一种低成本的GPS定位信息采集显示系统

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(大连交通大学 电气信息学院，大连 116028)

引 言

自1978年第一颗GPS试验卫星升空以来，人类社会从此迈进了以卫星定位和导航的新时代[1]。与其他无线接收设备不同，GPS接收机定位精度高、可靠性强，不受天气、时间等环境因素的干扰，在军事、运输、航空航天等众多领域用途广泛，影响深远。但目前GPS接收机也存在着成本较高、不便携等缺点，制约着其发展[2]。

本文针对上述情况，采用成本低廉的STC89C52芯片设计了一款低成本、手持式的GPS定位信息采集显示系统。此系统采用U-BLOX公司的NEO-6M模块接收GPS定位信息，并通过LCD12864液晶显示模块实现位置、速度等信息的显示，同时辅以按键操作与LED指示灯信息提示，人机交互友好，在保证了定位精度的同时，降低了系统成本，具备很高的性价比等优势。

1 系统工作原理与总体设计

1.1 GPS定位原理

GPS全球定位系统主要由卫星星座、地面监测和用户设备三部分构成。其中卫星星座部分由绕地球轨道面的24颗卫星构成，主要负责向地面用户设备发送定位信息；地面监测部分由监测站、主控站和注入站构成，主要负责向空间卫星发送指令，监控卫星的正常运转；用户设备部分则通过接收处理卫星的定位信息，并将其反馈给用户[3]。其定位系统结构示意图如图1所示。

图1 GPS全球定位系统结构示意图

假设地面用户设备在t时刻开始接收卫星星座部分的导航电文信息，则△ti(i=1,2,3,4)即为卫星1～卫星4导航电文信息到达地面用户设备的时间，根据式(1)的4个方程式可解得地面用户设备位置的经纬度信息[4]：

(1)

其中，地面用户设备的位置坐标x，y，z和钟差Vt0为未知量；C为3×108m/s即光速；si(i=1,2,3,4)为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4与地面用户设备之间的距离，由si=CΔti(i=1,2,3,4)解得；xi、yi、zi(i=1,2,3,4)为卫星的空间位置三维坐标；Vti(i=1,2,3,4)为卫星所安装原子钟与卫星标准时间差。

1.2 系统总体设计

本文的定位信息采集显示系统总体设计如图2所示，其主要通过串口实现GPS接收模块[5]与STC89C52控制器模块间的相互通信，并将解码后的信息通过按键操作传输至LCD12864液晶屏内进行显示。其中复位电路和振荡电路确保控制器模块的正常工作，电源模块分别给各个子系统供电。

图2 系统总体设计框图

图3 系统硬件电路图

2 系统硬件设计

系统的硬件部分主要分为控制器模块、GPS接收模块、液晶显示模块、键盘与LED指示灯模块和电源模块5部分。

系统控制器模块以STC89C52为核心，外接复位电路和振荡电路，确保单片机的正常工作，该芯片具有价格低廉、能耗低以及开发方便快捷等优势。GPS接收模块采用瑞士U-BLOX公司生产的NEO-6M模块，支持多种串口通信[6]波特率，其导航电文采用通用的NMEA-0183协议标准，便于单片机进行解码；液晶显示模块采用LCD12864，显示信息丰富，支持多行中英文和图片的显示，并且具备成本优势；键盘与LED指示灯模块内的按键用于配合液晶屏模块显示信息的切换，方便人机交互功能的实现，LED指示灯则用于显示GPS接收模块和控制器模块的工作状态；电源模块采用纽扣电池，并经过多重滤波后对系统进行持续稳定的供电，确保整个系统正常运行。其系统硬件电路如图3所示。

3 系统软件设计

3.1 GPS导航电文格式

本系统GPS接收机NEO-6M模块输出采用美国的NMEA-0183协议标准，其输出格式为ASCII码字符，便于采用C/C++、C#等多种高级语言进行解码计算。

NMEA-0183协议标准格式为：$aaaaa,df1,df2,....[CR][LF]，所有的信息均由$开始，并以换行结束。$后的aaaaa这5个字符代表了信息的基本类型，其后的各个参数间以“，”隔开。常见的NMEA信息有6大类，分别为GPGGA卫星定位信息、GPGSA当前卫星信息、GPGSV可见卫星信息、GPRMC推荐定位信息、 GPVTG地面速度信息和GPGLL定位地理信息。本系统软件部分主要采用了GPGGA、GPRMC和GPGSV这三种信息类型进行解码计算。

3.2 系统软件设计流程

图4 软件设计流程图

系统软件设计如图4所示。系统通电开启后，首先进行单片机串口通信与LCD12864液晶模块的初始化工作，待单片机通过串口接收到GPS接收模块传送的导航电文信息后，判断信息格式是否符合NMEA-0183协议标准，以确定数据是否有效。若数据有效，则将数据存储至单片机的内存单元，并对导航电文信息进行解码，通过接收键盘的输入信息，将解码计算后的位置、时间、速度等信息分别经液晶显示屏反馈至用户，若数据无效，则继续接收导航电文数据至有效。

结 语

本文通过对采用NMEA-0183协议的GPS导航电文信息进行解码，设计并实现了GPS定位信息的采集与显示。通过采用U-BLOX公司生产的NEO-6M模块简化了系统开发过程，并且提高了实验的成功率；采用LCD12864液晶屏可以丰富地显示GPS所接收到的数据，