【正文】 指標(biāo)， 學(xué)習(xí)如何使用 NMEA 輸出命令，結(jié)合單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì) GPS接收到的衛(wèi)星信息進(jìn)行提取，并在液晶顯示器上選擇性的顯示需要的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在世面上已經(jīng)有許多基于 GPS接收模塊所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，如 GPS手持機(jī)、車(chē)載 GPS 導(dǎo)航儀等等，雖然其功能強(qiáng)大，但價(jià)格相對(duì)而言比較昂貴，而且對(duì)于普通應(yīng)用沒(méi)有必要。 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 3 頁(yè) 共 30 頁(yè) 2 GPS 定位信息顯示系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) GPS全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介 全球定位系統(tǒng) (GPS)是本世紀(jì) 70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 (1)全球 定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成： ? 地面控制部分，由主控站 (負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個(gè)地面 控制系統(tǒng)的工作 )、地面天線 (在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入尋電文 )、監(jiān)測(cè)站 (數(shù)據(jù)自動(dòng)收集中心 )和通訊輔助系統(tǒng) (數(shù)據(jù)傳輸 )組成 。 ? 用戶裝置部分，主要由 GPS 接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成 [3]。 圖 21 GPS全球定位系統(tǒng)組成 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 4 頁(yè) 共 30 頁(yè) 1978 年 2 月 22 日，第一顆 GPS 試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射成功，標(biāo)志著工程研制階段的開(kāi)始。 GPS 系統(tǒng)經(jīng)過(guò) 16 年的發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星 ，到開(kāi)發(fā) GPS 信號(hào)應(yīng)用，進(jìn)而發(fā)射工作衛(wèi)星，終于在 1994 年 3 月建成了信號(hào)覆蓋率達(dá)到了 98％ 的 GPS 工作星座，它由 24 顆 Block2 衛(wèi)星衛(wèi)星組成。 圖 22 Block2衛(wèi)星圖 (2)全球定位系統(tǒng) 有很多特點(diǎn)，其 主要特點(diǎn) 如下 ： ? 全天候； ? 全球覆蓋； ? 三維定速定時(shí)高精度； ? 快速省時(shí)高效率 ； ? 應(yīng)用廣泛多功能。只要有 4顆衛(wèi)星的定 位信息， GPS 接收機(jī)就能向用戶提供三維坐標(biāo)、時(shí)間及移動(dòng)速度等信息參數(shù)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有 4個(gè)未知數(shù)， X、 Y、 Z和鐘差，因而需要引入第 4顆衛(wèi)星，形成 4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。美國(guó)政府宣布 從 20xx 年 起 ，在保證美國(guó)國(guó)家安全不受威脅的前提下，取消 SA 政策， GPS 民用信號(hào)精度在全球范圍內(nèi)得到改善，利用 C/A 碼進(jìn)行單點(diǎn)定位的精度由 100 米提高到 20 米 。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。 GPS 信號(hào)接收方案選擇 要實(shí)現(xiàn)在液晶顯示器上顯示出接收到的 GPS數(shù)據(jù)信息，首先要實(shí)現(xiàn) GPS信號(hào)的接收。 第一種方案是選擇 GPS接收芯片然后再根據(jù)芯片設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)外圍電路和安裝天線等，選擇這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以掌握到 GPS接收部分的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，但是這個(gè)方案的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，首先實(shí)現(xiàn)的難度較大，不容易成功，其次由于 GPS 接收芯片一般都是廠商直接供貨，單獨(dú)采購(gòu)價(jià)格會(huì)很高。并且在經(jīng)過(guò)大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)后價(jià)格已經(jīng)能被我們所接受，這樣的模塊在市面上也能夠容易的購(gòu)買(mǎi)到。 GPS接收模塊的研究 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 6 頁(yè) 共 30 頁(yè) GPS 接收模塊是接收機(jī)的關(guān)鍵部分，而且型號(hào)很多，功能各異，一般組成結(jié)構(gòu)主要由低噪聲下變頻器、并行信號(hào)通道、 CPU、儲(chǔ)存器等組成。在獲取了衛(wèi)星的位置信息和測(cè)算出衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間之后，即可計(jì)算出天線位置。 GPS 接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。在這里使用常見(jiàn)的MCS51型單片機(jī)作為處理器，利用 MCS51 單片機(jī)的串行接口接收 LEA5S收模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)， 并通過(guò)軟件方法篩選出其中有用的定位數(shù)據(jù)，最后通過(guò)單片機(jī)的并行接口輸出至液晶顯示模塊顯示的方案。 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 7 頁(yè) 共 30 頁(yè) 單片機(jī)系統(tǒng)：本次設(shè)計(jì)使 用 51單片機(jī) STC89C52 作為微處理器，控制 GPS 數(shù)據(jù)的讀取和傳輸過(guò)程。 外圍電路：外圍電路一部分是由 GPS接收器件及其輔助電路組成，一部分是 LCD 液晶顯示模塊的電源電路和顯示電路。它接收天線獲取的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等一系列處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測(cè)量定位。 由此可知： GPS 接收模塊將接收到的 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航電文調(diào)制解碼，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式后，送給單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)接收到 GPS 發(fā)送過(guò)來(lái)的導(dǎo)航電文后，經(jīng)過(guò)片內(nèi)程序的識(shí)別篩選，將篩選出來(lái)的導(dǎo)航電文送到顯示模塊，并且最后通過(guò)液晶顯示器按照要求顯示出來(lái)。其大體結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令 單片機(jī) STC89C52 LCD1602 液晶顯示 GPS 接收模塊 按鍵切換顯示界面 系統(tǒng)電源 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 9 頁(yè) 共 30 頁(yè) 集和輸出管腳相兼容 [4]。 ? 外接晶振引腳（ 2根）： ? XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端； ? XTAL2(Pin18)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 ? 可編程輸入 /輸出引腳（ 32根）： ? STC89C52 單片機(jī)有 4 組 8位的可編程 I/O 口，分別為 P0、 P P P3口，每個(gè)口有 8根引腳，共 32 根。 ? STC89C52 主要功能 如表 。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 外部方式的時(shí)鐘電路如圖 33（ b）所示， RXD接地， TXD 接外部振蕩器。片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個(gè)兩相時(shí)鐘 P1和 P2，供單片機(jī)使用。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 PC 之外，復(fù) 位操作還對(duì)其他一些寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表 所示。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù) 24個(gè)振蕩周期 (即二個(gè)機(jī)器周期 )以上。 整個(gè)復(fù)位電路包括芯片內(nèi)、外兩部分。 LEA5S GPS 信號(hào)接收模塊 該設(shè)計(jì)中 GPS 信號(hào)接收模塊所選用的是 LEA5S GPS 接收模塊，該模塊是由瑞士公司生產(chǎn)，大品牌，高性能 。 信號(hào)接收模塊技術(shù)指標(biāo)如下 : （ 1） 主要特性 ? 50個(gè)通道衛(wèi)星接收功能； ? 200萬(wàn)個(gè)以上的相關(guān)系引擎 ? 可同步追蹤 GPS 及伽俐略導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào) ? 提供多種接口： UART， USB， IIC， SPI （ 2） 性能參數(shù)： ? 接收器類(lèi)型： 50個(gè)接收通道 ? GPS L1 頻率， C/A 碼 ? SBAS： WAAS， EGNOS， MSAS， GAGAN ? 啟動(dòng)時(shí)間：冷啟動(dòng) 29 sec ? 熱啟動(dòng) 1 sec ? 輔助啟動(dòng) 1 sec ? 首次定位時(shí)間： 1 sec ? 最大更新速率： 4Hz ? 靈敏度：冷啟動(dòng) 144dBm；跟蹤靈 敏度 160dBm； ? 捕獲靈敏度 160dBm ? 定位精度： Auto ? SBAS 2m ? 定時(shí)精度： RMS30ns ? 99%60ns 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 13 頁(yè) 共 30 頁(yè) ? 極限速度： 500m/s ? 運(yùn)行溫度： 40℃～ 85℃ ? 芯片尺寸： 16 mm ? 模塊尺寸： （ 3）電氣性能： ? 工作電壓： ～ ? 功耗：全速模式 135mW ? ECO模式 129mW ? 備用電池： ～ ， 25uA (4) 接口協(xié)議： ? 串行接口： 1 UART1 USB 全速 12Mbit/s ? 1 IIC1 SPI ? 其他接口： 1時(shí)間脈沖輸出； 1外部中斷輸入 ? 協(xié)議： NMEA， UBX二進(jìn)制 圖 34 GPS信號(hào)接收模塊 1602 液晶顯示模塊介紹 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn) 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 14 頁(yè) 共 30 頁(yè) 陣型液晶模塊。 1602 液晶顯 示模塊如圖 35 所示。 市面上字符液晶大多數(shù)是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。 第 2 腳： VCC 接 5V 電源正極。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平 1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0 時(shí)選擇指令寄存器。 第 6 腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端 ,高電平 1時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 15 頁(yè) 共 30 頁(yè) 第 15～ 16 腳：空腳或背燈電源。 圖 36 1602管腳 系統(tǒng)整體電路原理圖 原理圖如圖 37所示： 圖 37 系統(tǒng)整體電路原理圖 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 16 頁(yè) 共 30 頁(yè) 系統(tǒng)電源系統(tǒng) 考慮到系統(tǒng)攜帶方便故采用 3節(jié) 5號(hào)電池供電，經(jīng)測(cè)量電壓為 符合系統(tǒng)電量需求。 GPS 系統(tǒng)電源系統(tǒng)電路圖如圖 38 所示： 圖 38 GPS系統(tǒng)電源系統(tǒng)電路圖 GPS 模塊及其原理圖 經(jīng)過(guò)查看資料購(gòu)買(mǎi)的 GPS 模塊為 TTL電平，所以可以直接跟單片機(jī)通信，不用電