【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 編輯電文注入衛(wèi)星，然后由衛(wèi)星以廣播星歷的方式實(shí)時(shí)地傳送給用戶。 地面支撐系統(tǒng)包括 1 個(gè)主控站， 3 個(gè)注入站和 5 個(gè)監(jiān)測(cè)站 ， 如圖 ： 數(shù) 據(jù) 處 理 機(jī)接 收 機(jī)調(diào) 制 解調(diào) 機(jī)銫 鋅 氣 象 傳 感 器觀 測(cè) 星 歷與 時(shí) 鐘計(jì) 算誤 差編 算 注 入導(dǎo) 航 電 文調(diào) 制 解 調(diào) 器數(shù) 據(jù) 處理 機(jī)指 令 發(fā)生 器高 功 率放 大 器數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 與 外 部 設(shè) 備監(jiān) 測(cè) 站主 控 站注 入 站 圖 11 地面監(jiān)控系統(tǒng)方框圖 3)用戶接收機(jī) ： 自從 GPS全部建成以后，它將晝夜不停地發(fā)送導(dǎo)航定位信息，在地球地任何地方和任何時(shí)間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。這其中最終要地關(guān)鍵設(shè)備就 是用戶接收機(jī)。近十幾年，世界各國(guó)地企業(yè)公司和研所單位都相繼研制各種類(lèi)型地接收機(jī)。據(jù) 1998年 1月出版地《 GPS WORLD》統(tǒng)計(jì)，已有 60多家企業(yè)生產(chǎn)出 400多種型號(hào)地 GPS接收機(jī)。 GPS接收機(jī)可以按照不同要求進(jìn)行分類(lèi) ， 如按編碼信息分類(lèi)，按接受地?cái)?shù)據(jù)分類(lèi)，按接收機(jī)通道分類(lèi)、按照動(dòng)態(tài)性能分類(lèi)、按用途分類(lèi)、按工作模式分類(lèi)等。但總起來(lái)說(shuō)，可分為兩大類(lèi) ： 導(dǎo)航型和測(cè)地型。導(dǎo)航型接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耗電省、精度低、價(jià)錢(qián)便宜，一般采用單頻 C/A碼偽距接受技術(shù)，定位經(jīng)度為 100m，用于航空、航海和陸地實(shí)時(shí)導(dǎo)航中 ： 現(xiàn)在 發(fā)展地差分 GPS技術(shù)，能使定位精度提高到 13米，大大拓寬了應(yīng)用范圍、有極少數(shù)接收機(jī)采用 P碼接受技術(shù)，使單點(diǎn)定位精度達(dá)到 10m，這種接收機(jī)專(zhuān)為軍用 [4]。 GPS接收機(jī)地種類(lèi)雖然很多，但它的結(jié)構(gòu)基本一致，分為天線單元和接受單元兩大部分，如圖 ： 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易 GPS 定位信 息顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 前 置 放 大 器頻 率 變 換 器標(biāo)頻器頻 率合 成器信號(hào)通道存 儲(chǔ) 器電 源微 處理 機(jī)顯 控 器數(shù) 控接 口P C 機(jī)接 受 單 元天 線 單 元 圖 12 GPS接收機(jī)基本結(jié)構(gòu) ： 它是由接受天線和前置放大器組成。 GPS 接收機(jī)天線有 ： 定向天線、偶極子天線、微帶天線、螺旋天線等。對(duì)天線地性能要求是：高增益，低噪聲系數(shù)、大的動(dòng)態(tài)范圍。由于高性能 場(chǎng)效應(yīng) FET 放大器地出現(xiàn)，現(xiàn)在多采用有源微帶天線 [5]。 ： a)通道單元 ： 它的主要功能是接收來(lái)自天線單元的信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì) GPS 信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)量，提供計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)不同需要，可設(shè)計(jì)成 612 通道。通道是由硬件和軟件組成。每個(gè)通道在某一時(shí)可跟蹤一顆衛(wèi)星。當(dāng)此衛(wèi)星鎖定后，便占據(jù)這一通道，直到此衛(wèi)星信號(hào)失鎖為止。由于科學(xué)技術(shù)的反戰(zhàn)，并行多通道接收機(jī)已經(jīng)稱(chēng)為主趨勢(shì)。雙通道和多路復(fù)用的接收機(jī)已經(jīng)被淘汰。在相關(guān)型接收機(jī)中，碼延遲鎖定環(huán)和載波相位鎖定環(huán)是重要 的部件 [6]。 1）碼延遲鎖定環(huán) (DLL)是將本地偽隨機(jī)碼與衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的根中、鎖定、識(shí)別和偽距測(cè)量。 2）載波相位鎖定環(huán) (PLL)是利用本機(jī)的 COSTAS 環(huán)，將其載波相位與衛(wèi)星載波相位鎖定，藉以解調(diào)出導(dǎo)航電文，并進(jìn)行載波相位測(cè)量。 b)計(jì)算和顯示單元它的功能是 ： 1)工作開(kāi)始的自檢； 2)根據(jù)采集到的衛(wèi)星星歷，偽距觀測(cè)量計(jì)算三維坐標(biāo)和速度； 3)人機(jī)對(duì)話，按照輸入航路點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航、輸入衛(wèi)星高度截止角、歷元間隔、數(shù)據(jù)更新率、控制屏幕顯示以及其他指令 [7]。 c)存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)輸入的各種數(shù)據(jù) ，例如，初始化時(shí)間和坐標(biāo)、導(dǎo)航點(diǎn)、星歷、原始觀測(cè)量等 [8]。 d)電源 機(jī)內(nèi)裝有專(zhuān)用鋰電池 (3v)，專(zhuān)供接收機(jī)的時(shí)鐘和 RAM 存儲(chǔ)器保存星歷和初始化數(shù)據(jù)用的，保證在關(guān)機(jī)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。外接鎘鎳蓄電池向接收機(jī)供電 (12v)。 在使用 OEM芯片時(shí)，通常需要 TTL 電平 (5v)。 XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 GPS信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號(hào)包括三種信號(hào)分量 ： 載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。時(shí)鐘頻率 f0=，利用頻率綜合器產(chǎn)生所需要的頻率。 GPS信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程如圖 ： 基 本 頻 率 f 0 1 0 . 2 3 M H zL 1 1 5 7 5 . 4 2 M H zC / A 碼1 . 0 2 3 M H zP 碼1 0 . 2 3 M H zL 2 1 2 2 7 . 6 M H zP 碼1 0 . 2 3 M H z5 0 B P S數(shù) 據(jù) 碼 ( 導(dǎo) 航 電 文 , 或 D 碼 )* 1 5 4* 1 2 0/ 1 0 圖 13 GPS信號(hào)的產(chǎn)生 GPS 工作所需的信號(hào)按如下圖的方式進(jìn)行合成，然后向全球發(fā)射，形成現(xiàn)在隨時(shí)隨地都能接收到信號(hào) [9]。對(duì)用戶而言，最感興趣的是測(cè)距碼和數(shù)據(jù)流 (導(dǎo)航電文 )。 L 1 載 波B KΛ 216。 = 9 0 176。JΣC / A 碼電 文P 碼L 2 載 波振 蕩 器AGFCDLHΣ模 2 相 加 混 頻 器Σ相 加 器 圖 14 GPS信號(hào)構(gòu)成圖 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易 GPS 定位信 息顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 第 2 章 硬件電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用的硬件主要包括： 本文介紹使用 GARMIN 公司的 GPS25LVS 系列 OEM (Original Equipment Manufacturer)、 AT89C51 芯片、 LED 顯示模塊、操作按鍵以及電源部分。其中， 89C51 芯片是系統(tǒng)中心控制單元，它具有全雙工異步通信口，可與 OEM板接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，處理和輸出。 OEM 板與單片機(jī)進(jìn)行串口通信時(shí)，由于都采用 TTL電平，故兩者之間不需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換就可直接通信。單片機(jī)在獲得定位信息后，就可通過(guò)操作按鍵將定位信息顯示在液晶顯示模塊上，其硬件電路框圖如圖所示。 電 源 顯 示 模 塊鍵 盤(pán)T X D 1R X D 1T X DR X DG N D G N DI N T 0O E M 板A T 8 9 C 5 1 圖 21 硬件電路框圖 GPS內(nèi)部 最小系統(tǒng)介紹 所用單片機(jī)引腳介紹 本次設(shè)計(jì)所用主要芯片是 89C51，現(xiàn)對(duì)各組成部分的情況介紹如下：中央處理器，內(nèi)部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，定時(shí)器，串行口，中斷控制系統(tǒng)，及時(shí)鐘電路等等[10]。 信號(hào)引腳介紹： XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 8 9 C 5 1122 22 12 01 91 81 71 61 51 41 31 21 11 098765434 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 3（ T 2 ） P 1 . 0（ T 2 E X ） P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T / V P D（ R X D ） P 3 . 0（ T X D ） P 3 . 1（ I N T O ） P 3 . 2（ I N T 1 ） P 3 . 3（ T 0 ） P 3 . 4（ T 1 ） P 3 . 5（ W R ） P 3 . 6（ R D ） P 3 . 7X T A L 2X T A L 1V S SV C CP 0 . 0 （ A D 0 ）P 0 . 1 （ A D 1 ）P 0 . 6 （ A D 6 ）P 0 . 5 （ A D 5 ）P 0 . 4 （ A D 4 ）P 0 . 3 （ A D 3 ）P 0 . 2 （ A D 2 ）P 0 . 7 （ A D 7 ）P 2 . 0 （ A 8 ）P 2 . 1 （ A 9 ）P 2 . 2 （ A 1 0 ）P 2 . 3 （ A 1 1 ）P 2 . 4 （ A 1 2 ）P 2 . 5 （ A 1 3 ）P 2 . 6 （ A 1 4 ）P 2 . 7 （ A 1 5 ）P S E NA L E / P R O GE A / V P P 圖 22 89C51 引腳圖 P0 口： P0 口是開(kāi)漏雙向口可以寫(xiě)為 1 使其狀態(tài)為懸浮用作高阻輸入 P0 也可以在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低字節(jié)在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作數(shù)據(jù)總線此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉輸出 1。 P1 口： P1 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口向 P1 口寫(xiě)入 1 時(shí) P1 口被內(nèi)部上拉為高電平可用作輸入口當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的 P1 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。 P1 口第 2 功能： T2(P1。 0)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入 /時(shí)鐘輸出 (見(jiàn)可編程輸出 )。T2EX(P1。 1)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 重裝載控制。 P2 口： P2 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口向 P2 口寫(xiě)入 1 時(shí) P2 口被內(nèi)部上拉為高電平可用作輸入口當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的 P2 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流 (見(jiàn) DC電氣特性 )在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)時(shí)分別作為地址高位字節(jié)和 16 位地址(MOVX @DPTR)此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送 1 當(dāng)使用 8 位尋址方式 (MOV @Ri)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口發(fā)送 P2 特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口： P3 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口向 P3 口寫(xiě)入 1 時(shí) P3 口被內(nèi)部上拉為高電平可用作輸入口當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的 P3 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流 (見(jiàn) DC 電氣特性 )P3 口還具有以下特殊功能。 RXD(P3。 0) 串行輸入口 TXD(P3。 1) 串行輸出口 INT0(P3。 2) 外部中斷 0 INT1(P3。 3) 外部中斷 T0(P3。 4) 定時(shí)器 0 外部輸入 T1(P3。 5) 定時(shí)器 1 外部輸入 WR(P3。 6) 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào) RD(P3。 7) 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào) 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易 GPS 定位信 息顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 ALE：地址鎖存使能在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)輸出 脈沖鎖存地址的低字節(jié)在正常情況ALE輸出信號(hào)恒定為 1/6 振蕩頻率并可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)注意每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)一個(gè) ALE脈沖將被忽略 ALE可以通過(guò)置位 SFR 的 auxlilary0 禁止置位后 ALE只能在執(zhí)行MOVX 指令時(shí)被激活。 PSEN：程序存儲(chǔ)使能當(dāng)執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器代碼時(shí) PSEN 每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) PSEN 無(wú)效訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí) PSEN 無(wú)效。 EA：當(dāng)此腳為低電平時(shí)，對(duì) ROM 的操作限定在外部程序存儲(chǔ)器，而它為高電平時(shí)，則對(duì) ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延續(xù)至外部程序存 儲(chǔ)器。 XTAL1：晶體 1 反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路輸入。 XTAL2：晶體 2 反相振蕩放大器輸出。 GPS 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng) [11]。 在振蕩器工作時(shí)將 RST 腳保持至少兩個(gè)機(jī)器周期高電平 12 時(shí)鐘模式為 24 個(gè)振蕩器周期 6 時(shí)鐘模式為 12 振蕩器周期可實(shí)現(xiàn)復(fù)位為了保證上電復(fù)位的可靠 RST 保持高電平的時(shí)間至少為振蕩器啟動(dòng)時(shí)間通常為幾個(gè)毫秒再加上兩個(gè)機(jī)器周期復(fù)位后振蕩器以12 時(shí)鐘模式運(yùn)行當(dāng)已通過(guò)并行編程器設(shè)置為 6 時(shí)鐘模式時(shí)除外。 單片機(jī)在 RESET 為高電平控制下，程序計(jì)數(shù)器（ PC）和特殊功能寄存器的復(fù)位如表 2－ 1 所示。單片機(jī)的復(fù)位并不影響芯片內(nèi)部 RAM 狀態(tài)，只要 RESET 引腳保持高電平，單片機(jī)將循環(huán)復(fù)位。在復(fù)位有效期間內(nèi)， ALE﹑ PSEN 將輸出高電平。 表 21 復(fù)位后寄存器狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TMOD 00H ACC 00H TCON 00H B 00H TL0 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH1 00H P0—P3 0FFH SCON 00H IP 000000B SBUF 不定 IE 0000000 PCON 00000 本次設(shè)計(jì)復(fù)位電路，如下圖： XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 23 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) GPS 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路產(chǎn)生與單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn) ，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。而時(shí)序所研究的則是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互時(shí)間的關(guān)系