基于MCU的手持GPS接收机的设计
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摘 要：全球定位系统(GPS)的发展给导航领域带来了一场革命。详细介绍了一种手持式GPS接收机的设计方案。此方案基于单片机、GPS-OEM板和液晶显示屏等硬件，并从单片机系统部分和GPS解码导航电文部分两个方面讨论了方案的软件设计。经过实践测试，这种接收机可以达到基本GPS信息接收以及显示。它可以做到体积小、成本低、可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。
关键词：GPS；单片机；手持接收机；液晶
中图分类号：TP228文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1906003
Design of Portable GPS Receiver Based on mcu
HU Xiaoli
(Qishan Rainbow Electronic Co.Ltd.,Qishan,722405,China)
Abstract：GPS plays an important role in navigation field,a design scheme of portable GPS receiver is introduced which is based on single chip computer,GPS-OEM and LCD.The software design in single chip computer system and GPS decoding navigation data message is discussed.By practical measurement,the receiver can achive GPS information receive and display.It has small size and low cost,can be used in wild adventure tourism,taxi positioning and operations at sea.
Keywords：GPS;single chip computer;portable receiver;LCD
1 引 言
导航卫星定时测距全球定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging Global Position System,GPS)是美国第二代卫星导航系统。它在1973年底由美国陆海空三军等单位协调分工提出的能取代旧式的导航设备，为军用舰船、飞机、车辆等用户提供全球、全天候、连续实时服务的高精度三维导航系统。
系统由空间部分、地面监控部分和地面接收机部分组成。定位服务包括精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。PPS 授权的精密定位系统用户需要密码设备和特殊的接收机。SPS 对于普通民用用户，供全世界用户免费、无限制地使用。
2 GPS原理
GPS系统是利用电磁波的传播时间来定位的。在一个空间坐标系中，设3颗卫星在相同的时刻发射电磁波，电磁波以卫星为球心，向空间球形辐射。如果用户能计算出每一颗卫星发射的电磁波到达用户的传播时间，记为t1，t2，t3，经过电磁波传播计算以及中间修正等步骤，可以得到三颗卫星到目标P点的距离，设为ρ1，ρ2，ρ3，通过导航电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为(xj,yj,zj)(j=1,2,3)，用距离交汇的方法求解P点的三维坐标(x,y,z)的观测方程为:
ρ2j=(x-xj)2+(y-yj)2+(z-zj)2
(j=1,2,3)(1)
实际上，卫星的时钟和接收机的时钟均不可避免地存在着误差。在应用中，卫星的时钟差包含在导航电文中，而接收机的时钟差未知，将此也作为一个求解量并入式(1)中，需要增加一个方程，这也就是为什么GPS定位需要接收多余四颗卫星的原因［1］。
3 系统设计
3.1 硬件设计
3.1.1 GPS-OEM板
在接收GPS导航信号时，我们选用GPS-OEM板。GPS-OEM板是将GPS接收机的主要部件做成大规模集成电路片,并集成在一块电路板上。如图1所示。这个电路板具有接收GPS信号、处理信号、输出观测信号和定位结果等功能。利用OEM板进行二次硬件开发可研制成各种应用的GPS接收机。
TFAG-30是台湾飞鹰航太公司生产的一款GPS接收模块，该模块体积小，重量轻，封装在一个方形金属壳内，有天线插孔与接收天线相连，用户可以使用一根串行线完成数据接收工作。有两个标准的RS 232串行接口，输出电平3.3 V，数据输出速率4 800 b/s，非常适合作嵌入式产品。
3.1.2 单片机系统
方案中采用Atmel公司的AT89S52 ，图2为其单片机总线结构。 AT89S52是一种带8 kB闪速可编程可擦除制度存储器(PEROM)，低电压，高性能的CMOS微控制器。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案［2］。
3.1.3 串口通信和液晶控制
在该方案中，我们采用MAX232芯片连接GPS-OEM板，接收的导航电文解码后，将需要的信息显示在液晶屏幕上。图3和图4分别是串口通讯电路和液晶显示控制器模块。
3.2 软件设计
软件部分可分为2个部分：单片机系统部分和GPS解码导航电文部分。系统部分功能包括了：整机初始化，硬件部分的自检，键盘扫描及操作，画面的设计与显示实现，完成要求功能所需的各种库文件和库函数，如所需的字库、图标库等。解码部分用来从导航电文中获得我们需要的信息。
GPS-OEM板串行输出格式采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式。其输出数据采用的是ASCII码，内容包含了纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息，常用语句有6 种，包括GGA，GLL，GSA，GSV，RMC和VTG。
系统只关心其时间、经纬度、海拔高度、地面速度信息以及卫星使用数信息，因而可只选用GGA。
一条GGA 语句包括17个字段：语句标识头，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，300高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记(用回车符和换行符)，分别用14个逗号进行分隔。该数据帧的结构如下：
$GPGGA,,,,,,,,,,M,,M,,*xx
$GPGGA：起始引导符及语句格式说明(本句为GPS定位数据)；
UTC时间，格式为hh.mm.ss.sss；
纬度，格式为ddmm.mmmm(第一位是零也将传送)；
纬度半球，N或S(北纬或南纬)；
经度，格式为dddmm.mmmm(第一位零也将传送)；
经度半球，E或W(东经或西经)。
以上只列出了系统关心的一些参数［4］。根据以上格式，可以采用软件解码，从中提取出所需要的信息，具体流程如图5所示。
3.3 结 论
以上我们设计了一种基于单片机嵌入式的手持gps接收器的实现方案，经过实践测试，这种接收机可以达到基本GPS信息接收以及显示。它可以做到体积小、成本低、可广泛应用于个人野外旅游探险、出租汽车定位及海上作业等领域。
4 结 语
由于GPS具有全球覆盖以及精度高、定位速度快、实时性好、抗干扰能力强等特点，近年来在国内外得到广泛的应用，在各个领域发挥了极大的作用，已成为信息时代不可缺少的一部分。各种GPS民用产品的开发，已是经济和社会发展的必然要求，其前景将会非常广阔和光明，尤其是在我国，通过这些年来对它认识的不断加深，我国的GPS开发应用也一定会以科技力量推动经济和社会发展的一颗巨星，对我国的经济和社会的发展产生重大的影响。
参考文献
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