一種低成本的GPS定位信息采集顯示系統

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(大連交通大學 電氣信息學院，大連 116028)

引 言

自1978年第一顆GPS試驗衛星升空以來，人類社會從此邁進了以衛星定位和導航的新時代[1]。與其他無線接收設備不同，GPS接收機定位精度高、可靠性強，不受天氣、時間等環境因素的干擾，在軍事、運輸、航空航天等眾多領域用途廣泛，影響深遠。但目前GPS接收機也存在著成本較高、不便攜等缺點，制約著其發展[2]。

本文針對上述情況，采用成本低廉的STC89C52芯片設計了一款低成本、手持式的GPS定位信息采集顯示系統。此系統采用U-BLOX公司的NEO-6M模塊接收GPS定位信息，并通過LCD12864液晶顯示模塊實現位置、速度等信息的顯示，同時輔以按鍵操作與LED指示燈信息提示，人機交互友好，在保證了定位精度的同時，降低了系統成本，具備很高的性價比等優勢。

1 系統工作原理與總體設計

1.1 GPS定位原理

GPS全球定位系統主要由衛星星座、地面監測和用戶設備三部分構成。其中衛星星座部分由繞地球軌道面的24顆衛星構成，主要負責向地面用戶設備發送定位信息；地面監測部分由監測站、主控站和注入站構成，主要負責向空間衛星發送指令，監控衛星的正常運轉；用戶設備部分則通過接收處理衛星的定位信息，并將其反饋給用戶[3]。其定位系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 GPS全球定位系統結構示意圖

假設地面用戶設備在t時刻開始接收衛星星座部分的導航電文信息，則△ti(i=1,2,3,4)即為衛星1～衛星4導航電文信息到達地面用戶設備的時間，根據式(1)的4個方程式可解得地面用戶設備位置的經緯度信息[4]：

(1)

其中，地面用戶設備的位置坐標x，y，z和鐘差Vt0為未知量；C為3×108m/s即光速；si(i=1,2,3,4)為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4與地面用戶設備之間的距離，由si=CΔti(i=1,2,3,4)解得；xi、yi、zi(i=1,2,3,4)為衛星的空間位置三維坐標；Vti(i=1,2,3,4)為衛星所安裝原子鐘與衛星標準時間差。

1.2 系統總體設計

本文的定位信息采集顯示系統總體設計如圖2所示，其主要通過串口實現GPS接收模塊[5]與STC89C52控制器模塊間的相互通信，并將解碼后的信息通過按鍵操作傳輸至LCD12864液晶屏內進行顯示。其中復位電路和振蕩電路確保控制器模塊的正常工作，電源模塊分別給各個子系統供電。

圖2 系統總體設計框圖

圖3 系統硬件電路圖

2 系統硬件設計

系統的硬件部分主要分為控制器模塊、GPS接收模塊、液晶顯示模塊、鍵盤與LED指示燈模塊和電源模塊5部分。

系統控制器模塊以STC89C52為核心，外接復位電路和振蕩電路，確保單片機的正常工作，該芯片具有價格低廉、能耗低以及開發方便快捷等優勢。GPS接收模塊采用瑞士U-BLOX公司生產的NEO-6M模塊，支持多種串口通信[6]波特率，其導航電文采用通用的NMEA-0183協議標準，便于單片機進行解碼；液晶顯示模塊采用LCD12864，顯示信息豐富，支持多行中英文和圖片的顯示，并且具備成本優勢；鍵盤與LED指示燈模塊內的按鍵用于配合液晶屏模塊顯示信息的切換，方便人機交互功能的實現，LED指示燈則用于顯示GPS接收模塊和控制器模塊的工作狀態；電源模塊采用紐扣電池，并經過多重濾波后對系統進行持續穩定的供電，確保整個系統正常運行。其系統硬件電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

3.1 GPS導航電文格式

本系統GPS接收機NEO-6M模塊輸出采用美國的NMEA-0183協議標準，其輸出格式為ASCII碼字符，便于采用C/C++、C#等多種高級語言進行解碼計算。

NMEA-0183協議標準格式為：$aaaaa,df1,df2,....[CR][LF]，所有的信息均由$開始，并以換行結束。$后的aaaaa這5個字符代表了信息的基本類型，其后的各個參數間以“，”隔開。常見的NMEA信息有6大類，分別為GPGGA衛星定位信息、GPGSA當前衛星信息、GPGSV可見衛星信息、GPRMC推薦定位信息、 GPVTG地面速度信息和GPGLL定位地理信息。本系統軟件部分主要采用了GPGGA、GPRMC和GPGSV這三種信息類型進行解碼計算。

3.2 系統軟件設計流程

圖4 軟件設計流程圖

系統軟件設計如圖4所示。系統通電開啟后，首先進行單片機串口通信與LCD12864液晶模塊的初始化工作，待單片機通過串口接收到GPS接收模塊傳送的導航電文信息后，判斷信息格式是否符合NMEA-0183協議標準，以確定數據是否有效。若數據有效，則將數據存儲至單片機的內存單元，并對導航電文信息進行解碼，通過接收鍵盤的輸入信息，將解碼計算后的位置、時間、速度等信息分別經液晶顯示屏反饋至用戶，若數據無效，則繼續接收導航電文數據至有效。

結 語

本文通過對采用NMEA-0183協議的GPS導航電文信息進行解碼，設計并實現了GPS定位信息的采集與顯示。通過采用U-BLOX公司生產的NEO-6M模塊簡化了系統開發過程，并且提高了實驗的成功率；采用LCD12864液晶屏可以豐富地顯示GPS所接收到的數據，