基于MSP430单片机的GPS定位系统设计

李 斌，贾 巍，赵 奇

（辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，葫芦岛 125105）

基于MSP430单片机的GPS定位系统设计

李 斌，贾 巍，赵 奇

（辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，葫芦岛 125105）

0 引言

随着社会的发展和科学技术的进步，使得我们判别方向和确定距离的能力有了划时代的进步。全球卫星定位系统GPS便是近年以来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。目前，GPS技术在中国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，随着中国经济的发展，高等级公路的快速修建和GPS技术的应用研究的逐步深入，其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用[1]。

1 GPS系统组成

整个GPS系统分为三个基本部分:空间部分-GPS卫星星座；地面控制部分-地面监控系统;用户设备部分-GPS信号接收机[2]。

1.1 空间部分

空间部分由21颗工作卫星和3颗在轨道备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度。对于地面观测者来说，位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。

1.2 地面控制部分

GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站的任务是收集、处理本站和监测站的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统。注入站的任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供卫星的观测数据。监测站是一个无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据传送到主控站。

1.3 用户设备部分

用户设备是满足用户定位精度和动态特性要求的GPS接收机，其功能是接收卫星播发的信号，获取定位观测值，提取导航电文中的广播卫星星历、卫星时钟钟差及电离层延迟修正参数等，并经过数据处理，已完成导航和定位任务。图1是GPS用户接收机的基本结构图。

图1 GPS用户接受机的基本结构图

2 GPS接收机结构原理

GPS信号接收机的任务是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理[3]。如图2所示。

图2 GPS接收机示意图

1）天线单元:它是由接收天线和前置放大器组成。GPS接收机天线有:定向天线、偶极子天线、微带天线、螺旋天线等。

2）接收单元:接收单元包括通道单元及计算和显示单元两部分。通道单元的主要功能是接收来自天线单元的信号，经过变频放大、滤波等一系列处理过程，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置的数据信息。

3 系统硬件设计

对整个GPS定位系统的硬件进行模块化设计，主要关于GPS应用方面，能够接收GPS信号，并能对接收信号进行处理显示，可以提供完备的外部接口，方便智能仪器与其它设备连接，要能对误差进行有效的控制，有提高精度的作用，系统要求体积小，移动方便，功耗低。

由于MSP430F449是具有强大处理能力的16位单片机，采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns，这些特点保证了可编制出高效率的源程序。所以设计主要以MSP430F449微控制器为中心，利用GR-89 GPS接收模块接收GPS信号，其可以同时追踪二十颗星，由于在某些情况下，GPS接收模块无法良好接收信号，以至系统无法处理显示出方位的准确三维信息，所以再使用SCP1000压力传感器来定位出高度信息，这样就能提高系统的整体精度。由于MSP430微控制器具有高达160段液晶驱动能力和超低功耗，适用于手持式智能仪器仪表的设计[4]。

图3 系统结构图

系统集成了USB、GPS、Temperature Sense和Pressure Sense的智能仪器。系统的结构框图如图3所示。其中，MSP430为中央处理器，POWER MANAGE为电源管理模块，Flash是系统存储模块，USB和Bluetooth为信息传输模块，KEY为键盘输入模块，LCM液晶显示模块，PS为压力传感器模块，TS为温度传感器模块。

由于本系统中对速度的要求不高，而且开发完整的USB与微控制器的接口需要大量的时间，在这里我们将简化USB接口的设计，将UART中的数据利用转换芯片转换成USB的数据类型。采用FT8U232AM芯片，其提供了单片集成多功能数据传输解决方案。电路原理如图4所示。

图4 FT8U232AM电路原理图

USB接口采用mini-B接口，电源VCC-BAR为4.75-5.25V,晶振为6MHz,芯片93C46是微芯（Microchip）公司产的1K串行EEPROM,操作电压为5V。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。全球定位系统的主要特点：1）全天候；2）全球覆盖；3）三维定速定时高精度；4）快速省时高效率：5）应用广泛多功能[5]。

本设计采用GR-89 GPS接收模块，该模块采用SiRF GSC3F芯片技术，模块功能图如图5所示。GR-89是一高性能的、低功耗、小尺寸的易集成的GPS模块，非常适合于导航与定位服务，GR-89在减少体积和功耗时采用BGA封装及高度集成化的电路达到优异的性能，系统可通过两个RS-232进行双向通信。

图5 GR-89功能图

依据GR-89模块的引脚功能，且系统可通过两个RS-232进行双向通信。而且MSP430F449有两个UART口。各个引脚接法如下：17（RF-IN）引脚接GPS天线，NRESET引脚接MSP430F449，作为GR-89的复位信号；两个串行通信口分别接相应的UART；GPIO作为信号灯输出端口；电源端应接小容量的独立电容，以提高系统的抗干扰能力，未用到的接口悬空即可。这样，GR-89模块的电路原理图如图6所示。

图6 GR-89电路原理图

4 SCP1000压力传感器接口设计

压力传感器用来测定高度信息，以弥补GPS接收机在某些情况下，高度信息误差较大的缺陷。这里我们采用SCP1000压力传感器，高精度气压传感器，精确测量大气压，可适用于高度计等场合，全部高精度的数字输出，可以应用于手表，无人机等需要测气压或者高度的场合。SCP1000-D01提供了高精度、高速、低功耗和超低功耗四种测量模式。其内部结构如图7所示。

图7 SCP1000-D01内部结构

SCP1000-D01采用了贴片式设计和ASIC封装，功耗相当小，其工作电压为2.4 V～3.3 V。电流最大仅为50μA，近乎于可以忽略不计。SCP1000-D01为圆形结构，直径仅为6 mm。高度仅为1.7 mm。SCP1000-D01共有16个引脚.其中I/O型引脚7个，电源型引脚9个，与MSP430接口电路如图8所示。

图8 SCP1000-D01接口电路

5 电源管理模块设计

电源管理模块采用AME8801芯片，该系列AME8801/8840拥有很低的静态电流和转化电压，从而使其很适合应用于电池电压转换，很节省空间的SOT-23-5封装方式也很适合便携的要求，AME8801/8840拥有电流过载保护和温度过热保护，从而使其在恶劣的环境下不至于损坏[6]。如图9所示。

6 系统软件设计

图9 系统电源电路

随着电子技术的日益发展，系统中软件的作用在增加，系统功能的实现、性能的提升越来越依赖于软件方面了，VHDL和Verilog HDL语言在EDA领域中的作用表明了这点。

图10 GPS处理流程图

在系统中我们采用模块化设计的方法，其主要优点是提高代码重复利用率、便于调试排错和易于扩展。GR-89接口协议基于NMEA（National Marine Electronics Association），国际海洋电子协会）00183（Version 2.2），ASCII接口说明. GPS子程序的流程图如图10所示。

7 结论

本文设计了GPS定位系统，主要用于地点的三维定位，系统拥有的功能有目标的坐标定位，并通过压力传感器矫正高度坐标，带有时间和温度的显示和存储，并提供了流行的USB接口，方便了系统和其它设备相连，扩展了系统的功能和应用范围，也可进行软件的升级。系统分为硬件和软件设计两部分，硬件采用高度集成化的芯片和当今流行的SMT(贴片封装)，使系统能减少体积.通过采用压力传感器SCP-1000改善了系统的精度，优化了结构。由于时间关系，系统中的USB芯片FT8U232AM是将串口转换为USB数据格式，这也在一定程度上限制了系统的功能扩展。软件方面，系统采用模块化的设计方法，容易编写和改写，升级。

[1]付华,郭虹,徐耀松.智能仪器设计[M].国防工业出版社,2007.

[2]刘大杰,释一民.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].同济大学出版社,2003.

[3]张凤举,王宝山.GPS定位技术[M].煤炭工业出版社,1997.

[4]张念淮,江浩.USB总线接口开发指南[M].国防工业出版社,2002.

[5]干国强,邱致和.导航与定位-现代战争的北斗星[M].国防工业出版社,2000,5.

[6]Shyu.Automatic Working Vehicular System[M].US Patent,1990.

Design of global positioning system based on MSP430

LI Bin, JIA Wei, ZHAO Qi

本文介绍了全球卫星定位系统GPS的概念，设计了基于MSP430单片机的GPS定位系统，主要用于地点的三维定位，系统拥有的功能有目标的坐标定位，并通过压力传感器矫正高度坐标，带有时间和温度的显示和存储，并提供了流行的USB接口，方便了系统和其它设备相连，扩展了系统的功能和应用范围，也可进行软件的升级。

GPS；MSP430单片机；压力传感器

李斌（1979－），男，辽宁大连人，讲师，博士研究生，主要从事新型电气传动技术方面的研究工作。

TP392

A

1009-0134(2010)06-0061-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.21

2009-08-18

国家自然科学基金项目（50874059）；国家自然科学基金项目（50677027）；教育部留学回国人员科研启动基金（教外司留 [2005]383号）