【文章內(nèi)容簡介】 經(jīng)度、緯度、高度、海拔、時(shí)間、速度等各種我們需要得到的信息。完整的GPS用戶設(shè)備是由硬件部分、軟件部分和GPS 數(shù)據(jù)處理后的軟件包構(gòu)成的。GPS 接收機(jī)又由天線部分和接收部分組成。接收機(jī)一般采用雙電源進(jìn)行供電，即機(jī)內(nèi)和機(jī)外電源。機(jī)內(nèi)電源的作用在于當(dāng)你在更換外電源時(shí)不至于中斷接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)觀測。在用機(jī)外電源時(shí)，機(jī)外電源會(huì)給機(jī)內(nèi)電池進(jìn)行充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池也會(huì)繼續(xù)為RAM存儲(chǔ)器供電來防止存儲(chǔ)在RAM存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機(jī)體積被做的越來越小，重量也越來越輕，越來越便于用在野外觀測中?！PS 接收機(jī)的性能與結(jié)構(gòu)GPS 衛(wèi)星全部都采用展頻技術(shù)來向地面發(fā)射信號(hào)，兩個(gè)載頻發(fā)射(L 1波長為19 cm，頻率f 1= 15410. 23MHz；L 2波長為24 cm，頻率f 2= 120)的信號(hào)傳輸速率為50 Hz，調(diào)制方式為二相鍵控(BPSK)調(diào)制，且信號(hào)被調(diào)制在偽隨機(jī)碼上。GPS的偽隨機(jī)碼分為P碼、C/A碼和Y碼三種：①P 碼稱為精碼，一般用在精密定位服務(wù)上。它的周期長為7 d，既然可以稱為精碼，因此無論是定位還是時(shí)間速度等都有很高的精度。它的時(shí)間精度已經(jīng)超越了納秒的水平為100 ps，定位精度為16m， m/s。②C/A 碼被稱為粗碼，也可以稱他為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)碼。它具有周期短頻率低等優(yōu)點(diǎn)，他的周期僅為1 m s；，它的一個(gè)周期中有1023 個(gè)碼位。由于它的搜捕時(shí)間很短，所以特別適合用于快速提供精度不高的定位信息。定位精度為40m。③Y 碼和P 碼相類似，都屬于精密定位服務(wù)碼。但是它的編碼比P 碼復(fù)雜得多。GPS最開始的用處就是用在美國軍方的軍事活動(dòng)，軍事科研等方面，雖然后來對(duì)民間開放，但是美國軍方對(duì)GPS 的使用范圍進(jìn)行了一些控制，只有C/A 碼和廣播星歷向全球開放。雖然美國對(duì)GPS的C/A碼做了開放，但又不是絕對(duì)的開放，他們對(duì)C/A 碼又采用了SA 方式，限制了C/A 碼的精度，使得水平定位的精度變?yōu)橐话倜椎母怕蕿榘俜种攀?。美國在GPS 系統(tǒng)中采用的SA 措施，對(duì)用戶是個(gè)很大的限制，為了針對(duì)這種限制，使這種限制降到最低，又發(fā)展了稱為DGPS 的差分GPS 技術(shù)。由于采用差分編碼技術(shù)，使得測量的定位精度得到了極大的提高，因此在大地的實(shí)際測量中獲得了非常廣泛的應(yīng)用?！　PS 定位的基本原理實(shí)際上是比較簡單的。由于每個(gè)地方都能監(jiān)測到四顆衛(wèi)星，這4 顆衛(wèi)星同時(shí)向GPS接收機(jī)發(fā)射時(shí)鐘信號(hào)，我們將它取名為D t，GPS接收機(jī)將收到的時(shí)鐘信號(hào)與自身的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)比，就可以得出時(shí)鐘偏差，這就是衛(wèi)星信號(hào)傳播所需要的時(shí)間，我們將它乘以3*108m/s，就可以計(jì)算出衛(wèi)星信號(hào)傳播的距離。于是我們得到這樣的一個(gè)簡單的多元方程組：(A i U a ) L + (Bi U b )L + (C i U c )L = (R i Cb)L這里A i、B i、Ci 分別代表四顆衛(wèi)星的位置參數(shù)，由GPS 衛(wèi)星以50 Hz 的速率向全球不間斷廣播。U a、U b、U c 為接收機(jī)的位置。R i 即為傳播距離：R i= cD ti。Cb 為用戶的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘偏差參數(shù)。于是得到含有四個(gè)未知數(shù)U a、U b、U c、Cb的四個(gè)方程。一般來說這樣的方程都有唯一的解，由此我們就可以得到準(zhǔn)確的位置參數(shù)信息。作為GPS 用戶部分的主要部件—GPS 接收機(jī)，主要是用來接收和處理來自GPS衛(wèi)星發(fā)送的位置信息。它主要由主機(jī)天線、運(yùn)算單元、輸出通道等三個(gè)大部分構(gòu)成。主機(jī)的核心是低噪放大器、信道電路、中央處理器、存儲(chǔ)器等模塊；[4]我們可以借助軟件將衛(wèi)星信息進(jìn)行接收、采集、放大、識(shí)別、存儲(chǔ)、處理等操作以便能夠輸出有用的定位信息、速度信息和時(shí)間信息。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用的GPS模塊采用瑞士UBLOX公司的NEO5Q主芯片，此芯片為多功能獨(dú)立型GPS模塊，它以ROM為基礎(chǔ)架構(gòu)，具有成本低，體積小等眾多優(yōu)點(diǎn)。在接收端采用UBLOX公司最新的KickStart微弱信號(hào)攫取技術(shù)[5]，無論天線尺寸多大，設(shè)備所處的位置如何，只要可以接收到GPS信號(hào)，都可以確保采用此模塊的設(shè)備能夠有最佳的初始定位性能并進(jìn)行快速定位。GPS上電后，每隔一定的時(shí)間就會(huì)返回一定格式的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為：$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x每行開頭的字符都必須是‘$’，緊接著是信息類型，最后面的部分是數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)以逗號(hào)分隔開。一行完整的數(shù)據(jù)如下：$GPRMC,A,N,E,170809,A*60信息類型一共可以分為以下幾種類型：GPGSV：可見衛(wèi)星信息GPGLL：地理定位信息GPRMC：推薦最小定位信息GPVTG：地面速度信息GPGGA：GPS定位信息GPGSA：當(dāng)前衛(wèi)星信息在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中我們只用到了GPRMC和GPGGA的信息，因此在這里我們只對(duì)GPRMC和GPGGA的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)解析的介紹。（1）GPRMC數(shù)據(jù)詳解GPRMC數(shù)據(jù)信息的格式為：$GPRMC,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12*hh其中標(biāo)號(hào)“1 ”表示UTC時(shí)間，時(shí)間格式為：hhmmss(時(shí)分秒)；標(biāo)號(hào)“2”表示GPS的定位狀態(tài)，其中A表示有效定位，V表示無效定位；標(biāo)號(hào)“3”表示緯度信息，格式為：(度分)(前面的0也將被傳輸)； 標(biāo)號(hào)“4”表示緯度半球，其中包括south和north； 標(biāo)號(hào)“5”表示經(jīng)度，其格式為：(度分)(前面的0也將被傳輸)；標(biāo)號(hào)“6” 表示經(jīng)度半球，其中包括east和west；標(biāo)號(hào)“7”表示地面速率(~*103節(jié)，前面的0也是會(huì)被傳輸?shù)?；標(biāo)號(hào)“8”表示地面航向(~360度，參考基準(zhǔn)為地磁北極，同上)； 標(biāo)號(hào)“9”表示UTC日期，其日期格式為：ddmmyy(日月年)； 標(biāo)號(hào)“10”表示磁偏角(0~180度，前面的0跟上面的數(shù)據(jù)一樣會(huì)被傳輸)； 標(biāo)號(hào)“11”表示磁偏角方向，其中包括east或west； 標(biāo)號(hào)“12”表示模式指示(其中A表示自主定位，D代表差分，E表示估算，N代表數(shù)據(jù)無效)；解析內(nèi)容：1. GPS上接收到的時(shí)間格式為格林威治時(shí)間，即世界時(shí)間（UTC），因此我們需要把它轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間（BTC）以便方便我們使用，BTC和UTC的時(shí)差為8個(gè)小時(shí)，因此我們要在這個(gè)時(shí)間基礎(chǔ)上加8個(gè)小時(shí)才是北京時(shí)間。2. 定位狀態(tài)，在接收到有效數(shù)據(jù)之前，這個(gè)位為“V”，后面沒有數(shù)據(jù)，當(dāng)接到有效數(shù)據(jù)之后，這個(gè)位就變?yōu)榱恕癆”，這樣后面的數(shù)據(jù)才開始變?yōu)橛行?shù)據(jù)。3. 緯度，把緯度轉(zhuǎn)換成度分秒的格式是很有必要的，因?yàn)橹挥羞@樣我們才能看得懂。他的計(jì)算方法如下：如接收到的緯度是： / 100 = ：45度（–45）* 60 = （–27）* 60 = 經(jīng)過計(jì)算得到的緯度的數(shù)值：45度27分50秒。4. 南北緯，它包括兩種值：north and south；5. 仿照上面緯度的計(jì)算，我們就可以得到經(jīng)度的數(shù)值；6. 東西經(jīng)，這個(gè)位也有兩種值east（東經(jīng)）和west（西經(jīng)）；7. 速率，這個(gè)速率單位是海里/時(shí)，為了把它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)單位千米/時(shí)，我們應(yīng)該知道換算的比例，因?yàn)?海里 = ，這樣就可以得到標(biāo)準(zhǔn)的速率；8. 航向，指的是我們行駛的方向和正北的夾角；9. 日期，GPS中的日期為準(zhǔn)確日期，因此不需要轉(zhuǎn)換。GPGGA數(shù)據(jù)詳解GPGGA的數(shù)據(jù)格式為：$GPGGA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,M,10,M,11,12*xxCRLF$GPGGA：起始引導(dǎo)符及語句格式說明(本句為GPS定位數(shù)據(jù))；標(biāo)號(hào)“1”表示UTC時(shí)間，；標(biāo)號(hào)“2”表示緯度，(如果數(shù)據(jù)的第一位是零也將會(huì)被傳送)；標(biāo)號(hào)“3”表示緯度半球，包括N和S(北緯和南緯)；標(biāo)號(hào)“4”表示經(jīng)度，(如果數(shù)據(jù)的第一位零也將會(huì)被傳送)；標(biāo)號(hào)“5”表示經(jīng)度半球，它包括E和W(東經(jīng)和西經(jīng))；標(biāo)號(hào)“6”表示定位質(zhì)量指示，0表示定位無效，1則表示定位有效；標(biāo)號(hào)“7”表示使用衛(wèi)星的數(shù)量，從00到12(第一個(gè)零也將被傳送)；標(biāo)號(hào)“8”代表水平精確度，；標(biāo)號(hào)“9”表示天線距離海平面的高度， M代表單位米；標(biāo)號(hào)“10”表示大地水準(zhǔn)面高度， M代表單位米標(biāo)號(hào)“11”表示差分GPS數(shù)據(jù)期限(RTCM SC104)，最后設(shè)立RTCM傳送的秒數(shù)量；標(biāo)號(hào)“12”為差分參考基站標(biāo)號(hào)，數(shù)值范圍從0000到1023(如果首位為0也將會(huì)被傳送)。 GPS模塊工作原理GPS模塊原理圖如下所示： 主芯片原理圖 TTL電平接口NEO5Q的引腳功能： VCC 主電源供電引腳。GPS 接收機(jī)對(duì)工作電源的紋波較為敏感。最大電源紋波峰峰值不得超過50mV。V_BCKP 為備用電池連接引腳。在VCC主電源掉電的期間內(nèi)可以繼續(xù)維持實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備用RAM的供電。這樣的好處就是可以使接收器在溫啟動(dòng)、熱啟動(dòng)后可以恢復(fù)并保持配置設(shè)定。如果備用電池未接入，那么在上電時(shí)接收器將執(zhí)行一個(gè)冷啟動(dòng)。如果沒有后備電池，將該引腳應(yīng)該接VCC或者GND。（注：GPS 的熱啟動(dòng) 冷啟動(dòng)和溫啟動(dòng)）GPS開機(jī)定位分為冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)三種方式。冷啟動(dòng)：以下幾種情況開機(jī)均屬于冷啟動(dòng)方式。初次使用時(shí)的啟動(dòng)；電池耗盡導(dǎo)致星歷信息丟失時(shí)的啟動(dòng)；關(guān)機(jī)狀態(tài)下將接收機(jī)移動(dòng)1000公里以上距離時(shí)； 溫啟動(dòng)：距離上次定位的時(shí)間超過兩個(gè)小時(shí)的啟動(dòng)；[6] 熱啟動(dòng)：距離上次定位的時(shí)間小于兩個(gè)小時(shí)的啟動(dòng)。 有時(shí)候如果機(jī)器有軟件問題，需要進(jìn)行冷啟動(dòng)，冷啟動(dòng)可以使用GPSviewer進(jìn)行。VDD_USB USB接口電源，該引腳電壓范圍：。如USB未使用，該引腳必須連接到GND。電源功耗模式 UBLOX5 提供兩種電源模式：最大性能模式和經(jīng)濟(jì)模式。EXTINT 外部中斷引腳，用于低功耗模式喚醒功能。系統(tǒng)監(jiān)控 UBLOX5 GPS和伽利略接收器提供系統(tǒng)監(jiān)控功能，這允許嵌入式處理器的操作及關(guān)聯(lián)外圍設(shè)備的監(jiān)督。這些監(jiān)控功能作為UBX協(xié)議的部分被輸出。Class “MON”。 接口 A、UART 1 (RxD1/TxD1)是默認(rèn)的串行接口。支持?jǐn)?shù)據(jù)速率： k Bit/s to 115 K Bit/s.。信號(hào)電平：CMOS 0V 到VCC（注:RxD1 有固定輸入電壓閥值（input voltage thresholds），獨(dú)立于VCC,如引腳不用，可以將之進(jìn)行懸空處理。） B、USB 在主機(jī)的USB接口和接收器的VDD_USB引腳間必須接入一個(gè)LDO（）。接收器以USB自供電設(shè)備方式使用時(shí)，基本不耗電。但在總線供電方式下，電流最大約150mA左右。在這兩種方式間切換，LDO需要通過使能端控制其是否工作。 C、DDC C C通訊總線，SDA2 和SCL2引腳內(nèi)置上拉。做為從機(jī)模式時(shí)則無需上拉。 D、SPI I/O引腳 A、EXTINT0是一個(gè)有固定輸入電壓閥值的中斷輸入引腳。獨(dú)立于VCC，如果不使用該引腳可以將之懸空。 B、配置引腳：(CFG_COM0, CFG_COM1, CFG_GPS0)NEO5 模塊提供了一些引腳用于開機(jī)時(shí)間配置。在啟動(dòng)后這些引腳立即有效。一旦模塊啟動(dòng)，除非系統(tǒng)掉電或者復(fù)位修改后的信息一直保持，否則UBX的配置信息就會(huì)被修改。如果這些設(shè)置已存儲(chǔ)到后備的RAM中，修改后的配置將直到后備電池被中斷才會(huì)被修改。 天線供電：NEO5 RF_IN引腳不對(duì)天線供電。建議在VCC_RF輸出串接上一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮栌糜谙拗齐娏?C、定時(shí)脈沖ANTARIS/GPS 接收機(jī)提供了一個(gè)硬件同步TIMEPULSE（引腳29），時(shí)間脈沖周期（Pulse Period）從1 ms到60 s。用戶可對(duì)極性（上升沿或下降沿）和脈沖寬度進(jìn)行設(shè)置。更改TIMEPULSE 設(shè)置需要使用UBX 專用消息UBX CFG （配置，Config） TP （時(shí)間脈沖，Time Pulse）。UBX TIM （時(shí)間，Time） TP （時(shí)間脈沖，Timepulse）消息為下一個(gè)TIMEPULSE 提供時(shí)間信息，包括時(shí)間源和量化誤差。 D、EXTINT0 TimemarkGPS 接收機(jī)可用于進(jìn)行時(shí)間的精確測量，它的精度很高，達(dá)到了亞毫秒級(jí)，使用的是外部中斷0（EXTINT0）。Timemark 功能可用UBX – CFG – TM 進(jìn)行使能。測量結(jié)果使用UBX – TIM – TM 消息通過串口發(fā)送，包括上一次Timemark 定時(shí)源的時(shí)間、有效性、標(biāo)記數(shù)、時(shí)間差和量化誤差。芯片的整個(gè)工作流程為： 芯片需要通過TTL電平接口的VDD引腳給芯片供電，以維持芯片工作，芯片通過電路板連接到天線，天線接收到數(shù)據(jù)后傳給主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將解析好的數(shù)據(jù)通過TTL電平接口的TXD和RXD引腳傳遞給單片機(jī)，通過在單片機(jī)內(nèi)燒入好的程序進(jìn)行處理，最后在液晶屏上進(jìn)行顯示。第三節(jié) 存儲(chǔ)模塊在本次的行車記錄儀的設(shè)計(jì)中要求包含存儲(chǔ)模塊，將從GPS模塊收集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，以便擁有可以查閱歷史紀(jì)錄的功能。這樣的存儲(chǔ)器應(yīng)該滿足這樣的要求，首先他的存儲(chǔ)空間一定要大，這樣才能存儲(chǔ)足夠的數(shù)據(jù)，其次要保證存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一定要安全，還有就是存儲(chǔ)下來的數(shù)據(jù)可以保存足夠長的時(shí)間。單片機(jī)系統(tǒng)一般都不會(huì)采用硬盤或者軟盤作為存儲(chǔ)設(shè)備，相對(duì)的大部分單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)使用FLASH存儲(chǔ)器來存放數(shù)據(jù)和代碼。對(duì)于大容量的非易失性存儲(chǔ)器，EEPROM或Flash型存儲(chǔ)器是最普遍的選擇，它們不僅可以保證在掉電的情況下不會(huì)丟失所保存的數(shù)據(jù)，確保了數(shù)據(jù)的安全性，并且能夠改寫很多次，價(jià)格低廉，性價(jià)比相對(duì)較高。24 系列EEPROM 是一種C接口的存儲(chǔ)器，無須外圍元件操作，使用簡單，應(yīng)用廣泛。因此在本次的設(shè)計(jì)中采用ATMEL公司生產(chǎn)的ATMEL24c16做為歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。24C16采用的是C總線接口方式，C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。它通過SDA（串行數(shù)據(jù)線）及SCL（串行時(shí)鐘線)兩根線在連到總線