【正文】 部分，由主控站 (負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個地面控制系統(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)測站 (數(shù)據(jù)自動收集中心 )和通訊輔助系統(tǒng) (數(shù)據(jù)傳輸 )組成；(2)空間部分，由 24 顆衛(wèi)星組成，分布在 6 個道平面上； (3)用戶裝置部分， 主要由 GPS 接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成。 GPS 星座 GPS 信號接收機(jī) 地面監(jiān)控系統(tǒng) 注入信號 GPS 信號 GPS 信號 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 5 圖 2－ 1 由三大部分構(gòu)成的 GPS 衛(wèi)星全球定位系統(tǒng) 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始。 GPS 系統(tǒng)經(jīng)過 16 年來的發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星，到開發(fā) GPS 信號應(yīng)用，進(jìn)而發(fā)射工作衛(wèi)星，終于在 1994 年 3 月建成了信號覆蓋律達(dá)到了 98％的 GPS 工作星座它由 9 顆 Block2 衛(wèi)星和 15 顆 Block2A 衛(wèi)星組成。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 6 圖 2－ 2 BlockⅡ /Ⅱ R 衛(wèi)星 全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： (1)全天候； (2) 全球覆蓋； (3)三維定速定時高精度； (4)快速省時高效率： (5)應(yīng)用廣泛多功能。 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 7 圖 2－ 3 GPS 衛(wèi)星工作星座圖 由于衛(wèi)星的位置精確可知，在 GPS 觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用 3 顆衛(wèi)星，就可以組成 3 個 方程式，解出觀測點(diǎn)的位置 (X,Y,Z)。 事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住 4 顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組 4 顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。美國政府宣布 2020 年 起 ，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消 SA政策， GPS 民用信號精度在全球范圍內(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)四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 8 收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準(zhǔn)確的位置。 GPS 接收模塊的研究 GPS 接收 模塊是接收機(jī)的關(guān)鍵模塊，而且型號很多，功能各異，一般的組成結(jié)構(gòu)主要由低噪聲下變頻器、并行信號通道、 CPU、儲存器等組成。在獲取了衛(wèi)星的位置信息和測算出衛(wèi)星信號傳播時間之后，即可計算出天線位置。 圖 2－ 4 GPS 接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 前置放大 低噪聲 下變頻器 并行信號 通道 本振 CPU RAM ROM 天線 GPS 接收模塊 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 9 接收 GPS 定位信號方案 要實(shí)現(xiàn)在液晶顯示器上顯示出接收到的 GPS 地理信息，首先要實(shí)現(xiàn) GPS信號的接收和調(diào)制。 第一種方案 是選擇 GPS 接收芯片 然后再 根據(jù)芯片設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)， 設(shè)計外圍電路和安裝天線等，選擇這個方案的優(yōu)點(diǎn)是可以掌握到 GPS 接收部分的電路設(shè)計技術(shù)，但是這個方案的缺點(diǎn)也是顯而易見的 ，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)采購價格會很高。當(dāng)然其缺點(diǎn)就體現(xiàn)在，由于 GPS 接收模塊已經(jīng)由廠家完成了設(shè)計與封裝，所以其核心技術(shù)我們就不得而知。并且 在 經(jīng)過大規(guī)模 的商業(yè)化 生產(chǎn)后價格已經(jīng)很低，這些模塊在市面上也能夠非常容易的購買到。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 10 第 3 章 基于單片機(jī)的 GPS 硬件設(shè)計 基于單片機(jī)的 GPS硬件總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)總體設(shè)計方案 ， 該 基于單片機(jī)的 GPS 硬件設(shè)計 主要由 GPS 信號接收部分（ SERF GS1100 GPS 信號接收模塊）、控制芯片（ AT89S51 單片機(jī)）、顯示部分（ 1602LCM 液晶顯示模塊）、電平轉(zhuǎn)換電路（ MAX232）這幾部分構(gòu)成。 圖 3－ 1 基于單片機(jī)的 GPS 硬件 總體結(jié)構(gòu)框圖 GPS 接收模塊 A T 8 9 S 5 1 液 晶 顯 示 屏 電平轉(zhuǎn)換 GPS 信號 電 源 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 11 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計硬件部 分 介紹 AT89S51 微處理器主要性能 AT89S51是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ Flash）和 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash存儲單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的 AT89S51提供了高性價比的解決方案。其將通用的微處理器和 Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。與 MCS51 兼容 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz ISP在線編程功能 128*8位內(nèi)部 RAM 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 內(nèi)部集成看門狗計時器 電源關(guān)閉標(biāo)識 具有雙工 UART串行通道 低功耗的內(nèi)置和掉電模式 模塊具有 12 通道并行接收 能力 ， 所接收的 GPS 信號屬于 民用頻段的 L1 信號（ ），在沒有SA 干擾的情況下平均定位誤差為 10 米，動態(tài)速度誤差為 米 /秒，信號靈敏度更是高達(dá)－ 153dBm，冷啟動定位時間為 50 秒，熱啟動時間為 35 秒，重新定位時間僅僅需要 8 秒。 天線采用的是體積小、可靠性高、靈敏度高的微帶天線，該天線與 整個模塊封裝在防水的塑料外殼里，更進(jìn)一步的提高了整個模塊的可靠性。％ 10，工作電流僅為 60mA，其優(yōu)異的節(jié)能特性完全可以和 AT89S51 等芯片共用一組 電池 電源 ，使得這一模塊在移動手持設(shè)備上有了更廣泛的用途。 圖 3－ 4 1602 液晶顯示模塊 表 3－ 1 CGROM 和 CGRAM 中字符代碼與字符圖形對應(yīng)的關(guān)系 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 15 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中 : 第 1 腳： VSS 為地電源 。 第 3 腳： V0 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高， 使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度 。 第 5 腳： RW 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 圖 3－ 6 AT89S51與 1602LCM液晶顯示模塊 的 連接方式 電平轉(zhuǎn)換電路介紹 由于 我們所采用的 SERF GS1100 GPS 信號接收模塊輸出信號為 RS－ 232電平，而 AT89S51 單片機(jī)串口所使用的電平為 TTL 電平 ，所以為了能使單片機(jī)正常的與 SERF GS1100 GPS 信號接收模塊進(jìn)行通訊，故需要對電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，經(jīng)查閱資料后決定采用 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片。 電源 考慮到該系統(tǒng)的移動便攜性， 因此 決定使用電池作為電源，在電池的選擇上我參考了單片機(jī)、液晶模塊、 GPS接收模塊、 232電平轉(zhuǎn)換電路的最佳工作電壓，選擇了四節(jié)鎳氫電池串連作為電源，該電池在充滿電后實(shí)測電壓為 ， 四節(jié)電池 串連后電壓為 ，其最佳 供電 電壓平臺在 ， 足以 滿足上述模塊的電壓要求。 基于單片機(jī)的 GPS 硬件連接 介紹 整個硬件 設(shè)計要求 GPS接收模塊輸出的信號通過電平轉(zhuǎn)換電路及必要的連接器件將 MCU（ AT89C51）、 GPS信號接收模塊、液晶顯示模塊 、電四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 18 源相 連接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 19 第 4 章 基于單片機(jī)的 GPS 軟件設(shè)計 GPS NAEA 0183 數(shù)據(jù) 格式 介紹 NMEA－ 0183 是美國國家海洋電子協(xié)會 （ National Marine Electronics Association） 為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前廣泛采用的是 Ver 版本。 此協(xié)議是為了在不同的 GPS 導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的 RTCM 標(biāo)準(zhǔn) 。 這種格式所輸出的語句采用的是 ASCⅡ 字符碼，包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、時間、航向、以及衛(wèi)星信號情況等信息。 $GPRMC 語句數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容為： 1定位點(diǎn)的協(xié)調(diào)世界時間（ UTC）， hhmmss（時分秒）格式； 2定位狀態(tài)， A＝有效定位， V＝無效定位； 3定位點(diǎn)緯度， （度分）格式； 4緯度半球， N（北半球）或 S（南半球）； 5定位點(diǎn)經(jīng)度， （度分）格式 。 基于單片機(jī)的 GPS 軟件開發(fā)環(huán)境 程序編譯環(huán)境―― Keil uVision2 該 軟件 采用 了 匯編語言編寫，并在 Keil uVision2開發(fā)環(huán)境下編譯、調(diào)試。 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 21 圖 4－ 1 Keil uVision2 界面圖 串口通信調(diào)試工具―― COMPort Debuger 由于 本次設(shè)計要涉及到串口與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，所以在調(diào)試的時候有必要使用一款串口調(diào)試軟件輔助軟件的調(diào)試，我所選用的是 COMPort Debuger 。 如圖 4－ 2，正在使用該軟件模擬 GPS 向單片機(jī)發(fā)送 GPS 地理數(shù)據(jù)，以輔助調(diào)試程序和硬件。 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 23 圖 4－ 3 GPS 接收模塊調(diào)試 軟件 —— uNav Analyzer 由于該 GPS 接收模塊 在第一次使用時需要在電腦上進(jìn)行初始化串口輸率和測試接收 GPS 地理數(shù)據(jù)，故需要選擇一款軟件來配合。 該軟件可以對 SERF GS1100 GPS 信號接收模塊進(jìn)行波特率 選擇 ，輸出語句選擇 等設(shè)置。 圖 4－ 4 uNav Analyzer 接收 GPS 地理數(shù)據(jù) 潘越： 基于單片機(jī)的 GPS 設(shè)計 25 圖 4－ 5 uNav Analyzer GPS 衛(wèi)星信號以及漂移情況 基于單片機(jī)的 GPS 軟件設(shè)計思路 該 GPS 設(shè)計的核心部分是 GPS 接收模塊與單片機(jī)的通訊，以及單片機(jī)將收到的信息篩選編排顯示位置后送到 LCM 液晶模塊顯示。該軟件 分為了串口初始化模塊，液晶模塊初始化模塊，數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)格式調(diào)整送顯模塊這四個主要模塊。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 26 圖 4－ 6 軟件 程序流程圖 各模塊軟件設(shè)計 串口初始化模塊 在該模塊中設(shè)置的波特率為 9600（晶振頻率為 ），所以選擇定時器工作為工作方式 2，給 定時器 1 高位低位分別賦值 0FDH。定時器工作方式選擇 MOV TH1,0FDH。 MOV PCON,00H。串口工作方式選擇 液晶模塊初始化模塊 在該設(shè)計中所使用的是 1602 液晶模塊，其初始化方法參閱了該模塊的通用說明書，其標(biāo)準(zhǔn)初始化描述如下： 延時 15ms 寫指令 38H（不檢測忙信號） 延時 15ms 寫指令 38H（不檢測忙信號） 延時 15ms 寫指令 38H（不檢測忙信號） 寫指令 38H 寫指令 38H：顯示模式設(shè)置 寫指令 08H：顯示關(guān)閉 寫指令 01H：顯示清屏 寫指令 06H：顯示關(guān)標(biāo)移動設(shè)置 寫指令 0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置 其中在實(shí)際使用中延時段程序的實(shí)際延時可以比 15ms 長些，對初始化并無影響。清屏 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 28 ACALL ENABLE CALL delay1 MOV P0,38H ACALL