車載GPS導航儀數(shù)據(jù)采集模塊設計

安徽華菱汽車有限公司技術中心 萬騫騫

1.引言

近年來，車載導航系統(tǒng)在我國得到了迅速的發(fā)展，基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的導航系統(tǒng)幾乎成了豪華汽車的基本裝備，有效的改善了交通，為人們出行提供了極大的方便。車載導航系統(tǒng)巨大的市場潛力和發(fā)展前景，使大量汽車廠商和GIS企業(yè)紛紛投入大量人力物力，對導航系統(tǒng)進行研究開發(fā)。但是，我國的GPS導航技術還處于起步階段，與日本、美國等發(fā)達國家相比還有極大的距離，核心技術方面還存在眾多缺陷，對新興技術的整合性應用也遠遠不足。尤其是在數(shù)據(jù)采集模塊的設計上，我國技術還較落后。本文以可靠性、穩(wěn)定性和低成本為出發(fā)點，對車載GPS導航儀數(shù)據(jù)采集模塊進行設計。

2.車載GPS導航儀數(shù)據(jù)采集模塊設計分析

GPS系統(tǒng)最初是為軍事目的而建立的，但隨著其應用的深入，在民用方面也得到了極大發(fā)展。從結構上來看，車載GPS導航系統(tǒng)實際上是一個單向的GPS信號接收機，可以接收來自天空導航衛(wèi)星發(fā)出的定位信號。導航衛(wèi)星共有24顆，使用L波段（22cm）進行信號傳送，可傳送L1和L2兩種信號，其中L1的信號頻率：

FL1=154*1O.23MHz=1575.42MHz，其波長λ=19.O3cm

L2的信號頻率：

FL2=12O*1O.23MHz=1227.6OMHz，其波長λ=24.42cm

車載GPS導航系統(tǒng)只需接收L1信號，可以有效的消除掉由于電離層效應而引起的延遲誤差。衛(wèi)星傳送的信號，先由GPS導航儀的天線接收，再由RF射頻前端將高頻信號轉為中、低頻信號，再傳送到GPS基頻模塊，基頻模塊通過相關器比對找出正確的衛(wèi)星編號，取照多顆衛(wèi)星的萬年歷和廣播衛(wèi)星歷等資料。其結構圖如圖1：

由于車載GPS導航儀由于工作環(huán)境十分惡劣，再加上采集器受電磁脈沖影響嚴重，所以首先必須考慮整個GPS導航儀的抗干擾能力，此外，車載GPS導航儀需要長時間不間斷的工作，除了考慮抗干擾能力外，還必須考慮整個系統(tǒng)的可靠性。同時，采集器模塊還必須能夠對包含各種不同意義的信號進行采集，并對所采集的信號作相應的處理以進行傳輸和識別。在成本上，也必須在保證導航儀穩(wěn)定性和可靠性的基礎上，盡可能的降低成本。

3.數(shù)據(jù)采集模塊硬件設計方案

為了在保證導航儀可靠性和穩(wěn)定性的基礎上，盡可能的降低成本，我們在這兒采用單片機為中心的通訊構造。由于AT89C51具有低功耗、高性能、體積小、價格低、集成度高易于擴展等特點，是8位CMOS微控制芯片，非常適合于作為移動車量定位系統(tǒng)，因此在這兒，我們采用AT89C51做為整個系統(tǒng)的中心，以協(xié)調各個模塊的工作。

AT89C51沒有內(nèi)部A/D轉換器，要將陀螺儀輸出的直流電壓信號轉換為AT89C51能讀取的8位數(shù)字信號，必須借助其它組件，這兒我們采用ADCO8O4作為A/D轉換器，將陀螺儀輸出的直流電壓信號進行轉換，同時增加外部電路，將輸入電壓擴展為-5V—+5V，以滿足陀螺儀的需要。

轉速儀是測量車速的組件，通過轉速儀，可直接連接到單片機的定時/計數(shù)器上，對1秒鐘內(nèi)的脈沖數(shù)進行計算測得車速。

總之，本研究在神經(jīng)細胞中證實，VPA可通過激活miR-34c-5p/ATG4B信號通路而抑制自噬，這可能是其影響神經(jīng)細胞功能的一條重要通路，而靶向這一通路可能有助于改善其不良反應。

GPS信號接收裝置，為了滿足體積小、性能優(yōu)良、價格便宜以及易于擴展等要求，我們采用GPS_25接收板，用以接收GPS天線的衛(wèi)星信號，并對信號進行變頻、放大、濾波等處理，采集位置信息、時間信息、星歷信息、速度信息等，從而通過單片機運算，為車輛導航，提供實時的三維位置信

息等。其整體結構圖如圖2所示。

4.數(shù)據(jù)采集器軟件模塊設計方案

接收模塊是采集器軟件的最低層，主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，要在接收模塊中實現(xiàn)GPS信號的接收、車速脈沖的計算以及陀螺信號A/D轉換后信息的采集工作，以及A/D轉換器的開啟與信息采集的協(xié)調控制。

當接收模塊采集信息，將之傳遞給信號處理模塊后，信號處理模塊根據(jù)不同意義的信號進行分解和提取，從中得到目標的當前位置信息和格林威治時間信息，然后進行坐標轉換。對于采集信號中的噪音和干擾，在這里采用均值濾波和極值濾波的方法來消除。

數(shù)據(jù)采集器軟件模塊設計方案如圖3。

5.信號分析

GPS信號是異步串行數(shù)據(jù)的周期信號，由幀頭、幀尾、幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。不同數(shù)據(jù)幀的幀頭并不相頭，有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”、“$GPRMC”等，幀頭對幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結構進行了標示，GPS信號中的數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度、速度、時間等，都可以通過“$GPGGA”幀中獲取。各字段意義如下：

（1）時間，格式：hh mm ss

（2）經(jīng)度，格式：dd mm mmmm

（3）經(jīng)度方向，N或S

（4）續(xù)度，格式：ddd mm mmmm

（5）糾度方向，E或W

（6）GPS狀態(tài)：O代表未定位，1代表無差分定位，2代表帶差分定位

（7）使用衛(wèi)星編號（OO～O8）

（8）精度百分比

（9）海平面高度

（1O）大地隨球面相對海平面高度

（11）差分GPS信息

圖1 GPS系統(tǒng)結構

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件組成

圖3 軟件設計模塊

（12）差分站ID號OOOO-123

6.數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)機制

6.1 總線技術

現(xiàn)在常用的異步通信接口有RS-232C、RS-232E、RS-449、USB通用接口和2OMA電流環(huán)，在這兒，我們采用美國電氣工業(yè)協(xié)會推薦的RS-232C，利用25芯接口插件來實現(xiàn)RS－232標準接口的連接。通信方式有近程通信方式和遠程通信方式之分，近程通信方式傳輸距離小于15M，采用RS－232C電纜直連的方式。15M以上的遠程通信采用調制解調器進行連接。由于S-232C電平對地是對稱的，同TTL、MOS完全不同，因此，必須將RS-232C驅動器和TTL電平連接進行轉換，常用的電平轉換芯片有MAX232、MAX232A、MAX2O2和ICL232幾種。異步通信接口串口子程序如下：

（1）串口初始化代碼：

設計思路，將串口始化為48OObit/s，利用方式a接收，用定時器a產(chǎn)生波特率

6.2 存儲轉發(fā)技術

存儲轉發(fā)技術，是為了實現(xiàn)采集器采集到的GPS信號、車速信號以及陀螺儀信號的存儲功能，并在發(fā)送時刻以某種特定的方法將這些信號發(fā)送出去。通過存儲轉發(fā)技術，可以將這些信號形成為一個完整的信息幀。在采集器上電之后，首先檢查GPS信號輸入端，一旦檢測到“SGPGGA”的幀頭，便開始對這些數(shù)據(jù)進行存儲并開啟A/D轉換骵集陀螺儀信號，直到檢測到幀“*hh”時，才進行處理并保存。在數(shù)據(jù)讀取完之后，啟動發(fā)送程序，將幀頭標記為“c#g”，以順序發(fā)送保存好的GPS信號、陀螺儀信號和車速值，最后幀尾以“END”標記。

7.結束語

本設計方案，主要采用了PC機和RS-232串口通信功能，利用單片機通信及計算功能，對傳感器所接收到的信號進行采集，并通過一定的標準進行處理和發(fā)送。在這兒，單片機采用AT89C51，以此作為整個系統(tǒng)的核心。AT89C51低功耗、高性能、小體積、低價格、高集成度、高擴展性的特點，完全滿足了導航系統(tǒng)設計的要求，在保證穩(wěn)定性和可靠性的同時降低了成本，運用于導航系統(tǒng)之中，具有良好的經(jīng)濟價值和社會價值。

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