微型GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)

封勇韜, 花興艷

（1.海軍91550部隊(duì)93分隊(duì) 遼寧 大連 210000；2. 海軍91550部隊(duì)94分隊(duì) 遼寧 大連 116023）

從飛行目標(biāo)的外彈道測量的角度看，天基測量是飛行目標(biāo)外彈道測量未來的發(fā)展方向，因此，了解掌握GPS定位測量的相關(guān)知識是未來發(fā)展的需要。為了解GPS測量原理，熟悉GPS接收衛(wèi)星信號的定位過程，掌握GPS接收機(jī)輸出信號的數(shù)據(jù)格式，探討GPS接收定位的測量誤差，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了微型GPS接收機(jī)。

通過GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，鍛煉以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的軟硬件能力，加強(qiáng)嵌入式編程的實(shí)踐，為飛行目標(biāo)的測控系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的掌握奠定了基礎(chǔ)[1-3]。設(shè)計(jì)完成的微型GPS微型接收機(jī)，可以用于移動(dòng)光測設(shè)備的站點(diǎn)定位，驗(yàn)證光測設(shè)備的站點(diǎn)坐標(biāo)，也可方便的用于車船出行的定位。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 硬件框圖

采用軟件ProtelDXP 2004設(shè)計(jì)繪制硬件電路原理圖，生成網(wǎng)絡(luò)表，使用軟件ProtelDXP 2004繪制雙面印制板。硬件系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為核心，Max813L作為單片機(jī)的硬件看門狗，使用微雪公司的12864-ST LCD液晶屏顯示信息。采用Jupiter GPS OEM板作為GPS的核心器件，使用OEM板配套的天線接收信號，使用成都視普公司的SP2339芯片進(jìn)行串口擴(kuò)展（1）：母串口連接單片機(jī)，兩路子串口連接OEM板，一路子串口連接計(jì)算機(jī)。USB接口采用CH375B實(shí)現(xiàn)，方便使用U盤存儲GPS的定位數(shù)據(jù)。硬件框圖如圖1所示。

圖1 微型GPS接收機(jī)硬件框圖Fig. 1 Block diagram of the micro-GPS receiver hardware

1.2 軟件設(shè)計(jì)

仿真器選擇南京萬利的MedWin Me52，寫片器使用Super-PRO680，編程語言選擇Keil C。主程序框圖如圖2所示。串口中斷接收數(shù)據(jù)并存儲，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)。如果沒有計(jì)算機(jī)接收，可以選擇使用U盤存儲收到的數(shù)據(jù)。主程序讀取數(shù)據(jù)并分析顯示。在中斷中進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 串口擴(kuò)展

2.1.1 硬件電路

分析：GPS OEM板上有兩個(gè)串口：主串口傳送定位數(shù)據(jù)，輔助串口接收RTCM SC-104差分?jǐn)?shù)據(jù)。單片機(jī)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)GPS OEM板的定位數(shù)據(jù)[4]，因此共需要3個(gè)串口，而單片機(jī)AT89C52只有一個(gè)串口。

SP2339是采用低功耗CMOS 工藝設(shè)計(jì)的通用異步串行口擴(kuò)展芯片，可將主機(jī)原有的1個(gè)串行口擴(kuò)展成3 個(gè)全新的全雙工串行口[5]。

SP2339適用于1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位的多串口系統(tǒng)，即其幀格式是不可編程的。主機(jī)通過改變ADRI1、ADRI0地址線狀態(tài)的方式選擇3個(gè)子串口中的任意一個(gè)，3個(gè)子串口的地址分別為00、01、10。

主機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)序?yàn)椋褐鳈C(jī)TX3接收到一個(gè)字節(jié)后應(yīng)立即讀取SP2339的輸出地址ADRO0、ADRO1的狀態(tài)，判斷接收到的數(shù)據(jù)來自哪個(gè)子串口；主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過ADRI0、ADRI1選擇某一個(gè)子串口，再向TX3寫將發(fā)送的數(shù)據(jù)[6]。

圖2 主程序框圖Fig. 2 Bblock diagram of the main program

2.1.2 SP2339的編程

a)波特率的計(jì)算：

串口0、串口1、串口2的波特率為：

K=1 200*2m*Fosc_in/n (bps)

其中：Fosc_in晶振頻率，m為波特率倍頻系數(shù)，n為波特率分頻系數(shù)

串口3的波特率：

K3=K*4= (bps)

其中K為串口0、串口1、串口2的波特率的最大值。

b)SP2339數(shù)據(jù)的讀寫：

ADRI0、ADRI1 為串口3發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的串口地址線，“00”、“01”、“10”分別對應(yīng)：串口0、串口1、串口2的地址；“11”為串口3的地址。當(dāng)單片機(jī)要向某一個(gè)子串口連接的下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先要將ADRI0、ADRI1置成響應(yīng)的地址狀態(tài)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口3即可。

ADRO0、ADRO1 為串口3接收數(shù)據(jù)時(shí)的串口地址線，“00”、“01”、“10”分別對應(yīng)：串口0、串口1、串口2的地址。當(dāng)單片機(jī)的串口接收到串口3送來的數(shù)據(jù)時(shí)，立刻讀取地址線ADRO0、ADRO1的狀態(tài)，根據(jù)地址線ADRO0、ADRO1的狀態(tài)即可判斷出接收到的數(shù)據(jù)是由哪個(gè)串口上傳的。

2.2 Jupiter OEM板的連接及波特率調(diào)節(jié)

2.2.1 Jupiter OEM板的連接

“Jupiter”GPS OEM板采用20腳DIP封裝，常用管腳的說明如表1所列。

表1 “Jupiter” GPS OEM板主要管腳說明Tab.1 Main pins of the “Jupiter”GPS OEM board

2.2.2 波特率的調(diào)節(jié)

Jupite GPS OEM板具有兩種數(shù)據(jù)格式，一種是二進(jìn)制方式，另一種是NMEA（也為ASCII碼）方式，可通過設(shè)置GPIO2和GPIO3來選擇不同的數(shù)據(jù)格式。選擇不同的數(shù)據(jù)格式所對應(yīng)的形式不同，消息長度和內(nèi)容也不同。串口選擇及波特率配置表如表2所示。

2.3 液晶屏的電路設(shè)計(jì)

采用以ST7920為核心芯片的128*64的液晶屏，自帶字庫，可選的字符顯示模式和圖形顯示模式，具有可選擇的串口模式或并口模式。

表2 串口配置表Tab.2 Configuration of the serial port

液晶屏采用定時(shí)刷屏加按鍵控制的方法，更換顯示信息：在沒有按鍵輸入時(shí)：采用定時(shí)刷新的方式；在有按鍵按下時(shí)，分析鍵值，如果是上鍵，則刷新，顯示前一屏數(shù)據(jù)，如果是下鍵，則顯示下一屏數(shù)據(jù)，如果是保持鍵，則保持本屏幕的顯示信息。

液晶屏編程函數(shù)如表3所示。

表3 液晶屏編程函數(shù)Tab.3 Programming functions of the LCD panel

2.4 單向循環(huán)鏈表的應(yīng)用

GPS傳輸過來的數(shù)據(jù)：

$GPRMC,083259,A,3853.5041,N,12132.9267,E,0.000,0.0,131009,6.8,W*61

$PRWIZCH,11,7,23,7,17,0,28,7,00,0,32,7,04,0,27,0,09,0,02,0,00,0,20,7*4E

$GPGGA,083300,3853.5041,N,12132.9267,E,1,05,0.90,65.6,M,4.4,M,,*77

$GPSV,3,1,10,17,69,339,00,28,53,188,46,20,51,073,40,04,36,25 5,00*70

分析數(shù)據(jù)：其中最長的語句需要73個(gè)字符的RAM，為此，在DATA區(qū)開辟了73個(gè)字節(jié)的RAM作為緩沖區(qū)，接收到GPS發(fā)送過來的數(shù)據(jù)即存儲、同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)。當(dāng)接收到$時(shí)，指針開始后移，當(dāng)接收到回車符號時(shí)，停止移動(dòng)指針，下次接到$繼續(xù)開始覆蓋式存儲。在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)分析數(shù)據(jù)，找到需要的顯示的數(shù)據(jù)：經(jīng)度、緯度、高程、數(shù)據(jù)是否有效、可見的衛(wèi)星、使用解算衛(wèi)星、日期、時(shí)間等數(shù)據(jù)，記錄先來，繼而顯示。

3 結(jié) 論

實(shí)踐驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)搜索衛(wèi)星速度快，實(shí)時(shí)接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。同時(shí)，單片機(jī)解算收到的數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)控制，選擇顯示：可見衛(wèi)星的數(shù)量，使用定位解算衛(wèi)星的數(shù)量，解算出經(jīng)度、緯度、高程、地球橢球面相對大地水平面的高度、日期、時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到了預(yù)定的效果。

通過基于單片機(jī)的嵌入式開發(fā)，熟悉并掌握了電路原理圖設(shè)計(jì)、繪制PCB雙面板、嵌入式編程及后期的安裝調(diào)試。通過項(xiàng)目的開發(fā)的鍛煉，能夠讀懂元器件DataSheet中的各項(xiàng)參數(shù)的含義，結(jié)合項(xiàng)目的要求分析各個(gè)參數(shù)的作用。

通過微型GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)，掌握了GPS的原理，熟悉了GPS接收數(shù)據(jù)的格式及各種數(shù)據(jù)的含義，為事后處理提供借鑒。

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