跟蹤性能 12并行通道，瞬間鎖定可視衛(wèi)星 長壽命后備鋰電使重捕速度更快 全屏敝封裝具備優(yōu)秀抗電磁干擾特點(diǎn) （ 3） 定位時(shí)間 熱 啟 動(dòng)： 15sec 冷 啟 動(dòng) ： 45sec 重新捕獲： 2sec 自動(dòng)搜索： 90sec （ 4） 數(shù)據(jù)特性 更 新 率： 1/sec1/900sec可調(diào) 坐標(biāo)系統(tǒng)： 106個(gè)預(yù)定義 ,1個(gè)自定義 接 口：兩個(gè) RS232兼容串行口 CMOS 格 式： NEMA ASCII/二進(jìn)制可設(shè)置 輸入數(shù)據(jù)：初始位置 /日期 /時(shí)間 ,2D/3D方式 ,坐標(biāo)系統(tǒng) ,RTCM104差分校正輸出數(shù)據(jù)：速度、時(shí)間、機(jī)器 /衛(wèi)星狀態(tài)、幾何因子及誤差估計(jì) （ 5） 精 度 : 位置精度： 15mRms(SA off)/10m(差 分 ) 時(shí)間精度： 1PPS秒脈沖輸出精度可達(dá)到士 1us 速度精度： （ 6） 動(dòng)態(tài)性能 速 度： 515m/s 加 速 度： 6g 高 度： 18,000 米 （ 7） 物理特性 尺 寸： ** 重 量： 40克 電。在車輛調(diào)度、精細(xì)農(nóng)業(yè)、高速追擊、普通授時(shí)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 71179。 后備電源：外部＋ 5V177。 輸出信息：經(jīng)度、緯度、高度、速度、航向、時(shí)間、載波相位、自檢等幾十個(gè)數(shù)據(jù)的 十幾條組合輸出信息（ Rockwell二進(jìn)制格式），輸出間隔可調(diào)， NMEA－ 0183，天線：可配有源微帶扁片天線模塊，接收板提供電源（ 25mA，5V），或配無源 天線（電纜損耗 3db）。 021/031保持了 371/381原有的 12個(gè)并行通道和高靈敏度 RF部分，再加上其獨(dú)具特色的內(nèi)部 DSP及控制處理軟件，使Jupiter捕捉和重捕衛(wèi)星的能力更加迅速，航跡平滑和高效率導(dǎo)航更可靠，即使在城市和樹林中， Jupiter 021/031也能定位自如?？煞奖?、自主地開發(fā)出各種 GPS應(yīng)用系統(tǒng)。此時(shí)，為了獲得 L2載波的相位觀測量可利用平方技術(shù)。它利用壓控振蕩器使接收機(jī)振蕩器所產(chǎn)生的參考載波相位與接收機(jī)的載波相位保持一致，當(dāng)兩信號(hào)的相位保持一致時(shí)，載波跟蹤回路便鎖住了載波信號(hào)，這時(shí)通過對(duì)載波信號(hào)的測量，進(jìn)一步獲得