【正文】 +(Z，一Zo)2=R。全球定位系統(tǒng)是在子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng)?？臻g部分的三顆備用衛(wèi)星，可在必要時根據(jù)指令代替發(fā)生故障的衛(wèi)星，這對于保障GPS空間部分的正常高效的工作極為重要。監(jiān)控站的主要任務是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。 2) GPS信號包含有三種信號分量，即載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。由于美國SA政策(雖然美國己經(jīng)宣布取消了SA，但是美國政府隨時可能起用SA政策)，民用的定位精度，這樣的精度在車輛導航系統(tǒng)中，往往會出現(xiàn)車子在A道路上，在監(jiān)控中心的電子地圖上卻顯示出車輛在B道路上行駛的問題。同時收集到至少四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)時就可以解算出三維坐標、速度和時間(如圖21所示)[301a 假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定四個方程式(如公式22所示): 上述四個方程式中待測點坐標x, y, z和vto為未知參數(shù)，其中di=cAti Q I, 2,3, 4), di (i=1, 2, 3, 4)分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星3,由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x, y, z和接收機的鐘差Vt0 0 隨著衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的發(fā)展和應用，衛(wèi)星導航技術(shù)現(xiàn)已基本取代了無線電導航、天文導航等傳統(tǒng)導航技術(shù)，己成為一種普遍采用的導航定位技術(shù)，并在精度、實時性、全天候等方面取得進步。雖然伽利略導航系統(tǒng)主要用于民用，且在導航精度上要優(yōu)于其他系統(tǒng)，但是目前該系統(tǒng)正處于系統(tǒng)開發(fā)以及相關(guān)技術(shù)的驗證階段，離實用還有一段距離。 NMEA協(xié)議是為了在不同的GPS(全球定位系統(tǒng))導航設備中建立統(tǒng)一的BTCM(海事無線電技術(shù)委員會)標準，由美國國家海洋電子協(xié)會(NMEAThe National MarinElectronics Association)制定的一套通訊協(xié)議。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件和應用程序編程。對于大多數(shù)開發(fā)人員來說，在單板機上進行應用程序開發(fā)比較容易掌握，而且開發(fā)難度小。但是選用具有功能強大的C8051F系列單片機就彌補了以上不足。本系統(tǒng)選用的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊是LEA5W `l o 顯示面板的選擇目前多利用是LCD液晶顯示或者LED發(fā)光二級管顯示，本系統(tǒng)出于亮度和動態(tài)性能的要求，選擇的是OCM128641點陣液晶顯示模塊，它是一款128列64行的點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)都對應于LCD屏上一個點的亮、暗狀態(tài)。與普通的8051有相同的內(nèi)核，開發(fā)容易，而且支持C語言源程序調(diào)試?？紤]到其數(shù)字內(nèi)存的大小和實際需要，外擴了一片容量為8K的數(shù)據(jù)存貯器芯片62640 1, RS232C串口模塊設計 RS232C串口模塊采用SIPEX公司的SP3223E. SP3223E主要功能是連接單片機與 PC機實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。TO235小型封裝，故可高密度安裝}139。運行溫度范圍為一40到850。其結(jié)構(gòu)(如圖43所示): 圖43 GPS模塊功能結(jié)構(gòu)組成LEASH各引腳功能介紹:電源部分:6. VCC電源輸入，允許的最大紋波電源為Vcc=SOmVpp。19. V ANT輸入端，天線偏置電壓，如使用的是無源天線，則接地。系統(tǒng)部分:12. BOOT INT輸入端，啟動模式。 天線選用3V供電的有源天線，其外觀和內(nèi)核結(jié)構(gòu)(如圖4一所示)。它不僅穩(wěn)壓精度高，而且壓差較小，省電，而且輸出紋波極小，對整機的干擾也小。我們將此信號通過三極管放大后接LED的一端，另一端則通過上拉電阻接++5V。 。與以往的8051系列單片機相比，C8051F020具有幾個明顯的優(yōu)點:(1)提高了指令的運行速度 C8051F020系列采用CIP51的CPU模式，廢除了8051機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位。R ST弓}腳。該存儲器可按512字節(jié)為一扇區(qū)，編程可以在線編程且不需在片外提供編程電壓，該程序存儲器未用到的扇區(qū)均可由用戶按扇區(qū)作為非易失性數(shù)據(jù)的存儲區(qū)。的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。 C8051 F020單片機的接口電路設計 C8051F020的外圍電路包括時鐘電路、復位電路、JTAG接口電路、單片機與液晶模塊的接口電路。單片機與GPS模塊都具有異步串行接口，}，}。在應用RS232C時必須了解RS232C的連接，才能正確使用。在正常運行模式下，若芯片在接收引腳沒有檢測到有效信號，將自動進入SHUTDOWN模式，此時耗電luAo在ONLINE功能有效時，如果監(jiān)測到接收或發(fā)送引腳有信號輸入，該芯片自動被激活而轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核(可達25MIPS )。4. PCB抗干擾設計1合理的設置插接件，電源插接件與信號插接件之間保持一定的距離，在接插座上增加接地針數(shù)。并且兩面的線條要盡量垂直。3今采用設置程序監(jiān)視器(Watchdog一看門狗)有效的解決死循環(huán)問題。當CLKSL() 1時，由外部振蕩器產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘SYSLCK[21[231 o在本設計中采用外部振蕩器驅(qū)動電路產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，MCU復位后一旦檢測到外部振蕩器控制寄存器(OSCXCN)的最高位為高電平，就說明晶體振蕩器運行穩(wěn)定，就可以由內(nèi)部振蕩器轉(zhuǎn)換為外部晶體振蕩器。//等待晶振頻率穩(wěn)定，至少lms while ((OSCXCNamp。不管交叉開關(guān)是否將引腳分配給外設，讀 一個端口數(shù)據(jù)寄存器(或端口位)將總是返回引腳本身的邏輯狀態(tài)。因此，端口數(shù)據(jù)寄存器和端口輸出方式寄存器(PnMDOUT)的值對這些引腳的狀態(tài)沒有影響。//選擇TXO. , XBRl=0x00。通過設置SCONO寄存器中的配置位選擇不同方式，這四種方式提供不同的波特率和通信協(xié)議，(如表51所示)。對串口的初始化是通過相關(guān)的特殊功能寄存器，即串口控制寄存器(SCONO, SCON1)來實現(xiàn)的[[39。在本設計中，需要將UARTO與GPS模塊串口進行通信，而UART 1作為與PC機通信。同樣，把 UART 1 EN ( )設置成邏輯+1。未被指定的端口引腳作為通用I/0引腳，通過讀或?qū)懴鄳亩丝跀?shù)據(jù)寄存器訪問端口，既可以按位尋址也可以按字節(jié)尋址。i4000?？墒褂肙SCICN寄存器中的CLKSL位，在兩個振蕩器之間隨意切換。2采用設置軟件陷阱防止程序“跑飛”。，放置大電容是為了去除低頻干擾，而小電容是為了防止高頻干擾。當然，只能通過系統(tǒng)軟件、硬件設計盡可能的減少千擾帶來的影響，而不可能完全消除干擾[26j。6EI數(shù)據(jù)輸入輸出引腳7DB0I/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳8DB1I/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳9DB2I/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳10DB3I/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳11DB4I/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳12DBSI/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳13DB6I/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳14DB7I/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳15CSII片選信號，高電平時選擇左半屏16CS2I片選信號，高電平時選擇右半屏17RETI復位信號，低電平有效18VEE0LCD驅(qū)動，負電壓輸出，對地接l OK電位器19LEDA背光電源，LED+ (SV)o 20LEDA背光電源，LED (5 V ) o4. 5. 2 LCD顯示模塊與C8051F020單片機硬件接口設計由于C8051F020是美國Cygnal公司推出的一種混合信號SoC型8位單片機，是集成度很高的混合信號系統(tǒng)級的芯片。增強型ESD結(jié)構(gòu)為所有發(fā)送器輸出和接收器輸入提供保護，可承受115VKV IEC 100042氣隙放電、18KV IEC 100042接觸放電和士15V KV人體放電模式。大家知道RS232接口不能與單片機的異步串行通信接口直接相連就是因為單片機的TTL電平是正邏輯規(guī)定的邏輯電平。JTAG的接口電路(如圖410所示)。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用端口I/0和所需數(shù)字資源的組合。(7)外部器件的高度集成C8051F020系列單片機在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個控制系統(tǒng)所需要的大部分功能部件，包括ADC, PLD, DAC, UART, SPI, PCA、電壓比較器、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時器及電源監(jiān)視器，甚至還有溫度傳感器等等。(5)大容量存儲器 CIP51具有標準8051的程序和數(shù)據(jù)地址配置。因此，C805『具有極佳的最小功耗系統(tǒng)設計環(huán)境。 圖49 C8051F020功能結(jié)構(gòu)圖 本次設計選用的是C8051F020作為數(shù)據(jù)終端的主控芯片，該芯片是一種在系統(tǒng)可編程、完全集成的混合信號系列級MCU芯片。 C8051F020是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片SoC，使用Cygnal的專利CIP51微控制器內(nèi)核f}lf}glo CIP51與MCS51單片機兼容，但是具有其獨特的功能。串行口與PC機接口電路圖(如圖47所示): 圖47串口電路 由于GPS模塊在外圍電路的構(gòu)建下形成具有接收信號能力的接收機，當其正常運行時，也就是能接收衛(wèi)星信號并輸出定位數(shù)據(jù)時，每秒就會從第28引腳輸出一個時鐘脈沖(lpps)。故PCB設計較為復雜，需要滿足天線座到模塊RF一 IN端的阻抗匹配為50歐姆，相關(guān)設計可由專業(yè)RF仿真設計軟件APPCAD(如圖45所示)進行高頻線路銅箔寬度、長度、板材厚度等的計算。，不用時懸空。25. USB DM, I/0口USB輸入/出端。天線部分:，來自天線的GPS信號輸入端。針對具體的用戶配置設置，內(nèi)置Flash EPROM提供了存儲空間，并使今后的固件升級成為可能。以下各節(jié)將詳細敘述各模塊接口的設計情況[161a4. 2 GPS接收板設計4. 2. 1 GPS模塊LEA5H介紹 LEA5H模塊的尺寸非常小(17**3mm )，具有高度的功能集成，從某種程度上減少了占板空間，擁有32通道捕獲引擎，18通道GPS+Galileo跟蹤引擎，帶有節(jié)能模式，支持無源天線和有源天線并具備天線短路和開路檢測和保護。和以往CMOS工藝電壓穩(wěn)壓器相比，所能使用的電容器種類得以增多，也能使用小型的陶瓷電容器。 再次，使用64K字節(jié)大容量閃速存儲器和4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM (4K+256). 64Kflash ROM可以滿足本次開發(fā)的需要，不需要另外擴展程序存儲器。在本次設計中，采用Cygnal公司的C8051F020作為數(shù)據(jù)終端的主控芯片。3. 4. 2 GPS模塊的選取 對于GPS模塊的選擇而言，通常從技術(shù)參數(shù)，支持通信協(xié)議，控制接口和成本幾個方面考慮。因此，必須擴展可掉電保存數(shù)據(jù)的FLASH ROM芯片來增加存儲空間，這樣，不僅提高了開發(fā)成本，還降低了系統(tǒng)的抗干擾性。通常來講，單板機的處理能力強于嵌入式系統(tǒng)，而且單板機的外圍接口豐富，所以開發(fā)西南石油大學碩士研究生學位論文時不需要進行外圍電路設計。從總體上，該系統(tǒng)可分為三大功能模塊，GPS接收模塊、信息處理模塊與顯示模塊。 3)全球覆蓋連續(xù)導航定位 由于GPS有24顆衛(wèi)星，且分布合理，軌道高達20200km，所以在地球上和近地空間上任何一點，均可連續(xù)同頻地觀測4顆以上衛(wèi)星、實現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導航定位。此外我國的北斗導航系統(tǒng)定位速度較慢，不能連續(xù)導航，無法適應高動態(tài)環(huán)境，只能提供低動態(tài)和靜態(tài)定位服務。 Vti (i=1, 2, 3, 4)一分別為衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。全球定位技術(shù)不但精度高，而且定位速度快，可以滿足飛機、導彈、火箭、衛(wèi)星等高速運動載體的導航定位的需要【131a GPS系統(tǒng)定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為己知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法確定待測點的位置，即如果能夠知道到幾個已知點的距離那么就可以求出所處的位置[]a GPS定位系統(tǒng)的己知點就是空中運行的GPS工作衛(wèi)星。這種采用SA技術(shù)的C/A碼定位技術(shù)稱為標準定位服務精度(SPS, Standard Positioning Service). SA的實施有兩種技術(shù)，一種是降低了衛(wèi)星鐘的短期穩(wěn)定性，另一種是使衛(wèi)星廣播星歷的精確性降低。精密星歷是由美國國防制圖局根據(jù)全球20多個衛(wèi)星跟蹤站的觀測資料解算的，因測站數(shù)量多且分布范圍廣故衛(wèi)星定軌精度較廣播星歷高一個數(shù)量級。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。 2)地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng):GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。這樣，對于地面觀測者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，目前己遍及國民經(jīng)濟各部門，并開始逐步深入人們的日常生活。在雙星系統(tǒng)中，高程值由數(shù)字地圖或氣壓測高站提供。地面中心站求出用戶坐標后，再根據(jù)坐標在地面數(shù)字高程模型讀出用戶高程一進而讓衛(wèi)星轉(zhuǎn)告用戶。測軌標校站為精確測量衛(wèi)星的位置提供基準測量數(shù)據(jù)?！氨倍贰睂Ш较到y(tǒng) GPS和“格魯納斯”都是為軍事應用而發(fā)展起來的，完全由軍方控制，無法保證服務信息始終保持不中斷。2005年12月27日，第一顆伽利略衛(wèi)星GLOVEA發(fā)射升空，第二顆衛(wèi)星GLOVEB于20%年發(fā)射，這標志著伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)正式進入實施論證階段。其中L1載波信號為民用，L2載波信號為軍用。衛(wèi)