【正文】 (3)設(shè)計(jì)了 GPS 接收板電路和控制板電路并制作 PCB 板。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的自制電子地圖顯示。第四章提出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)各模塊功能進(jìn)行硬件電路芯片的選擇和線路連接 。 第 2 章衛(wèi)星定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù) GLONASS(格魯納斯 )衛(wèi)星定位系統(tǒng) 該系統(tǒng)是 1982 年底由前蘇聯(lián)開(kāi)始建設(shè)，期間因蘇聯(lián)解體，幾經(jīng)周折最后由俄羅斯于 1996 年建成全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng) (Global Navigation Satellite System GLONASS )。衛(wèi)星運(yùn)行周期 T=11 時(shí) 15 分 (恒星時(shí) 小時(shí) )。CTS 跟蹤遙控著所有 GLONASS 可視衛(wèi)星，對(duì)其進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)的采集和處理，并向各衛(wèi)星發(fā)送控制指令和導(dǎo)航信息。LZ 載波信號(hào)的頻率為 1246^ 1256MHz。 2)定位精度 水平精度 :士 50^70m。 伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng) 為了打破美國(guó) GPS 在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的壟斷， 1999 年歐洲提出了建立伽利略 (Galileo)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的計(jì)劃，這是歐洲開(kāi)發(fā)的最重要的航天計(jì)劃。 20xx 年 10月，中歐 Galileo 計(jì)劃技術(shù)合作協(xié)議在北京正式簽署，中國(guó)投入 2 億歐元參與了這項(xiàng)計(jì)劃 (9l0 系統(tǒng)組成 1)衛(wèi)星星座 :由 3 個(gè)獨(dú)立的圓形軌道， 30 顆中等高度衛(wèi)星 (MEOMiddle Earth Orbit)衛(wèi)星組成 ((27 顆工作衛(wèi)星， 3 顆備用衛(wèi)星 )。 4)定位精度 :導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，出于軍事需要的考慮，中國(guó)必須發(fā)展自己獨(dú)立的系統(tǒng)。 3)標(biāo)校系統(tǒng) :有測(cè)軌、定位、測(cè)高三類標(biāo)校站。 技術(shù)特點(diǎn) 1)服務(wù)區(qū)域 :東經(jīng) 70 度 ~145 度，北緯 50 度 ~55 度 。而兩個(gè)定位球又和地面相交產(chǎn)生兩個(gè)定位圓，用戶必定位于兩個(gè)定位圓相交的兩個(gè)點(diǎn)上 (這兩個(gè)交點(diǎn)一定是以赤道為對(duì)稱軸南北對(duì)稱的 )。2,i=1,2,3 (21)式中，(xi, yi, zi) (i=1, 2, 3)分別表示衛(wèi)星 1, 2 和地球質(zhì)心的坐標(biāo)。北斗定位系統(tǒng)與 GPS 系統(tǒng)的主要區(qū)別在于 :GPS 采用的是非同步多衛(wèi)星定位原理，一般要求獲取 4 顆以上衛(wèi)星位置和到用戶的距離，才可以得到用戶的經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)，其定位處理部分分散到各個(gè)用戶 機(jī)來(lái)完成。按目前的方案， 全球定位系統(tǒng)的空間部分使用 24 顆高度約 20200 千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。用戶設(shè)備部分一 GPS 信號(hào)接收機(jī)。在兩萬(wàn)公里高空 的 GPS 衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵?lái)說(shuō)自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行約二周，繞地球一周的時(shí)間為差兩分鐘 12 恒星時(shí)。 在用 GPS 信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)，為了計(jì)算測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須觀測(cè) 4 顆 GPS 衛(wèi)星，稱為定位星座。 GPS 工作衛(wèi)星的編號(hào)和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。主控站設(shè)在范登堡空軍基地，它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí) 行全面控制。 3)用戶設(shè)備部分一 GPS 信號(hào)接收機(jī) GPS 信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是 :能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的 GPS 信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出 GPS 信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出 GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。目前，世界上有很多廠家生產(chǎn) GPS 接收機(jī)，產(chǎn)品數(shù)目繁多，性能差異也各有千秋 [(6](710 技術(shù)特點(diǎn) 1)定軌精度 :廣播星歷是由美國(guó)本土以及海外軍事基地上的 5 個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算的。法向誤差士 3m。這些信號(hào)分量都是在同一個(gè)基本頻率 FO= 的控制下產(chǎn)生的。 l] e 美國(guó)國(guó) 防部 1992 年宣布在所有 GPS 衛(wèi)星上實(shí)施選擇可用性 (SA,Selective Availability)技術(shù)，降低 C/A 碼的水平定位精度和垂直方向的定位精度，在水平方向上為 100 米，垂直方向上為 156 米。為了盡量降低 SA 政策對(duì)定位精度的影響和盡可能的消除或減少上面提到的誤差，人們提出了差分 GPS 技術(shù)，即 DGPS(Differential GPS)。對(duì)于載波信號(hào)雙頻機(jī)，它能有效的消除電離層延時(shí)誤差，其相對(duì)定位精度可達(dá) :士 ((1 mm+lppm X D )。衛(wèi)星 4 到接收機(jī)之間的距 離。 xi, yi, zi (i=1, 2, 3, 4)一分別為衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 4 在 t 時(shí)刻 的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。應(yīng)用最廣的是美國(guó)的 GPS 全球定位系統(tǒng)，以前由于美軍人為施加了 SA干擾，使美軍之外的用戶只能得到位置精度 100 米，授時(shí)精度 340 納秒的服務(wù)。因此， GLONASS 很難在由 GPS 統(tǒng)治的全球?qū)Ш椒?wù)市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。當(dāng)前在我國(guó)應(yīng)用最多的還是美國(guó)的 GPS 系統(tǒng) yu10 2. 6 GPS 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) GPS 系統(tǒng)是一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng) [[31]。這種方式隱蔽性好，而且可容納無(wú)數(shù)多用戶。 GPS 接收機(jī)根據(jù)NMEA0183 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過(guò)串口傳送到 PC 機(jī)、 PDA等設(shè)備。 系統(tǒng)的組成 GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個(gè)多技術(shù)融合的技術(shù)系統(tǒng)，需要的基礎(chǔ)支持技術(shù)包括GPS 定位技術(shù)、地理信息描述、通信技術(shù)及信息處理技術(shù)等。由于嵌入式操作系統(tǒng)種類繁多，而且?guī)缀趺恳环N操作系統(tǒng)都有自己的一套集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，這些開(kāi)發(fā)環(huán)境相互之間差別較大，而且和應(yīng)用廣泛的 PC 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境也不相同，所以基于嵌入式的開(kāi)發(fā)難度較大，開(kāi)發(fā)周期也相對(duì)較長(zhǎng)，人力、財(cái)力投入較大，適 合并行開(kāi)發(fā)。在開(kāi)發(fā)應(yīng)用上可以將單板機(jī)看作通用 PC 來(lái)處理。相對(duì)于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，單板機(jī)開(kāi)發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。在定位導(dǎo)航過(guò)程中，定位導(dǎo)航終端需存儲(chǔ)大量的歷史定位數(shù)據(jù)，一般常用的單片機(jī) (如 51 單片機(jī)、 MOTOROLA 單片機(jī)等 )自帶的 FLASH ROM 一般為 4K, 8K 等，遠(yuǎn)不能滿足存儲(chǔ)要求。 綜合分析后，由于考慮到開(kāi)發(fā)成本、控制模塊的性能以及調(diào)試和維護(hù)等方面的因素，本設(shè)計(jì)選用方案 3 來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。并通過(guò)單片機(jī)控制液晶顯示屏，根據(jù)提取的有用信息在我們描述的道路中顯示當(dāng)前的測(cè)試點(diǎn)，以達(dá)到定位導(dǎo)航的目的。 第 4 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)終端的總體硬件結(jié)構(gòu) 由于該系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提取和處理，還涉及到導(dǎo) 航定位顯示的問(wèn)題，其主要組成部分是 GPS 接收板， C8051F020 微處理器，時(shí)鐘芯片，穩(wěn)壓電源模塊， OCM12864 顯示屏及外接按鍵、 LED 顯示燈等。由于 GPS 接收機(jī)使用串口與單片機(jī)相連，而連接 PC 機(jī)也要占用單片機(jī)的一個(gè)串口資源，因此所選單片機(jī)必須有兩個(gè)硬件串口。在本次開(kāi)發(fā)中，主要考慮對(duì) C8051F020 的以下功能部件的設(shè)計(jì) : 首先，使用兩個(gè)硬件串口。通過(guò) JTAG 接口與用戶系統(tǒng)直接連接，不再需要另外的仿真工具，可以在線調(diào)試和下載。 2,穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì)，我們采用了精工穩(wěn)壓電源芯片 S1112，可以保證數(shù)據(jù)終端工作穩(wěn)定可靠。此外，還內(nèi)置電源開(kāi) /關(guān)控制電路，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。1a 4. 1. 3 LCD 模塊電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)選擇的是 OCM128641 型 LCD，它是一款 128 列 X64 行的點(diǎn)陣單色字符圖形顯示模塊，它有 8 位并行數(shù)據(jù)接口，模塊內(nèi)藏 64X64 的顯示數(shù)據(jù) RAM，其中的每位數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)于 LCD 屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)也有助于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的組織管理。其它參數(shù) 如下所示 : 性能參數(shù) : L 1 頻率， GPS C/A 碼 4Hz的定位更新速率 一精確度，定位 。它采用新穎的方案來(lái)抑制干擾并降低多基于單片機(jī)的 GPS 導(dǎo)航裝置的設(shè)計(jì)徑效應(yīng)，從而以較低的功耗，在最具挑戰(zhàn)性的室內(nèi)外場(chǎng)所提供出色的服務(wù)。 GND，輸入端接地，接公共地端，大地 。 11. Vwe BAT 輸入端，備用電源，接備用電源，增強(qiáng)熱啟動(dòng)特性，否則接地。如果使用的 是有源天線則在該引腳的輸入端加 100hm 電阻，連到天線偏置電壓或 VCCJ 妞，作為電路短路保護(hù)和天線監(jiān)測(cè) 。 輸入端，串口輸入，最大容許輸入電壓 5V，內(nèi)置上拉電阻到 V BAT。 N 輸入端，硬件復(fù)位，不用時(shí)懸空 。 ， USB 啟動(dòng)時(shí)間配置引腳，不用時(shí)懸空 。一般選用天線的參數(shù)為增益 27dB 左右，噪聲系數(shù) 左右。 ，不用時(shí)懸空。 17. EXTINTO 外部中斷，內(nèi)置上拉電阻到 V BAT，不用時(shí)懸空 。 DP, I/0 口 USB 輸入 /出端。 20. ADDET N 輸入端，有源天線保護(hù)，作為天線監(jiān)測(cè)電路的信號(hào)輸入端，不用時(shí) 懸空。注意引腳到天線間 SOOhm阻抗匹配 。 S. VDDIO 輸入端，為數(shù)字 I/0 引腳提供輸入電壓，必須與 VDD 180UT } VCC 或 其他特定值的電壓源相連，不能懸空，否則輸出端將不工作 。這些特點(diǎn)的組合使此模塊能適應(yīng)包括高性能、低電耗和小體積等關(guān)鍵要求的運(yùn)用場(chǎng)合 [” ]。由一百多萬(wàn)個(gè)相關(guān)器組成的專用捕獲引擎可以在整個(gè)時(shí)間 /頻率空間內(nèi)進(jìn)行搜索，即便在信號(hào)惡劣的條件下也可瞬間找到衛(wèi)星，首次定位時(shí)間小于 1秒，捕獲靈敏度可達(dá) 160dBm?？删幊糖铱膳渲玫?Flash EPROM 為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供了充足的空間。 在硬件設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)思想。因采用 SNT 6A (H(僅限 S1112 系列 )。由于內(nèi)置了低導(dǎo)通電阻晶體管，因而電壓差低，且能夠獲得較大的輸出電流。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)做數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。串口 1 經(jīng)過(guò) SP3223E 電平轉(zhuǎn)換芯片與 PC 機(jī)進(jìn)行通信，串口 0 與 GPS模塊連接，實(shí)現(xiàn)與接收機(jī)的通信。選擇此單片機(jī)作為主控芯片不僅僅是因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)硬件串口而是基于諸多因素考慮 :C8051F020 功能強(qiáng)大，幾乎在單片機(jī)中包括了所有常用的功能 。 4. 1. 1 GPS 接收板的設(shè)計(jì) GPS 接收板作為衛(wèi)星導(dǎo)航電文的接收端，它通過(guò)外接的有源天線將接收來(lái)的 高頻信號(hào)送到 GPS 模塊的 RF 端口，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后將定位數(shù)據(jù)通過(guò)其串口傳送給上位機(jī) [” ]。目前商用的 GPS 模塊，大都支持 16 通道，采用 C/A 編碼，其中最大更新速率為 4Hz，對(duì)于具有授時(shí)功能，或具有 DGPS 差分功能等的模在 價(jià)格上要高出許多。整個(gè)定位導(dǎo)航終端的系統(tǒng)軟件都存放在該單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，它是該終端的“心臟 ”。而且一般常用的51 單片機(jī)本身沒(méi)有看門狗電路，程序在運(yùn)行中遇到干擾容易跑 飛，更增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。單片機(jī)由于具有成本低、控制系統(tǒng)組成靈活方便、調(diào)試方便和維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此獲得廣泛應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)上，單板機(jī)和通用 PC 一樣，可支持通用的 PC 操 作系統(tǒng)，通用 PC 上的應(yīng)用軟件可直接進(jìn)行移植。 (2)基于單板機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案 單板機(jī)即單板計(jì)算機(jī)，又稱嵌入式 PC，它將通用 PC 上的必要資源如微處理器、各種 1/0 端口， PCI 插槽等集成到一個(gè)體積較小的單板上，一因此在性能上和通用 PC 沒(méi)有太大的區(qū)別。 系統(tǒng)方案選取 常見(jiàn)導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案 目前，針對(duì)各種 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)雖然它們的性能有所差異，開(kāi)發(fā)環(huán)境各不相同，但是其實(shí)現(xiàn)方案大致如下 : (1)基于嵌入式的實(shí)現(xiàn)方案 嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng)，其硬件部分包括處理器 /微處理器，存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和 I/0 端口、圖形處理器等 。要對(duì) GPS信息進(jìn)行提取首先要明白其幀結(jié)構(gòu) ( 如圖 22 所示 ):NMEA Protocol Frame$一 }Acidress仁毛 value}_「牛咋曲贖 cksum}CRLF圖 22 NMEA協(xié)議幀結(jié)構(gòu) 本課題中我們所需要的信息比如經(jīng)緯度、經(jīng)緯度方向、 GPS 定位狀態(tài)、和接收信號(hào)的時(shí)間等都可以從“ $GPRMC”幀中獲取，因此下面對(duì)“ $GPRMC”具體幀格式簡(jiǎn)要介紹 : $GPRMC,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12*hhCRLF 1 UTC 時(shí)間， hhmmss(時(shí)分秒 )格式 2定位狀態(tài)， A=有效定位， V 二無(wú)效定位 3緯度 (度分 )格式 (前面的 0 也將被傳輸 ) 4緯度半球 N(北半球 )或 S(南半球 ) 5經(jīng)度 (度分 )格式 (前面的 0 也將被傳輸 ) 6經(jīng)度半球 E(東經(jīng) )或 W(西經(jīng) ) 7地面速率 (^ 節(jié)，前面的 0 也將被傳輸 ) 8地面航向 (^ 度，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的 0 也將被傳輸 ) 9 UTC 日期， ddmmyy 舊月年 )格式 10磁偏角 ( 度，前面的 0 也將被傳輸 ) 11磁偏角方向， E(東 )或 W(西 ) 12模式指示 (僅 NMEA0183 版本輸出， A=自主定位， D=差分， E 二估算， N 二數(shù)