基于LabVIEW和STC12C5A60S2的GPS實驗裝置

何 雅 琴

(常州機電職業技術學院 信息工程學院， 江蘇 常州 213164)

0　引　言

隨著計算機技術和軟件技術的快速發展，儀器儀表的概念和設計發生了突破性的改變。目前計算機已成為很多測試系統中的核心，計算機軟件和測試系統形成了一個有機的整體，出現了新的儀器概念——虛擬儀器[1]。虛擬儀器軟件替代了傳統儀器部分硬件的功能，用戶可自定義儀器功能，技術更新周期短，開發維護費用低。在眾多的虛擬儀器開發軟件中，LabVIEW應用最為廣泛。LabVIEW是一個功能強大的開發平臺，采用圖形化的編程方式，被廣泛應用于監控、檢測、教育等領域[2-5]，很多自動化公司都使用LabVIEW平臺開發相應的軟件。國內絕大多數高校開設虛擬儀器課程時都選用LabVIEW作為授課實體。

GPS為美國研制的一套全球定位系統[6-7]。GPS具有全天候、高精度等特點，因此它在軍事、車輛導航、地震監測等領域應用廣泛。雖然我國自主研發了北斗系統，但GPS組網遠遠早于北斗系統，我國各行各業還在廣泛使用GPS終端機。

本文采用LabVIEW、STC12C5A60S2單片機開發了一套基于LabVIEW和STC12C5A60S2的GPS實驗裝置。該裝置結構簡單，非常適合高職院校電子技術、電氣自動化技術等專業學生使用，通過該裝置，學生可以學習單片機系統設計、LabVIEW編程技術等。

1　系統設計思路

基于LabVIEW和STC12C5A60S2的GPS實驗裝置包括安裝了LabVIEW軟件的電腦和具備接收GPS信號的單片機實驗板兩部分。單片機實驗板主要包括CPU、最小系統電路、電源電路、通信電路、GPS接口、鍵盤接口和液晶接口。GPS實驗裝置方案圖如圖1所示。

圖1GPS實驗裝置方案圖

在進行相關實驗時，學生首先要在單片機端編寫下位機程序，主要功能是對接收的GPS信號進行解碼，同時在電腦端LabVIEW開發平臺下編寫上位機程序。系統工作時，單片機對GPS信號解碼后通過液晶顯示屏顯示相應的經度、緯度等信息，同時通過RS-232接口把數據打包發送給電腦端。電腦端接收到單片機發送的數據后，在前面板顯示相應的信息。

2　系統硬件設計

2.1　處理器選擇

由于我院單片機課程教學都是基于51內核的單片機，所以系統選用了增強型單片機(51內核)STC12C5A60S2[8]，自動化、電子等專業的學生幾乎不要進過額外的培訓就可以對該型單片機編程。該單片機具備2個獨立波特率的串行通信口[9-10]，能夠滿足單片機與GPS模塊以及單片機與電腦通信對串口數量的要求。該單片機還包括1 280 B RAM，60 KB ROM、4個16位定時/計數器等[11]，滿足本系統開發需求。

2.2　電源部分

STC12C5A60S2單片機供電范圍為3.5～5.5 V，采用的GPS模塊HOLUX M-89 GPS供電電壓范圍為3.3～5 V，為了更好的利用已有資源，節省成本，系統放棄使用電源芯片設計電源。系統采用USB供電+電池供電方式，學生可以根據實驗需求任選其中一種(通過開關切換)。USB供電方式通過數據線從電腦端取電，電池供電則采用3節5號電池串聯產生的4.5 V電壓。具體切換電路如圖2所示。

圖2USB供電和電池供電切換電路圖

2.3　GPS接口部分

系統使用的GPS模塊為HOLUX M-89 GPS。該模塊引腳功能如下：1腳：指示燈，通電常亮，接收到衛星開始閃爍；2腳：外部復位輸入，模塊內部有復位電路(可不接)；3腳：模塊串口數據輸出；4腳：模塊串口數據輸入；5腳：GND(接地)；6腳：電源輸入[12]。模塊采用TTL電平通信，不需要進行電平轉換，可直接與單片機的串行口連接。通過配置單片機的特殊功能寄存AUXR1把單片機的串行口定義在P1口的P1.2(RXD2)和P1.3(TXD2)。HOLUX M-89 GPS實物圖和接口電路分別如圖3、4所示。

圖3　HOLUXM?89GPS實物圖圖4　GPS接口圖

2.4　液晶顯示接口部分

液晶顯示部分主要用于在下位機端顯示經緯度信息，系統采用了LCD1602液晶模塊(16字×2行)。該模塊主要由HD44780驅動控制器和液晶顯示裝置組成[13]。LCD1602具有16個引腳，與單片機的接口原理圖如圖5所示。LCD1602與單片機連接采用了8位數據線的方式(也可根據需要選擇采用4位數據線)，其8根數據線引腳分別與單片機P0口的8個引腳相連(P0口每個引腳接10kΩ上拉電阻)，3個控制引腳RS(數據/寄存器命令選擇引腳)、RW(讀/寫控制引腳)、E(使能端)分別與單片機的P2.4、P2.5和P2.6連接。電位器(10kΩ)的抽頭接LCD1602的V0引腳，用于調節液晶對比度。LCD接口如圖5所示。

圖5LCD接口圖

2.5　電腦和單片機通信接口部分

臺式機機箱背后一般包含一個DB9的串行通信口(公頭)，其通信采用RS-232電平，而STC12C5A60S2單片機的兩個串口都采用TTL電平進行通信，兩者之間不匹配，必須進行電平轉換，系統采用了一片美信公司生產的電平轉換芯片MAX232[14-15]，其接口原理圖如圖6所示。

圖6MAX232與單片機接口圖

2.6　其他部分電路說明

除了以上主要電路外，系統還包括上電復位、晶振等最小系統電路，其設計都采用了標準的接口電路。晶振電路部分選用了11.059 2 MHz的晶振，便于和電腦進行9 600 b/s通信。

3　系統軟件設計

系統軟件部分主要包括兩部分：單片機端軟件和電腦端軟件。

3.1　單片機端軟件

單片機端軟件使用了Keil μVision4集成開發環境，使用C51進行編程，主要包括主程序、GPS解碼程序、通信程序和液晶顯示程序等。電腦端發送GPS信息采集命令后，單片機串口1中斷服務程序中置為GPS采集標志位GPS_FLAG，主程序判斷到GPS_FLAG為1時，啟動接收和解碼GPS信號，同時判斷GPS_OK_FLAG是否置位，GPS_OK_FLAG為1，則把相關信息發送給電腦端。單片機端主程序流程如圖7所示。

圖7單片機端主程序流程圖

單片機端程序的核心和難點為GPS信號的解碼。GPS數據格式支持 NMEA0183 V 3.01 數據協議，其接收的數據包括了$GPGGA、$GPRMC等格式，本文選擇了對$GPRMC格式的數據進行解碼。$GPRMC數據格式如下：$GPRMC, 〈1〉,〈2〉,〈3〉,〈4〉,〈5〉,〈6〉,〈7〉,〈8〉,〈9〉,〈10〉,〈11〉,〈12〉A*hh〈CR〉〈LF〉 (其中〈3〉 代表緯度，〈5〉 代表經度)。解碼程序主要提取〈3〉和〈5〉中的內容，解碼程序主要在串口2中斷服務程序中完成，單片機每接收一字節GPS數據就產生一次串口中斷，采用移動數據窗口的方式把接收的數據移入數組gpsbuf[]中，然后開始判斷gpsbuf[]前6個字節是否為“$GPRMC”，如果匹配成功，則繼續判斷本次接收的GPS信號是否有效(〈2〉中的數據，A為有效，V為無效)，如果〈2〉中數據為A，則置位GPS_OK_FLAG(供主程序判斷)并提取和保存經度、緯度信息，解碼程序流程圖如圖8所示。

3.2　電腦端軟件

電腦端的軟件使用了LabVIEW開發平臺，主要包括用戶界面(前面板)和后臺程序(框圖程序)。

前面板的主要用于串口選擇、通信格式設定、啟動停止GPS信息采集以及顯示經度、緯度信息等。如圖 9所示，前面板的設計非常簡單，串口選擇使用LabVIEW自帶的“VISA資源名稱”控件，通信格式設定使用了4個數值輸入控件，經度、緯度顯示使用了4個數值輸出控件(精確到分)，啟動停止GPS信息采集則使用了兩個按鈕控件(注：啟動按鈕機械動作設置為釋放時轉換，停止按鈕設置為保持轉換直到釋放)。

圖8解碼程序流程圖

圖9前面板界面圖

前面板要實現用戶需要的功能，還必須編寫相應的框圖程序，本系統框圖程序的核心為電腦與單片機的通信程序。LabVIEW提供了不同通信方式所必須的各種控件和函數，用戶開發通信程序非常方便簡單。本系統使用了電腦端的9針串行通信口(RS-232)進行通信，用戶只需對LabVIEW中的VISA節點進行配置和編程。學生進行實驗時，首先在前面板的數值輸入控件輸入通信波特率、數據位數等參數，具體數值需要和單片機端的設置相一致，具體實現的框圖程序如圖10所示。LabVIEW啟動GPS信號采集后，單片機端把通過解碼后的GPS數據發送給電腦，電腦端接收到數據后在數組中通過索引數組的方式把經度緯度信息提取出來并通過數值顯示控件在前面板顯示，電腦端數據接收處理程序框圖如圖11所示。

圖10　通信參數配置框圖程序圖

圖11　數據接收處理框圖程序圖

4　實驗驗證

系統連接完畢后，分別用兩種模式給電路板供電。在電腦端的“設備管理”中查看串口號。然后運行軟件，通過數值輸入控件輸入與單片機端相一致的通信參數(9 600,8，N，1)，點擊啟動GPS采集按鈕。如圖12所示，經度緯度顯示欄顯示出了設備所在的經度緯度信息：經度(31°40′)，緯度(119°56′)(常州機電職業技術學院信息工程樓的經緯度信息)。整個實驗表明 電路板接收GPS正常，對“GPRMC”格式的GPS數據

圖12　實驗驗證前面板顯示圖

解碼正確，系統通信過程正常。

5　結　語

基于LabVIEW和STC12C5A60S2設計的GPS實驗裝置具有結構簡單、性能穩定、性價比高等特點，能夠滿足電子及電氣自動化技術等專業學生進行LabVIEW以及單片機實驗的需求，同時也能夠為類似產品的開發提供一定的參考。

參考文獻(References)：

[1]卞曉紅，穆飛航，季振宇，等. 基于虛擬技術的腦電信號檢測示教系統設計與實現[J]. 醫療衛生裝備，2011，32(4):9-10，27.

[2]任龍霞，吳為麟. 虛擬儀器在低壓電弧故障斷路器研制中的應用[J]. 電力系統保護與控制，2011，39(5)：134-138，143.

[3]岳偉甲，劉昌錦. 一種基于VC++的通信信號仿真軟件設計[J]. 四川兵工學報，2011，32(5):92-95.

[4]王建勛，周青云. 基于虛擬儀器和藍牙技術的控制系統設計[J]. 實驗室研究與探索，2015，34(3)：86-89.

[5]吳香國，曹景杰，趙新宇. 虛擬儀器的超高強混凝土結構性能測試[J]. 實驗科學與技術，2012，10(1):52-55.

[6]馬永健，張武英.GPS測量技術在地籍測量中的應用[J].重慶科技學院學報(自然科學版)，2013(5):131-134.

[7]張小紅，郭博峰.單站GPS測速在實時地震監測中的應用[J].地球物理學報，2013，56(6)：1928-1936.

[8]代斌，孫志斌，王飛龍，等. 基于PSD的靜電懸浮位置測量與控制系統設計[J]. 傳感器與微系統，2015，34(3)：97-98，102.

[9]雷瑞庭，宋躍，陳上明.遠程自動控制灌溉系統軟件的設計[J].實驗室研究與探索，2013(2)：66-69.

[10]宋躍，范王壯遠，陳衛，等.一種基于GSM的指紋遠程安防系統[J].實驗室研究與探索，2014，33(6)：111-113.

[11]余熾業，宋躍，雷瑞庭.基于STC12C5A60S2的智能循跡小車[J].實驗室研究與探索，2014，33(11)：46-49，121.

[12]何雅琴，張飛，李桂秋，等.基于GPS-GSM技術的定位系統設計[J].信息化研究，2016(3):27-29.

[13]耿永剛，李利珍.單片機技術與應用[M].上海：上海科學技術出版社，2012：187-189.

[14]李曉辰，樓喜中. 基于FPGA的多接口轉換研究與實現[J]. 電視技術，2014，38(1):66-68，76.

[15]梁天太，周英杰，張澤，等.基于MAX232實現PC機與CPU通信[J]. 新技術新工藝，2015(8):34-36.