微型GPS接收機的設計

封勇韜, 花興艷

（1.海軍91550部隊93分隊 遼寧 大連 210000；2. 海軍91550部隊94分隊 遼寧 大連 116023）

從飛行目標的外彈道測量的角度看，天基測量是飛行目標外彈道測量未來的發展方向，因此，了解掌握GPS定位測量的相關知識是未來發展的需要。為了解GPS測量原理，熟悉GPS接收衛星信號的定位過程，掌握GPS接收機輸出信號的數據格式，探討GPS接收定位的測量誤差，設計并實現了微型GPS接收機。

通過GPS接收機的設計與實現，鍛煉以單片機為核心的嵌入式系統研發技術，增強了嵌入式系統開發人員的軟硬件能力，加強嵌入式編程的實踐，為飛行目標的測控系統中嵌入式系統技術的掌握奠定了基礎[1-3]。設計完成的微型GPS微型接收機，可以用于移動光測設備的站點定位，驗證光測設備的站點坐標，也可方便的用于車船出行的定位。

1 系統的設計

1.1 硬件框圖

采用軟件ProtelDXP 2004設計繪制硬件電路原理圖，生成網絡表，使用軟件ProtelDXP 2004繪制雙面印制板。硬件系統以單片機AT89C52為核心，Max813L作為單片機的硬件看門狗，使用微雪公司的12864-ST LCD液晶屏顯示信息。采用Jupiter GPS OEM板作為GPS的核心器件，使用OEM板配套的天線接收信號，使用成都視普公司的SP2339芯片進行串口擴展（1）：母串口連接單片機，兩路子串口連接OEM板，一路子串口連接計算機。USB接口采用CH375B實現，方便使用U盤存儲GPS的定位數據。硬件框圖如圖1所示。

圖1 微型GPS接收機硬件框圖Fig. 1 Block diagram of the micro-GPS receiver hardware

1.2 軟件設計

仿真器選擇南京萬利的MedWin Me52，寫片器使用Super-PRO680，編程語言選擇Keil C。主程序框圖如圖2所示。串口中斷接收數據并存儲，同時轉發數據給計算機。如果沒有計算機接收，可以選擇使用U盤存儲收到的數據。主程序讀取數據并分析顯示。在中斷中進行串口數據的收發。

2 關鍵技術

2.1 串口擴展

2.1.1 硬件電路

分析：GPS OEM板上有兩個串口：主串口傳送定位數據，輔助串口接收RTCM SC-104差分數據。單片機通過串口轉發GPS OEM板的定位數據[4]，因此共需要3個串口，而單片機AT89C52只有一個串口。

SP2339是采用低功耗CMOS 工藝設計的通用異步串行口擴展芯片，可將主機原有的1個串行口擴展成3 個全新的全雙工串行口[5]。

SP2339適用于1個起始位、8個數據位、1個停止位的多串口系統，即其幀格式是不可編程的。主機通過改變ADRI1、ADRI0地址線狀態的方式選擇3個子串口中的任意一個，3個子串口的地址分別為00、01、10。

主機收發數據時序為：主機TX3接收到一個字節后應立即讀取SP2339的輸出地址ADRO0、ADRO1的狀態，判斷接收到的數據來自哪個子串口；主機發送數據時，首先通過ADRI0、ADRI1選擇某一個子串口，再向TX3寫將發送的數據[6]。

圖2 主程序框圖Fig. 2 Bblock diagram of the main program

2.1.2 SP2339的編程

a)波特率的計算：

串口0、串口1、串口2的波特率為：

K=1 200*2m*Fosc_in/n (bps)

其中：Fosc_in晶振頻率，m為波特率倍頻系數，n為波特率分頻系數

串口3的波特率：

K3=K*4= (bps)

其中K為串口0、串口1、串口2的波特率的最大值。

b)SP2339數據的讀寫：

ADRI0、ADRI1 為串口3發送數據時的串口地址線，“00”、“01”、“10”分別對應：串口0、串口1、串口2的地址；“11”為串口3的地址。當單片機要向某一個子串口連接的下位機發送數據時，首先要將ADRI0、ADRI1置成響應的地址狀態，再將數據發送到串口3即可。

ADRO0、ADRO1 為串口3接收數據時的串口地址線，“00”、“01”、“10”分別對應：串口0、串口1、串口2的地址。當單片機的串口接收到串口3送來的數據時，立刻讀取地址線ADRO0、ADRO1的狀態，根據地址線ADRO0、ADRO1的狀態即可判斷出接收到的數據是由哪個串口上傳的。

2.2 Jupiter OEM板的連接及波特率調節

2.2.1 Jupiter OEM板的連接

“Jupiter”GPS OEM板采用20腳DIP封裝，常用管腳的說明如表1所列。

表1 “Jupiter” GPS OEM板主要管腳說明Tab.1 Main pins of the “Jupiter”GPS OEM board

2.2.2 波特率的調節

Jupite GPS OEM板具有兩種數據格式，一種是二進制方式，另一種是NMEA（也為ASCII碼）方式，可通過設置GPIO2和GPIO3來選擇不同的數據格式。選擇不同的數據格式所對應的形式不同，消息長度和內容也不同。串口選擇及波特率配置表如表2所示。

2.3 液晶屏的電路設計

采用以ST7920為核心芯片的128*64的液晶屏，自帶字庫，可選的字符顯示模式和圖形顯示模式，具有可選擇的串口模式或并口模式。

表2 串口配置表Tab.2 Configuration of the serial port

液晶屏采用定時刷屏加按鍵控制的方法，更換顯示信息：在沒有按鍵輸入時：采用定時刷新的方式；在有按鍵按下時，分析鍵值，如果是上鍵，則刷新，顯示前一屏數據，如果是下鍵，則顯示下一屏數據，如果是保持鍵，則保持本屏幕的顯示信息。

液晶屏編程函數如表3所示。

表3 液晶屏編程函數Tab.3 Programming functions of the LCD panel

2.4 單向循環鏈表的應用

GPS傳輸過來的數據：

$GPRMC,083259,A,3853.5041,N,12132.9267,E,0.000,0.0,131009,6.8,W*61

$PRWIZCH,11,7,23,7,17,0,28,7,00,0,32,7,04,0,27,0,09,0,02,0,00,0,20,7*4E

$GPGGA,083300,3853.5041,N,12132.9267,E,1,05,0.90,65.6,M,4.4,M,,*77

$GPSV,3,1,10,17,69,339,00,28,53,188,46,20,51,073,40,04,36,25 5,00*70

分析數據：其中最長的語句需要73個字符的RAM，為此，在DATA區開辟了73個字節的RAM作為緩沖區，接收到GPS發送過來的數據即存儲、同時轉發給計算機。當接收到$時，指針開始后移，當接收到回車符號時，停止移動指針，下次接到$繼續開始覆蓋式存儲。在接收數據的同時分析數據，找到需要的顯示的數據：經度、緯度、高程、數據是否有效、可見的衛星、使用解算衛星、日期、時間等數據，記錄先來，繼而顯示。

3 結 論

實踐驗證，設計的GPS接收機搜索衛星速度快，實時接收到衛星數據，單片機通過串口轉發給上位機。同時，單片機解算收到的數據，通過單片機控制，選擇顯示：可見衛星的數量，使用定位解算衛星的數量，解算出經度、緯度、高程、地球橢球面相對大地水平面的高度、日期、時間等，實現了設計要求的技術指標，達到了預定的效果。

通過基于單片機的嵌入式開發，熟悉并掌握了電路原理圖設計、繪制PCB雙面板、嵌入式編程及后期的安裝調試。通過項目的開發的鍛煉，能夠讀懂元器件DataSheet中的各項參數的含義，結合項目的要求分析各個參數的作用。

通過微型GPS接收機的設計開發，掌握了GPS的原理，熟悉了GPS接收數據的格式及各種數據的含義，為事后處理提供借鑒。

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