【正文】 星高度H=19100km。第四章提出了系統(tǒng)硬件設(shè)計，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。 (3)設(shè)計了GPS接收板電路和控制板電路并制作PCB板。如今，高性能、高可靠性、低價位的SOC單片機己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，使用SOC單片機不僅可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，而且節(jié)約了資源和成本。如果利用專業(yè)電子地圖開發(fā)軟件，其開發(fā)成本昂貴。昂貴的費用不僅讓眾多消費者望而卻步，而且定位精度的落差時常使得他們怨聲載道。后PC時代的來臨為我們快速拉近與發(fā)達(dá)國家的相關(guān)科技距離提供了前所未有的機遇。所以在本文所研究的課題中，所用的導(dǎo)航定位系統(tǒng)仍然是美國建立的GPS定位系統(tǒng)。該計劃還在實施當(dāng)中。它是一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng){11。OCM12864。其中，接收天線的選取、天線座到模塊RF 1N端的50歐姆阻抗匹配設(shè)計以及電源模塊的設(shè)計等都在本文中作了詳細(xì)闡述。給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案并闡述了終端設(shè)計方法、開發(fā)方法和開發(fā)過程。最后文中詳細(xì)描述了系統(tǒng)的實驗調(diào)試過程、所遇到的問題以及解決方法，通過調(diào)試、修改，成功實現(xiàn)小范圍的定位導(dǎo)航，完成課題設(shè)計的要求。本課題設(shè)計正是基于此開展GPS自主定位系統(tǒng)的研究。從而有效的降低了用戶為了尋找目的地而付出的資源浪費，從一定程度上提高了作業(yè)效率、科學(xué)水平以及人們的生活質(zhì)量。2000年12月21日我國成功發(fā)射第二顆“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”，與發(fā)射的第一顆“北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星”構(gòu)成了“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”。由于經(jīng)濟發(fā)展的差異，以及GPS等技術(shù)都是由國外首先擁有和使用，所以國外在GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究、應(yīng)用方面都比國內(nèi)早，現(xiàn)在已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品。雖然與現(xiàn)階段比較成熟的定位導(dǎo)航產(chǎn)品有一定差異，但也算是對定位導(dǎo)航的一種簡單嘗試。 (3) C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的CIP51微控制器內(nèi)核。 GPS定位導(dǎo)航終端中控制器的選擇直接影響到整個系統(tǒng)的性能。本文設(shè)計的GPS定位導(dǎo)航終端采用基于SOC技術(shù)的單片機C8051F020作為核心控制器，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期。 (5)通過實際點的取樣，對道路進(jìn)行描繪。第七章總結(jié)，概括了所做的工作及不足，并給出下一步的研究方向。CTS跟蹤遙控著所有GLONASS可視衛(wèi)星，對其進(jìn)行測距數(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。 2)定位精度水平精度:士50^70m。2004年10月，中歐Galileo計劃技術(shù)合作協(xié)議在北京正式簽署，中國投入2億歐元參與了這項計劃(9l0 1)衛(wèi)星星座:由3個獨立的圓形軌道，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)。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過程中，出于軍事需要的考慮，中國必須發(fā)展自己獨立的系統(tǒng)。1)服務(wù)區(qū)域:東經(jīng)70度~145度，北緯50度~55度。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)。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。用戶設(shè)備部分一GPS信號接收機。 在用GPS信號導(dǎo)航定位時，為了計算測點的三維坐標(biāo)，必須觀測4顆GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。主控站設(shè)在范登堡空軍基地，它對地面監(jiān)控部實行全面控制。目前，世界上有很多廠家生產(chǎn)GPS接收機，產(chǎn)品數(shù)目繁多，性能差異也各有千秋[(6](710 1)定軌精度:廣播星歷是由美國本土以及海外軍事基地上的5個衛(wèi)星監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)解算的。這些信號分量都是在同一個基本頻率FO=。為了盡量降低SA政策對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)。衛(wèi)星4到接收機之間的距離。應(yīng)用最廣的是美國的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，授時精度340納秒的服務(wù)。當(dāng)前在我國應(yīng)用最多的還是美國的GPS系統(tǒng)yu102. 6 GPS系統(tǒng)的優(yōu)點 GPS系統(tǒng)是一種全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)[[31]。GPS接收機根據(jù)NMEA0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過串口傳送到PC機、PDA等設(shè)備。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發(fā)環(huán)境，這些開發(fā)環(huán)境相互之間差別較大，而且和應(yīng)用廣泛的PC集成開發(fā)環(huán)境也不相同，所以基于嵌入式的開發(fā)難度較大，開發(fā)周期也相對較長，人力、財力投入較大，適合并行開發(fā)。相對于單片機和嵌入式系統(tǒng)，單板機開發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。 綜合分析后，由于考慮到開發(fā)成本、控制模塊的性能以及調(diào)試和維護等方面的因素，本設(shè)計選用方案3來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計 由于該系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提取和處理，還涉及到導(dǎo)航定位顯示的問題，其主要組成部分是GPS接收板，C8051F020微處理器，時鐘芯片，穩(wěn)壓電源模塊，OCM12864顯示屏及外接按鍵、LED顯示燈等。在本次開發(fā)中，主要考慮對C8051F020的以下功能部件的設(shè)計: 首先，使用兩個硬件串口。 2,穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計 穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計，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。1a4. 1. 3 LCD模塊電路設(shè)計 本設(shè)計選擇的是OCM128641型LCD，它是一款128列X64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(yīng)于LCD屏上一個點的亮、暗狀態(tài)。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。 GND，輸入端接地，接公共地端，大地。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，作為電路短路保護和天線監(jiān)測。 N輸入端，硬件復(fù)位，不用時懸空。一般選用天線的參數(shù)為增益27dB左右。為了獲得穩(wěn)定的輸出電壓++3V，設(shè)計中為了使+5V和+3V電源輸出端紋波小，因此分別接了兩個容值不等的電容，以防止紋波電壓產(chǎn)生干擾，具體供電電路(如圖46所示)。只要模塊輸出定位數(shù)據(jù)，LED就會隨著脈沖信號的到來不斷的閃爍。其功能結(jié)構(gòu)組成(如圖49所示)。平均每個時鐘周期可以執(zhí)行完1條單周期指令。除了VDD監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個復(fù)位源都可以由用戶用軟件禁止。(6)先進(jìn)的在系統(tǒng)調(diào)試 C8051F改變了傳統(tǒng)的仿真調(diào)試，使用基于標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口(IEEE )在系統(tǒng)調(diào)試。每個端口的引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出。時鐘電路與復(fù)位電路采用的是傳統(tǒng)8051單片機的典型電路，在此不做介紹。單片機與GPS模塊進(jìn)行通信時，單片機與GPS模塊的串行接口的電壓都是3V左右，所以單片機與接收模塊的串口直接相連。對于一般全雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。接口電路(如圖411所示)。該MCU具有PO}P7共64個通用I/0端口，每個端口引腳都可以被配置為推挽輸出或漏極開路輸出[25]。信號針盡量分散配置，增大彼此間的距離。7加粗地線和電源線，以減小壓降，降低禍合噪聲。程序執(zhí)行過程中若進(jìn)入死循環(huán)，同時又沒有撞上陷阱，就會使程序長時間運行不下去，無法正常實現(xiàn)程序功能。同時外部振蕩器控制寄存器(OSCXCN)的64位控制外部振蕩器運行方式，外部振蕩器控制寄存器(OSCXCN)的20位控制外部振蕩器頻率。0x80)一0)。因為交叉開關(guān)寄存器影響器件外設(shè)的引出腳，所以它們通常在外設(shè)被配置前由系統(tǒng)的初始化代碼配置。交叉開關(guān)寄存器被正確配置后通過XBARE ( )設(shè)置為邏輯“1”來使能交叉開關(guān)。 XBR2=0x04。 表51 UARTAO工作方式方式同步性波特率時鐘數(shù)據(jù)位起始/停止位0同步 SYSCLK/12 8無1異步 定時器1或者定時器2/481個//1個2異步 SYSCLK/32或SYSCLK/649.1個/1個3異步 定時器1或定時器2/491個/1個 本設(shè)計通過UARTO實現(xiàn)串口通信，且串口工作方式為方式1異步、全雙工通信，每個數(shù)據(jù)字節(jié)共10位:1個起始位、8個數(shù)據(jù)位(LSB在先)和1個停止位。 //P l .0P } UARTO的初始化C8051F020有兩個獨立的增強型全雙工的串行口，兩個串口總線都是用硬件實現(xiàn)，都能向CIP51產(chǎn)生中斷，因此需要很少的CPU的干預(yù)。對應(yīng)位設(shè)置為邏輯“0”時配置為漏極開路方式輸出。當(dāng)選擇了串行通信外設(shè)(即SMBus、或UART)時交叉開關(guān)將為所有相關(guān)功能分配引腳，例如:不能為UARTO功能只分配TXO引腳而不分配RXO引腳。交叉開關(guān)配置是嚴(yán)格按優(yōu)先權(quán)順序?qū)⒍丝赑OP3的引腳分配給器件上的數(shù)字外設(shè)UART, SMBus, PCA、定時器等1241。//使能外部晶體， for(i=O?？刂破骷瓤梢詮膬?nèi)部振蕩器運行，也可以從外部振蕩器運行。一個好的軟件設(shè)計，要充分考慮采取必要的抗干擾措施，利用軟、硬件相結(jié)合實現(xiàn)系統(tǒng)的抗干擾是單片機控制系統(tǒng)具有的特殊優(yōu)點之一。4手工放置元件和布線，使連線盡可能短。圖412 LCD接口電路抗干擾設(shè)計是單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，沒有良好的抗干擾措施，系統(tǒng)就無法安全可靠的工作。低電平:寫數(shù)據(jù)。兼容5V邏輯輸入，內(nèi)含2路接收、2路發(fā)送串口通信接口，具有低功耗、高數(shù)據(jù)率、增強型ESD保護等特性?，F(xiàn)在最常用的RS232C采用負(fù)邏輯規(guī)定的邏輯電平，即邏輯“1”表示一3V15V,邏輯“0”表示+3V+15V。 表41 JTAG引腳定義通過JTAG接口加適配器把用戶最終產(chǎn)品連接到計算機上。與具有標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字1/0的微控制器不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合[2][2010可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，使片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號出現(xiàn)在端口沁引腳。而且它的JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測試提供了邊界掃描功能。一個中斷處理需要較少的CPU干預(yù)卻有更高的執(zhí)行效率。眾多的復(fù)位源使系統(tǒng)在掉電方式下，可隨意喚醒，從而可靈活地實現(xiàn)零功耗系統(tǒng)設(shè)計。該單片機具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。然而，美國Cygnal公司新近推出的高性能的C8051 FXXX系列單片機徹底改變了人們對以前8051單片機速度慢、性能低的印象。圖46電壓轉(zhuǎn)換電路 RS232串口模塊設(shè)計 由于GPS模塊的串口可以直接同MCU對接，如果外接電腦等外設(shè)部分，則需增加RS232芯片，對于RS232的芯片選擇，選擇范圍較廣，在此設(shè)計中我們選用MAX3232理由是它工作電壓為+3V，因而我們可以從穩(wěn)壓芯片后提取穩(wěn)定的++3V電壓，此種設(shè)計方法能更加保證RS232芯片的安全。 天線接入模塊較為復(fù)雜，屬于微波范圍。，USB啟動時間配置引腳，不用時懸空。，串口輸入，最大容許輸入電壓5V，內(nèi)置上拉電阻到V BAT。11. Vwe BAT輸入端，備用電源，接備用電源，增強熱啟動特性，否則接地。它采用新穎的方案來抑制干擾并降低多基于單片機的GPS導(dǎo)航裝置的設(shè)計徑效應(yīng)，從而以較低的功耗，在最具挑戰(zhàn)性的室內(nèi)外場所提供出色的服務(wù)。同時，模塊化設(shè)計也有助于系統(tǒng)開發(fā)的組織管理。此外，還內(nèi)置電源開/關(guān)控制電路，以延長電池的使用壽命。通過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。由于GPS接收機使用串口與單片機相連，而連接PC機也要占用單片機的一個串口資源，因此所選單片機必須有兩個硬件串口。并通過單片機控制液晶顯示屏，根據(jù)提取的有用信息在我們描述的道路中顯示當(dāng)前的測試點，以達(dá)到定位導(dǎo)航的目的。在定位導(dǎo)航過程中，定位導(dǎo)航終端需存儲大量的歷史定位數(shù)據(jù)，一般常用的單片機(如51單片機、MOTOROLA單片機等)自帶的FLASH ROM一般為4K, 8K等，遠(yuǎn)不能滿足存儲要求。在開發(fā)應(yīng)用上可以將單板機看作通用PC來處理。 GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個多技術(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。這種方式隱蔽性好，而且可容納無數(shù)多用戶。因此，GLONASS很難在由GPS統(tǒng)治的全球?qū)Ш椒?wù)市場中占據(jù)一席之地。 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時刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。對于載波信號雙頻機，它能有效的消除電離層延時誤差，其相對定位精度可達(dá):士((1 mm+lppm X D )。 l] e 美國國防部1992年宣布在所有GPS衛(wèi)星上實施選擇可用性(SA,SelectiveAvailability)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。法向誤差士3m。 3)用戶設(shè)備部分一GPS信號接收機GPS信號接收機的任務(wù)是:能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測點的三維位置，甚至三維速度和時間。GPS工作衛(wèi)星的編號和試驗衛(wèi)星基本相同。在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時，它們繞地球運行約二周，繞地球一周的時間為差兩分鐘12恒星時。全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗定位系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)