- 相關(guān)推薦
GPS模塊在便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：GPS是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,目的是在全球范圍內(nèi)對(duì)地面或空中目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和監(jiān)測(cè)。文章討論了GPS模塊TU-30的工作原理，介紹了其在便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了這種GPS模塊與單片機(jī)的接口電路。關(guān)鍵詞：GPS；TU-30；單片機(jī)；衛(wèi)星定位；導(dǎo)航
�。保牵校酉到y(tǒng)簡(jiǎn)介
�。牵校邮牵牵欤铮猓幔欤校铮螅椋簦椋铮睿椋睿纾樱螅簦澹淼目s寫(xiě)，即全球定位系統(tǒng)。其目的是在全球范圍內(nèi)對(duì)地面和空中目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和監(jiān)測(cè)。隨著全球性空間定位信息應(yīng)用的日益廣泛，ＧＰＳ提供的全時(shí)域、全天候、高精度定位服務(wù)將給空間技術(shù)、地球物理、大地測(cè)繪、遙感技術(shù)、交通調(diào)度、軍事作戰(zhàn)以及人們的日常生活帶來(lái)巨大的變化和深遠(yuǎn)的影響。
目前的民用ＧＰＳ設(shè)備包括測(cè)量型和導(dǎo)航型。其中測(cè)量型產(chǎn)品的精度可達(dá)到米級(jí)甚至毫米級(jí)，但至少需要兩臺(tái)（套）才能達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單機(jī)成本一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)，適合專業(yè)高精度測(cè)量環(huán)境使用；導(dǎo)航型產(chǎn)品，由于其使用者對(duì)精度要求不高，一般為幾十米，因此機(jī)器內(nèi)部硬件相對(duì)簡(jiǎn)單，只須一臺(tái)就可以完成導(dǎo)航工作，加之其價(jià)格相對(duì)較低，因而更有普及和推廣價(jià)值。
ＧＰＳ系統(tǒng)一般由地面控制站、導(dǎo)航衛(wèi)星和用戶接收機(jī)三大部分組成。導(dǎo)航衛(wèi)星至少２４顆，均勻分布在６個(gè)極地軌道上，軌道的夾角為６０度，距地平均高度為２０?２００公里，每１２恒星時(shí)繞地球一周。
�。牵校有盘�(hào)接收機(jī)的任務(wù)主要是捕獲一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，同時(shí)對(duì)所接收到的ＧＰＳ信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出ＧＰＳ信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出ＧＰＳ衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，最終實(shí)時(shí)計(jì)算出現(xiàn)測(cè)站的三維位置、位置、甚至三維速度和時(shí)間。
靜態(tài)定位時(shí)，ＧＰＳ接收機(jī)在捕獲和跟蹤ＧＰＳ衛(wèi)星的過(guò)程中固定不變，接收機(jī)通過(guò)高精度測(cè)量ＧＰＳ信號(hào)的傳播時(shí)間，并利用ＧＰＳ衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用ＧＰＳ接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。ＧＰＳ信號(hào)接收機(jī)所在的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。由于載體上的ＧＰＳ接收機(jī)天線在跟蹤ＧＰＳ衛(wèi)星的過(guò)程中將相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，這樣，接收機(jī)用ＧＰＳ信號(hào)就可實(shí)時(shí)地測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機(jī)硬件、機(jī)內(nèi)軟件以及ＧＰＳ數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成了完整的ＧＰＳ用戶設(shè)備。ＧＰＳ接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在測(cè)站上，接收單元?jiǎng)t置于測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤�，并用電纜線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。實(shí)際上，也可以將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，而在觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。
�。牵校咏邮諜C(jī)一般用蓄電池做電源，同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電池的過(guò)程中，機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為ＲＡＭ存儲(chǔ)器供電，以防丟失數(shù)據(jù)。
�。玻裕眨常埃牵校幽K簡(jiǎn)介
�。裕眨常澳K是美國(guó)羅克韋爾公司的ＧＰＳ產(chǎn)品，其特點(diǎn)是體積小、接口簡(jiǎn)單、可靠性好。模塊的組織結(jié)構(gòu)是一個(gè)用于接收ＧＰＳ信號(hào)的單片機(jī)小系統(tǒng)。ＧＰＳ信號(hào)接收部分由Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的芯片及其外圍電路組成。其控制內(nèi)核是一個(gè)ＤＳＰ處理器，該處理器具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，并有兩個(gè)串口和時(shí)鐘輸出；外圍電路有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并帶有Ｅ２ＰＲＯＭ（保存重要參數(shù)）、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ等存儲(chǔ)器，可對(duì)相關(guān)重要信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、交換；此外，還留有ＤＧＰＳ接口。該模塊的衛(wèi)星采集啟動(dòng)方式分為４種模式：熱啟動(dòng)方式、初始啟動(dòng)方式、冷啟動(dòng)方式、凍結(jié)啟動(dòng)方式；而導(dǎo)航模式則有３維模式、２維模式和ＤＧ-ＰＳ模式３種。圖１所示是該模塊的硬件結(jié)構(gòu)。
�。裕眨常埃牵校幽K留有天線接口，可以用同軸電纜與天線進(jìn)行連接，天線可延長(zhǎng)３０米。此外，它還留有２０Ｐｉｎ應(yīng)用接口，可方便地與單片機(jī)、ＰＣ機(jī)等設(shè)備進(jìn)行接口。
表1TU-30GPS的模塊中的20針接口定義
接口功能Pin1前置放大電源輸入Pin25V電源輸入Pin3電池電源輸入Pin5主復(fù)位輸入Pin7NMEA協(xié)議選擇Pin8ROM默認(rèn)選擇Pin11串口1數(shù)據(jù)輸出Pin12串口1數(shù)據(jù)輸入Pin14串口2數(shù)據(jù)輸出Pin15串口2數(shù)據(jù)輸入Pin191PPS時(shí)間標(biāo)志輸出Pin2010kHz時(shí)鐘輸出Pin4,6,9,17無(wú)連接NCPin10,13,16,18接地
�。常牵校幽K的串行數(shù)據(jù)接口規(guī)范
�。牵校幽K的應(yīng)用關(guān)鍵在于串口通信協(xié)議的制定，也就是模塊的相關(guān)輸入輸出協(xié)議格式。它主要包括數(shù)據(jù)類型與信息格式，其中數(shù)據(jù)類型主要有二進(jìn)制信息和ＮＭＥＡ?全國(guó)海洋電子學(xué)會(huì)?數(shù)據(jù)信息。這兩類信息可以通過(guò)串口與ＧＰＳ接收機(jī)進(jìn)行通信。這里重點(diǎn)介紹ＴＵ－３０的二進(jìn)制信息字格式與字結(jié)構(gòu)。ＴＵ－３０的傳輸速率為９６００ｂｐｓ，無(wú)奇偶校驗(yàn)，有８位數(shù)據(jù)位，１位停止位。其二進(jìn)制信息字格式包括信息頭、頭校驗(yàn)、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等。
�。裕眨常爸械拿總�(gè)信息都有頭，但不一定有數(shù)據(jù)，信息的應(yīng)答和請(qǐng)求以頭的形式完成。二進(jìn)制信息頭通常由如下五個(gè)字組成：
Ｗｏｒｄ１：１００００００１１１１１１１１１；
Ｗｏｒｄ２：信息ＩＤ；
Ｗｏｒｄ３：數(shù)據(jù)子計(jì)數(shù)；
�。祝铮颍洌矗簯�(yīng)答／無(wú)應(yīng)答；
�。祝铮颍洌担侯^校驗(yàn)。
頭校驗(yàn)計(jì)算公式為：
一般情況下，二進(jìn)制信息數(shù)據(jù)由如下４個(gè)字組成：
�。祝铮颍洌叮河|發(fā)；
�。祝铮颍洌罚洪g隔；
�。祝铮颍洌福浩屏�；
Ｗｏｒｄ９：數(shù)據(jù)校驗(yàn)。
頭校驗(yàn)計(jì)算公式為：
�。裕眨常爸械拿總�(gè)字均為１６位，有無(wú)符號(hào)整型和有符號(hào)整形之分。按字長(zhǎng)又可分為單精度（１６ｂｉｔ）、雙精度（３２ｂｉｔ）和三精度（４８ｂｉｔ）。保留位輸入時(shí)為０，獨(dú)立定義位域標(biāo)志位時(shí)可為０或１。
ＴＵ－３０中的輸出信息如下：
信息位置狀態(tài)輸出（經(jīng)度、緯度、時(shí)間、高度等）；
信息ＩＤ為１０００，信息長(zhǎng)度為５５個(gè)字；
�。牛茫牛茽顟B(tài)輸出：信息ＩＤ為１００１，信息長(zhǎng)度為５４個(gè)字；
通道摘要?信息ＩＤ為１００２，信息長(zhǎng)度為５１個(gè)字；
通道測(cè)量?信息ＩＤ為１００７，信息長(zhǎng)度為１５４個(gè)字；
…
用戶設(shè)置輸出：信息ＩＤ為１０１２，信息長(zhǎng)度為２２個(gè)字；
內(nèi)建測(cè)試結(jié)果：信息ＩＤ為１１００，信息長(zhǎng)度為２０個(gè)字；
測(cè)量時(shí)間標(biāo)記：信息ＩＤ為１１０２，信息長(zhǎng)度為２５３個(gè)字；
串口通信參數(shù)：信息ＩＤ為１１３０，信息長(zhǎng)度為２１個(gè)字；
�。牛牛校遥希蜖顟B(tài)：信息ＩＤ為１１３６，信息長(zhǎng)度為１８?jìng)�(gè)字。
下面是ＴＵ－３０的輸入信息描述：
測(cè)量位置和速度初始化：信息ＩＤ為１２００，信息長(zhǎng)度為２７個(gè)字�，F(xiàn)以此為例來(lái)介紹各信息字的具體含義：
字１～４：信息頭；
�。担侯^校驗(yàn)；
�。叮盒蛄刑�(hào)；
７：初始化控制；
�。浮保叮海牵校訒r(shí)間、日期；
�。保贰保福壕暥�；
�。保埂玻埃航�(jīng)度；
�。玻薄玻玻焊叨�；
２３～２４：對(duì)地速度；
�。玻担盒l(wèi)星軌道仰角；
�。玻叮号郎剩�
２７：數(shù)據(jù)校驗(yàn)。
下面是ＴＵ－３０的其它信息，其具體內(nèi)容可參見(jiàn)相關(guān)文檔。
用戶數(shù)據(jù)定義：信息ＩＤ為１２１０，信息長(zhǎng)度為２０個(gè)字；
地圖選擇信息數(shù)據(jù)：信息ＩＤ為１２１１，信息長(zhǎng)度為８?jìng)�(gè)字；
衛(wèi)星仰角屏蔽控制（０～±л／２）：信息ＩＤ為１２１２，信息長(zhǎng)度為８?jìng)�(gè)字；
衛(wèi)星選擇：信息ＩＤ為１２１３，信息長(zhǎng)度為１０個(gè)字；
差動(dòng)ＧＰＳ控制：信息ＩＤ為１２１４，信息長(zhǎng)度為９個(gè)字；
冷起動(dòng)控制：信息ＩＤ為１２１６，信息長(zhǎng)度為９個(gè)字；
定位方法校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：信息ＩＤ為１２１７，信息長(zhǎng)度為１３個(gè)字；
無(wú)線類型選擇（主動(dòng)／被動(dòng)）：信息ＩＤ為１２１８，信息長(zhǎng)度為８?jìng)�(gè)字；
用戶登錄高度輸入：信息ＩＤ為１２１９，信息長(zhǎng)度為１２個(gè)字；
應(yīng)用平臺(tái)控制（默認(rèn)、靜態(tài)、海洋、陸路、空中）：信息ＩＤ為１２２０，信息長(zhǎng)度為８?jìng)�(gè)字；
串口通信參數(shù)信息：信息ＩＤ為１２２１，信息長(zhǎng)度為１５個(gè)字；
導(dǎo)航配置信息：
信息協(xié)議控制：…
以上相關(guān)信息通常都保存到模塊的ＥＥＰＲＯＭ中。
４與單片機(jī)構(gòu)建的便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)
�。矗庇布Y(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)時(shí)，通常將ＴＵ－３０模塊的串口１與單片機(jī)的串口相連接，模塊與天線的連接可以加一級(jí)前置放大器。天線可選用東芝天線，也可以專門(mén)定制�？蛇x用ＬＣＤ屏顯示經(jīng)緯度、時(shí)間、高度等數(shù)據(jù)。電源采用４節(jié)堿性電池，易于更換。
�。停茫湛蛇x用德州儀器的ＭＳＰ４３０ｆｌａｓｈ（Ｆ１３Ｘ）系列。ＭＳＰ４３０系列為１６位單片機(jī)，處理速度快，功耗低，體積小，適合在便攜式儀器上使用。同時(shí)，ＭＳＰ４３０單片機(jī)支持Ｃ語(yǔ)言，易于編程。
屏幕菜單采用字符型西文顯示，可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低成本，很適合于民用；也可以選用大屏幕彩色點(diǎn)陣液晶，它界面友好、美觀，但軟件工作量大，硬件成本高。鍵盤(pán)可選擇３個(gè)觸摸鍵，菜單功能全部可用軟件實(shí)現(xiàn)。因?yàn)椋停樱校矗常皢纹瑱C(jī)的電源為３．３Ｖ?而ＴＵ－３０的電源為５Ｖ，所以?需要用ＤＣ－ＤＣ電源轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理。如果采用充電電池?則還需要充電電路。ＧＰＳ模塊與單片機(jī)的接口原理如圖２所示。
�。矗曹浖O(shè)計(jì)
圖３所示是ＴＵ－３０ＧＰＳ模塊的軟件流程圖。該軟件的編寫(xiě)主要是設(shè)置ＧＰＳ模塊與ＭＣＵ之間的串口通信、參數(shù)顯示及人機(jī)接口。主要包括初始化、串口通信、數(shù)據(jù)處理、故障提示、顯示、鍵盤(pán)處理、電源管理等部分。其中初始化包括ＭＳＰ４３０中各種寄存器的配置、串口相關(guān)參數(shù)配置（波特率，模式）及外圍電路（ＬＣＤ、電源等設(shè)備檢測(cè)）的初始化等；
串口通信包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗(yàn)，通信故障提示等；數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)刷新等；故障提示包括設(shè)備故障、通信故障、電源故障等。電源管理主要是電源欠壓提示和當(dāng)前電源狀態(tài)顯示。
另外，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意ＧＰＳ模塊的天線要求，具體有以下兩點(diǎn)：
�。ǎ保┨炀�增益應(yīng)為３０ｄＢ，阻抗應(yīng)為５０Ω。
（２）無(wú)線頻率信號(hào)環(huán)境方面要求，即ＲＦ輸入Ｌ１的載波頻率應(yīng)為１０ＭＨｚ，帶寬中心點(diǎn)應(yīng)為０ｄＢＷ。５結(jié)束語(yǔ)
�。牵校訉�(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)用著重于多衛(wèi)星系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離監(jiān)控以及多功能顯示等方面。使用多衛(wèi)星系統(tǒng)（如ＧＮＳＳ綜合導(dǎo)航定位系統(tǒng)）進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)，衛(wèi)星較多可保證實(shí)時(shí)定位的精度與可靠性。
此外，ＧＰＳ定位還受ＧＰＳ網(wǎng)的限制，應(yīng)用ＧＰＳ衛(wèi)星定位技術(shù)建立的控制網(wǎng)叫ＧＰＳ網(wǎng)。歸納起來(lái)大致可分為兩大類：一類是全球或全國(guó)性的高精度ＧＰＳ網(wǎng)，這類ＧＰＳ網(wǎng)中相鄰點(diǎn)的距離在數(shù)千公里至上萬(wàn)公里，其主要任務(wù)是作為全球高精度坐標(biāo)框架或全國(guó)高精度坐標(biāo)框架，以為全球性地球動(dòng)力學(xué)和空間科學(xué)方面的科學(xué)研究工作服務(wù)。另一類是區(qū)域性的ＧＰＳ網(wǎng)，包括城市或礦區(qū)ＧＰＳ網(wǎng)，ＧＰＳ工程網(wǎng)等，這類網(wǎng)中的相鄰點(diǎn)間的距離為幾公里至幾十公里，其主要任務(wù)是直接為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。
【GPS模塊在便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用】相關(guān)文章：
MRFIC1502在GPS接收器中的應(yīng)用08-06
無(wú)驅(qū)動(dòng)USB認(rèn)證模塊在電子商務(wù)中的應(yīng)用08-06
液晶顯示模塊MGLS240128在圖形顯示中的應(yīng)用08-06
IGBT-IPM智能模塊的電路設(shè)計(jì)及在SVG裝置中的應(yīng)用08-06
液晶顯示模塊DMF-50081在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用08-06
車工實(shí)訓(xùn)論文：模塊化教學(xué)在車工實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用08-15
PC/104模塊Diamond-MM-AT的原理與應(yīng)用08-06