【正文】 .............................. 43 參考文獻 ......................................................................... 44 附錄 ............................................................................. 45 1 第一章 緒論 課題 背景及意義 1978 年 2 月 22 日第一顆 GPS 試驗衛(wèi)星的入軌運行，開創(chuàng)了以導(dǎo)航衛(wèi)星為動態(tài)已知點的無線電導(dǎo)航定位的新時代。不僅如此， GPS 衛(wèi)星的入軌運行，還為大地測量學(xué)、地球動力學(xué)、地球物理學(xué)、天體力學(xué)、載人航天學(xué)、全球海洋學(xué)和全球氣象學(xué)提供了一種高 精度、全天時、全天候的測量新技術(shù)。 GPS 技術(shù)的航空應(yīng)用 GPS 技術(shù)在航空方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在： 民航飛機的在途自主導(dǎo)航；飛機精密著陸；飛機空中加油控制；飛機編隊飛 行的安全保護；航空援救的搜索和定點測量；機載地球物理勘探；飛機探測災(zāi)區(qū)大小和標(biāo)定測量；攝影和遙感飛機的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿態(tài)參數(shù)測量 等 。所以 基于 這種情況 下， 本次設(shè)計針對普通用戶使用 GPS 的切實需要，設(shè)計并制作 基于單片機 的 GPS定位信息顯示系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國獨 霸全球戰(zhàn)略的重要組成 部分 。 這三部分的相互關(guān)系 如圖 所示。 Block2 衛(wèi)星如圖 所示。 由于衛(wèi)星的位置精確可知，在 GPS 觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收 設(shè)備 的距離， 根據(jù) 三維坐標(biāo)中的距離公式，利用 3 顆衛(wèi)星，就可以組成 3 個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)。 為 了達(dá)到更高 的 定位精度， 往往還 采用 了 差分 GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站 (差分臺 )進行 GPS 觀測，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測值進行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā) 布。在接收 GPS 信號方案上 可以有兩種選擇。 從上面的分析可以知道，選擇 GPS 接收模塊就能夠很好的作為本次設(shè)計接收 GPS定位信息的解決方案，因此我選擇第二種方案 來 完成本次設(shè)計。用戶通過輸入輸出接口，與 GPS 接收模塊進行信息交換 ，實現(xiàn)功能 。該 GPS 定位 信息顯示系統(tǒng)硬件 部分 主要由以下幾個部分 組成： (1) 接收部分：以 SiRF Star II GPS 接收模塊 為核心的 GPS 接收機； (2) 控制電路：由 51 單片機作為微處理器控制 GPS 信號； (3) 顯示部分： OLED 液晶顯示模塊； (4) 電源電路部分 :用以提供系統(tǒng) 工作時所必須的電 。 SiRF Star II GPS 接收模塊主要由變頻器、信號通道、存儲器、中央處理器和輸入輸出接口構(gòu)成。 8 第 三 章 基于單片機的 GPS 硬件 電路 設(shè)計 基于單片機的 GPS 硬件 電路 總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)總體設(shè)計方案 ， 該 基于單片機的 GPS 硬件 電路 設(shè)計 主要由 GPS 信號接收部分（ SiRF Star II GPS 信號接收模塊）、控制芯片（ STC89C516RD+單片機）、顯示部分（ OLED液晶顯示模塊）這幾部分構(gòu)成。 STC89C516RD+引腳 如圖 所示： 9 圖 STC89C52 引 腳圖 其 引腳 說明 如下： (1) 主電源引腳（ 2 根） ： VCC(Pin40)：電源輸入，接 ＋ 5V 電源 ； GND(Pin20)：接地線 。 P0 口（ Pin39～ Pin32） ： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ ； P1 口（ Pin1～ Pin8） ： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ ； P2 口（ Pin21～ Pin28） ： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ ； P3 口（ Pin10～ Pin17） ： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 。內(nèi)部方式的時鐘電路如圖 (a) 所示，在 RXD 和 TXD 引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度 ，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動 [6]。若使用頗率為 6MHz 的晶振，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過 4us 才能完成復(fù)位操作。 主要使用到 的引腳如圖 所示。 該模塊實物圖如圖 所示。 GSW2 模塊化軟件很容易集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，并提供功能強大的開發(fā)環(huán)境。 該芯片的主要特征如表 所示。 目前 OLED 顯示屏廣泛用于手機、 MP工控顯示設(shè)備上，具有亮度高、顯示精 度高、功耗低等特點 OLED 液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192 個中文漢字（ 16X16 點陣）、128 個字符（ 8X16 點陣）及 64X256 點陣顯示 RAM（ GDRAM） 。 16 圖 GPS硬件電路圖 17 第 四 章 基于單片機的 GPS 軟件設(shè)計 GPS 數(shù)據(jù)包介紹 輸出數(shù)據(jù)格式 GPS 上電后，每隔一定的時間就會返回一定格式的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為： $信息類型， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x， x 每行開頭的字符都是‘ $’ ， 接著是信息類型，后面是數(shù)據(jù)，以逗號分隔開。 ，我們需要把它轉(zhuǎn)換成度分秒的格式，計算方法： 如接收到的緯度是： / 100 = 可以直接讀出 45 度 – 45 * 100 = 可以直接讀出 46 分 – 46 = * 60 = 讀出 24 秒 所以緯度是： 45 度 46 分 24 秒。 首先介紹測試前的準(zhǔn)備（ TTL 轉(zhuǎn)接板） GPS 的工作模式是 電源通電即從其 TXA 腳上輸出 NMEA 格式的數(shù)據(jù)包（剛啟 動和沒有信號的情況下數(shù)據(jù)包是無效的）因此使用時只需要給 GPS 提供 5V 供電 并將 GPS 的 TXA 引腳接到單片機或者 TTL 轉(zhuǎn) USB 小板 （或者 TTL 轉(zhuǎn) DB9 小板） 的 RXD 上就行，而 GPS 的 RXA（ RXD）引腳則用不上 硬件準(zhǔn)備 使用串口助手測試 GPS 時需要有 TTL 轉(zhuǎn) USB 或者 TTL 轉(zhuǎn) DB9 的轉(zhuǎn)接小板 （帶 DB9 口的可不使用轉(zhuǎn)接板，但是部分 GPS 的 DB9 口是針座的 （公頭），因為設(shè) 計的時候主要是為了兼容單片機及 ARM 開發(fā)板，由于臺式機上的 DB9 串口座也 是公頭的，因此需要一根母對母的串口線來連接 GPS 與電腦），本店有 TTL 轉(zhuǎn) USB 小板 由于 51 單片機開發(fā)板下載電路是通過 RS232 轉(zhuǎn) TTL 的 MAX232 （或者 是 STC232）芯片或者是 USB 轉(zhuǎn) TTL 的 PL2303 芯片來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的，因此可以借用該 電路實現(xiàn) GPS 與電腦的通信。 拔下開發(fā)板電源線，并取下單片機。如果需要使用 5V 電源請從圓孔插座接入或者按照下圖二所示的“ 5V 電源正極”排針接入，負(fù)極可從圖一所示的任一 GND 引腳接入。 (3)打開串口 點擊打開串口如果波特率和端口都設(shè)置正確了的話即可獲得數(shù)據(jù)包，如下圖所示： 24 串口助手收到的數(shù)據(jù)包（無效定位） 仔細(xì)研究過就會知道，上面的數(shù)據(jù)包是無效的，因為可以看到 GPRMC 數(shù)據(jù)包的第 2部分“定位 狀態(tài)”是“ V”， GPGGA 的 6是“ 0”。 只需在軟件中設(shè)置串口號和波特率并打開串口就可以了，需要注意的是， JNav GPS Analyzer 有一個自動波特率選擇功能，可以自 動找到 GPS 的波特率， 如下圖所示。 基于單片機的 GPS 定位系統(tǒng) 軟件開發(fā)環(huán)境 ― Keil uVision2 8051 開發(fā)工具 Keil uVision2 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使 用接近于傳統(tǒng) C 語言的語法來開發(fā)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢， 它 還能嵌入?yún)R編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入。 uVision2 IDE 可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境 [11]。產(chǎn)生目標(biāo)程序的源文件構(gòu)成 “ 組 ” 。 uVision2可以為片外存儲器產(chǎn)生必要的連接選項：確定起始地址和規(guī)模 [13]。 DAVE工程可被直接輸入uVision2。 (2) 斷點 uVision2 允許用戶在編輯時設(shè)置程序斷點（甚至在源代碼未經(jīng)編譯和匯編之前） ，用戶啟動 V2 調(diào)試器之后，斷點即被激活。 內(nèi)部函數(shù)：如 printf, memset, rand 及其它功能的函數(shù) ； 信號 函數(shù)：模擬產(chǎn)生 CPU 的模擬信號和脈沖信號 ； 用戶函數(shù)：擴展指令范圍，合并重復(fù)動作。 DDE界面和 shift語 言支持自動程序測試。它要求目標(biāo)系統(tǒng)具備 6字節(jié)堆?？臻g ,6KB的代碼 ROM和 256字節(jié) Xdata RAM。 31 MCB517AC板含高性能 InfineonC517A單片機 ,它提供標(biāo)準(zhǔn) 8052外圍設(shè)備和 A/D轉(zhuǎn)換器 ,PWM,搜索 ／ 比較 ,8位數(shù)據(jù)指針 ,一個高速運算單元 [15]。 (1) 運行 Keilc51進入編輯界面，如圖 。 圖 選擇單片機型號 (5) 單擊“ Target 1”前面的“ +”號，然后在“ Source Group 1”上單擊右鍵，彈出如圖 。生成的*.HEX文件即可作為下載程序使用 [13]。 其程序流程圖如圖 所示。 //基本指令操作 delay(5)。 LCD_RW = 0。 P0 = cmd。 LCD_EN = 0。 P0 = dat。 LCD_EN = 0。 Lcd_WriteCmd(0x30)。 Lcd_WriteCmd(0x01)。} else if (X==1) {X=0x90。 Lcd_WriteCmd(pos)。\039。其識別程序如下： if (GPS_RMC_Parse(rev_buf, amp。 gps_flag = 0。 error_num = 20。 REV_NO。 (1) 檢查所設(shè)計的硬件電路板所有的器件和引腳是否正確。 (2) 將仿真插頭插入單片機插座進行調(diào)試，檢查各接口是否滿足設(shè)計的要求。軟件 調(diào)試是一個模塊一個模塊進行的，首先單獨調(diào)試各子程序是否能夠按照預(yù)期的功能，接口電路的控制是否正常，最后調(diào)試整個程序，尤其注意的是各模塊間能否正確的傳遞參數(shù)。 40 實驗結(jié)果 經(jīng)過軟件 部分 和硬件部分的調(diào)試，最后實現(xiàn)了其功能 。谷歌地圖顯示這個位置的經(jīng)緯度如圖 所示。 由于我所選用的 GPS 接收模塊的版本比較低，而且在實驗過程中有其他 因素 干擾，比如天氣方面和電離層的影響， 以及在谷歌地圖上點選的位置有誤差，最終使得我所測量的結(jié)果與谷歌地圖之間有 些許 誤差，但是誤差是能夠被接受的， 因此，本次 試驗結(jié)果是可靠、有效的，滿足設(shè)計要求。 本次畢業(yè)設(shè)計，主要是了解 GPS 的原理，熟悉 GPS 接收機的工作原理及其各部分工作流程。提高是有限的但也是全面的，正是這一次設(shè)計讓我積累了無數(shù)實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好地被知識武裝起來，讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中有更好的應(yīng)變能力，更強的溝通力和理解力。 43 致謝 本課題是在石長華 老師的悉心指導(dǎo)下完成的，論文從選題到寫作及最后成稿， 石長華老 師都給予了我精心的指導(dǎo)和極大的幫助。 此外，我還要對在這次設(shè)計中，幫助和支 持我的同學(xué)，表示感謝！ 朱建民 2020 年 11 月于 景德鎮(zhèn) 學(xué)院 44 參考文獻 [1] 劉基余 .GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法 [M]， 北京：科學(xué)出版社， 2020. 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