GPS定位系统的设计要点Word格式文档下载.docx
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主控站坐落在美国科罗拉多州的斯平士[3]。
GPS卫星定位系统的地面监控系统一共分为三个部分,分别是1个主控站,3个信息注入站与5个卫星监控站。
地面监控系统的三大部分均匀的分布在美国国内与海外的美军基地上。
监测站:
每一刻卫星的伪距与距离差都可以用GPS接收系统来测得,可以对气象数据进行采集,主控站可以接收到接收系统所采集到的数据
主控站:
主控站主要功能是收取每个监测站的GPS卫星所采集到的数据、卫星实时的工作状态信息、每个监测站和注入站的工作状态信息。
根据上述得到的各类数据,及时编算各卫星的定位数据传送到注入站,在监测站之间与注入站之间做控制和协调的工作,诊断卫星的实时工作情况,完成各种相关的工作。
注入站:
各个卫星的定位电文由主控站发出并将其注入到当时航行在其上空的每颗卫星。
1.4GPS系统的工作流程
(1)搜寻到可被使用的卫星并接收该卫星的信号,同时与接收到的卫星信号进行同步,得到有关于定位的信息。
(2)计算位置所需要的信息可从定位电文中取得,时钟信息与星历信息都包含在这些信息内。
(3)计算出卫星位置的正确信息,这些信息中包含卫星目前的高度与方位角,从而对对流层进行必要的校正。
(4)算出伪距,校正电离层等。
(5)重复以上过程,对可用卫星进行相应计算。
(6)对其他必要的项目进行校正,例如GPS接收机接收到卫星信号的时间,校正因地球旋转造成的卫星位置的偏差。
(7)根据定位原理,计算出接收机所在的初始位置的信息,并将该信息进行转换,显示出所需的坐标格式。
(8)加入闰秒与UTC时间补偿计算出当前正确的时间。
(9)将可用卫星的数据进行解析。
计算出最为合适的DOP,选择卫星,计算出GPS接收机的位置并对其进行校正,显示出GPS的三维坐标和准确时间的信息。
1.5本设计的主要工作
本次课题主要是根据GPS定位原理与单片机的原理与功能,选用单片机AT89C51处理GPS接收模块接收到数据并由处理完成的数据显示在LCD12864液晶模块上。
在此设计过程中,首先要了解GPS接收模块的各项性能指标,学习NMEA封包并要了解如何使用NMEA输出命令,与单片机串行通信的知识相结合,提取并处理GPS接收模块所接收到的卫星定位数据,并将这些数据选择性的显示在LCD12864模块上。
2总体方案论证
目前,人们对GPS设备的要求是要体积小可手持,还要有相当低的功耗,能够长时间持续使用,而且操作起来也要相对的简便,对画面的要求也要提高,追求美观。
本次的设计所涉及的内容包括单片机部分,显示部分,GPS接收部分与电源部分,可在这些方面选择论证。
2.1GPS定位系统的主要功能
本设计GPS定位系统的主要功能如下。
(1)移动目标相关信息显示。
在状态栏不断的显示出所在位置的相关信息,比如速度,方向时间等。
(2)实时信息的显示。
将获取到的定位信息显示在屏幕上。
(3)GPS启动/停止功能。
(4)接收GPS卫星发出的GPS定位数据。
(5)追踪功能。
2.2系统方案
由GPS模块、液晶显示器、AT89C51、上电复位电路与电源部分构成GPS定位系统的硬件电路。
将GPS模块接收到的定位数据送至单片机经过处理后,送至LCD液晶显示器。
LCD液晶显示器会每隔一秒钟定时进行一次更新。
上电复位电路为单片机提供上电复位功能。
电源电路为各个电路提供稳定的+5V电源。
GPS定位系统整体构架如图2.1所示。
图2.1GPS定位系统框图
2.3设计方案论证
本课题主要是根据GPS处理模块的选择以及液晶显示屏的选择两个方面来解析论证。
2.3.1GPS接收机的选择
GPS模块具有写一下几种性能指标。
(1)卫星轨迹
全球GPS卫星有24颗,分别沿着6条轨道环绕地球飞行(每一组有4颗卫星),根据所接收到的信息,GPS模块开始相对应的定位。
处在地球同一侧的一般不会超过12颗卫星,所以一般选取的设备只要能够跟踪12颗卫星以下即可。
当然,设备能跟踪到的卫星数量越多,就代表其有越好性能。
大部分的GPS设备能够追踪8到12颗卫星。
最少需要3颗卫星来计算LAT/LONG(二维)坐标,三维坐标则需要4颗卫星来进行计算。
(2)定位时间
定位时间是指重新启动GPS接收模块后确定当前位置所需要的时间。
关于12通道的接收器,如果所处位置在上一次定位的位置附近,则一般需要3~5分钟来进行冷启动定位,热启动则需要15~30秒,而有的接收机只有2通道,它们大多需要超过15分钟的时间进行冷启动,热启动则需要2~5分钟。
(3)定位精度
如果SA没有开启,则一般的GPS模块的水平位置定位精度为5~10米。
(4)DGPS功能
GPS定位卫星信号穿过大气层可能会发生折射,为了将这些因素的影响降到最低,有一种设备被叫做DGPS发送机。
它是用来接收GPS卫星的信号一种固定的GPS接收器。
DGPS可以肯定的得知GPS卫星信号理论上传送到的精确时间,然后比较所得到的时间与实际传送的时间,并将他们之间的差值计算出来。
DGPS将这个差值发送出去,其他的GPS模块可以通过这个差值得要一个更为精确的位置数据(5~10米甚至更小的误差)。
为了方便用户能免费使用这些功能,大多数的GPS接收模块的生产商在部分地区都配备有DGPS发送设备,只有客户的GPS设备具有DGPS功能才可以使用。
(5)信号干扰
如果想要得到一个很好的定位信号,GPS接收机一定要最少能接收3~5颗卫星信号。
如果在高楼林立的大街上、地势低洼的山谷中或者树木茂密的丛林内都有可能接收不到足够的卫星定位信号,没有足够的信号则无法准确的定位或者只能得到二维的坐标。
如果在一座建筑物内,也可能无法接收到数据。
还有一些GPS接收机带有单独的天线能够贴在外面,或者用一个外设天线放置于车顶等,这样有助于接收机接收到更多的卫星数据。
本设计采用的GPS模块为G591模块。
2.3.2显示器的选择
下面分别对以下三种一般嵌入式系统的显示器作出介绍。
(1)VDF显示器
电子管经过发展与改进得到了另一种显示器,被称为VDF显示器。
它是由真空二极管或者三极管改型而产生的。
静态VFD是由二极管改型所得的,动态VFD则是由三极管转型所得的。
阴极与阳极是静态的VFD的两个基本电极。
而动态VDF比静态多了一个栅极。
VFD显示器的亮度较高且视角宽,响应速度迅速以及色彩丰富,具有优良的显示效果。
采用CIG技术后,能够集成VFD的驱动电路,它性能可靠且有较长的使用寿命;
但是它的功率消耗却相当的庞大,因为该显示器的功率功耗相对较大,并不适合使用于手持设备。
还需要使用多组不同的电压供电才能驱动该显示器,使用起来并不是很方便。
(2)LED显示器
LED发光二极管经过发展与改进成为LED显示器的一类显示模块,由LED发光二极管改型而来,此类显示器分两类分别是LED数码管显示器与LED点阵显示器。
它亮度高,视角宽,反应速度快,而且具有较高的可靠性,使用寿命也较长;
但LED数码管只能显示的有限内容,显示内容比较单调。
LED点阵可以显示各种的信息,但是它却有相当大的体积,所以它在广告牌等需要大片显示的地方使用的比较多,而在手持设备上并不适合使用此类的显示器。
(3)LCD液晶显示器
LCD液晶屏利用光的偏振现象来显示。
它同样也分为两种,分别为数字型(与LED数码管相同,只能显示很少的一些内容)与点阵型;
数字型的LCD一般适用于只需显示数字或少数英文字符的地方;
点阵型的LCD可以显示众多的图形与字符,所以此类LCD显示器应用的较为广泛。
LCD液晶本身不发光,但它可以通过反射或透射其他光源来发光,而且它所消耗的功率比较小,具有较高的可靠性且具使用寿命也比较长。
LCD液晶模块具有较小的体积,更加适合在移动或掌上设备使用。
本课题中使用的LCD液晶显示器为LCD12864。
此液晶显示模块的驱动编译都相对简便,且较其他液晶显示器的价格相对较低。
3系统硬件设计
由GPS模块、液晶显示器、AT89C51、单片机上电复位和电源等部分组成GPS定位系统的硬件电路。
LCD液晶显示器会定时进行更新,更新周期约为1s。
3.1单片机
MCS-51系列的单片机开始是由Intel公司生产的通用类的单片机。
51子系列以及52子系列是MCS-51系列的单片机的两种常见系列[4]。
51子系列的单片机产品大致有三种机型,与这三种机型相兼容的有80C31、80C51、87C51三类COMS器件,且这三种COMS器件的功耗都比较低。
3.1.1AT89C51单片机的结构原理
AT89C51是一种高性能、低电压CMOS8位处理器并带有4K字节FLASH存储器,俗名单片机。
单片机可以对可擦除只读存储器作反复擦除1000次的处理[5]。
该器件可以兼容工业标准的MCS-51指令集与输出管脚。
由于单个芯片内组合了闪烁存储器与多功能8位CPU,ATMEL的AT89C51是一种具有比较高的效率且精简单易操作的简微控制器[6]。
很多嵌入式控制系统都采用的是AT89C51单片机所提供了一种有较高灵活性且价格低廉的方案,如图3.1所示的是其引脚排列。
图3.1AT89C51引脚图
3.1.2AT89C51单片机的管脚说明
VCC:
单片机电源输入,接入电压为+5V。
GND:
接地端。
P0口:
P0口一共有8位,这8位I/O口都是漏极开路双向的,每脚可吸收8TTL门电流。
对外部数据进行访问时,它是低8位地址总线和数据总线的复用[7]。
在P0口输出原码的时候,P0外部一定要为高电平。
P1口:
用户可用来作为输入输出的端口。
P2口:
8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当对外部程序存储器进行访问时它的地址即为高8位[8]。
当外部不扩散但作单片应用时则当作一般的双向I/O口用。
P3口:
双向I/O口,可接收、输出TTL门电流数与P2口相同。
P3口的一些特殊功能管脚信息如表3.1所示。
表3.1P3口管脚功能介绍
P3.0
RXD(串行通信输入口)
P3.1
TXD(串行通信输出口)
P3.2
(接低电平,功能是外部中断0)
P3.3
(接低电平,功能是外部中断1)
P3.4
T0(计时器0外部计数输入端)
P3.5
T1(计时器1外部计数输入端)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位信号从此端输入,并接高电平,如果芯片需要复位时,只要将这个引脚接高电平即可,如果单片机要完成系统复位必须持续工作两个机器周期以上。
ALE:
访问外部存储器,如果要触发外部的8位锁存器ALE信号就要发生负跳变,锁存器中将锁存进P0口的地址总线[9]。
若在外部存储器期间,将以十二分之一震荡频率输出。
:
对外部程序存储器的选通信号进行访问。
在读取外部程序存储器的指令时,在每个机器周期都会有两次
信号产生。
在片内程序存储器指令执行的时候,则
信号不会产生;
对外部数据进行访问时,
信号也不会产生。
/VPP:
当引脚保持低电平时,就选择外部程序代码来读取。
对AT89C51单片机进行操作时,要使在程序运行时访问内部程序库存储器就要将此引脚接成高电平[10]。
XTAL1:
此引脚如果接地,电路可采用外部振荡器。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.1.3AT89C51单片机的主要特性
(1)能够与MCS-51兼容。
(2)4K字节可编程闪烁存储器。
(3)它的写/擦循环的寿命为1000次。
(4)它的数据可以保留时间:
10年。
(5)在全静态工作下为0Hz-24MHz。
(6)三级程序存储器锁定。
(7)内部RAM为128×
8位。
(8)可编程I/O线有32线。
(9)两个16位定时器/计数器。
(10)单片机的中断源有5个。
(11)可编程串行通道。
(12)低功耗的闲置和掉电模式。
(13)片内振荡器和时钟电路。
3.2GPS模块
由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元、电源三部分构成了GPS接收机模块。
用户部分就是我们平时生活中常见的GPS定位模块,它能够接收、解调卫星发出的广播C/A码信号[11]。
但GPS模块并不能发送信号,只能被动的接收定位信号。
通过计算GPS模块与各颗卫星间的伪距离,点位速度快是它的特点,但是会有较大误差。
在第一次进行定位时,模块对定位信息进行计算至少需要4颗卫星,称作3D定位,实现2D定位就只要3颗卫星,但是其定位的精度却不够高。
这些NMEA格式的定位及辅助信息由GPS接收模块源源不断的提供给用户选择应用。
GPS性能指标主要有接收灵敏度、位置精度、定位时间、时间精度、功耗等。
开机定位的时间不同可能与模块启动模式的不同有关。
冷启动时间是指模块内没有保存任何对定位有帮助的数据,其中包括星历、时间等数据;
温启动时间则指模块内部有较新的卫星星历,但是时间上的却有很大偏差;
热启动时间则需要达到关机不超过二十分钟,且RTC时间误差很小的要求。
可以在静态和动态两种情况下对定位精度进行考察,并且动态定位比静态定位的效果要好得多。
只有在没有高大阻碍的天空下,能接收到良好卫星信号的情况下才能测得GPS模块的定位数据。
所以在一般情况下要想接收到达到标准的定位精度与定位时间并不容易。
圆概率误差与2倍水平均方根误差是两种常见的水平定位精度。
有很多方面都能决定GPS模块定位的精度,例如GPS系统的轨道差与卫星钟差、可见GPS卫星的数量及其分布、大气层厚度、太阳的辐射等。
即使是同一个GPS模块也会因为天线的质量、位置与方向、测试的时间段、空旷的范围及方向、天气等原因产生不同的定位误差。
就算是同一厂家同一型号的GPS模块进行测试时静态漂移量也会出现误差。
本次采用了G591模块作为本课题设计的GPS模块,它是一款采用日本原装全新JRC-G591模块的开发板,JRC第九代方案是此开发板是基础,能支持多达210PRN通道,其中搜索通道有66个,同步跟踪通道有22个,具有比较高的灵敏度与跟踪性能。
模块实物如图3.2所示。
图3.2GPS接收模块
GPS接收模块天线的作用是将卫星发射的无线电信号转换成GPS接收模块元件能够收取应用的电信号。
陶瓷天线体以及有源放大器两部分组成了本设计所用的GPS天线。
采用塑料外壳的封装,可以防水防潮材料环保,线材高性能,接收信号的灵敏度极高,天线的底部带有磁铁可以系在车外,产品小巧,安装与使用较为方便。
它的工作条件是温度在-40℃~+85℃之间,湿度则在95%~100%之间。
本设计的GPS天线特性如表3.2所示。
表3.2天线特性
序号
项目
特性
试验后允许误差
1
接收频率范围
1575.42
1.1
2.5MHz
2
中心频率
3.0
3
带宽
10
0.5MHz
4
驻波比
1.5
0.5
5
增益
4.5
6
轴比
3.0dB
0.2
7
偏振方式
右旋圆极化
—
8
特性阻抗
50
9
频率温度系数
3.3显示部分
在此次的设计中,显示模块也是一个很重要的部分,在GPS模块接收到GPS定位卫星传送下来的数据并经过处理后,将所得的结果要传到显示模块上才能被用户所得之具体的定位信息。
此次设计所用的液晶模块是常见的LCD12864液晶显示器。
3.3.1LCD12864概述
LCD12864是一种多接口方式的图形点阵液晶显示模块,国标一级、二级简体中文字库都配置在其内部;
它能够显示128×
64的分辨率,内部16×
16点的汉字有8192个,16×
8点ASCII字符集有128个,该模块有灵活的接口方式,还具有简单且方便的操作指令,能够构成全中文人机交互图形界面[12]。
8×
4,16×
16点阵的中文汉字都能够实现,同时图形显示的功能也能完成。
而且该LCD液晶显示器的所需电压和功耗都较低。
,该模块构成的液晶显示过程比起同一种类的图形点阵液晶显示模块来,不论是其硬件模块还是实现程序都要更为的简洁,且该液晶显示模块的价格要相对较低与一些相同的图形点阵液晶模块。
液晶模块的基本特性如表3.3所示。
表3.3LCD12864模块的基本特性
低电源电压(VDD:
+3.0~+5.5V)
显示分辨率为128×
64点
内置汉字字库,16×
16点阵汉字共有8192个(可选择简繁体字)
内置128个16×
8点阵字符
2MHZ时钟频率
显示方式为STN、半透、正显
驱动方式为1/32DUTY,1/5BIAS
视角方向为6点
采用侧部高亮白色LED背光的方式,只需消耗普通LED的1/5~1/10功耗
通讯方式可选择串行或并口方式
11
DC-DC转换电路设置在内,不需要额外添加负压
12
无需片选信号,软件的设计想多简便
13
工作温度为0℃~+55℃,存储温度:
-20℃~+60℃
LCD12864显示模块具有20个管脚,每个管脚对应着各自的功能,要实现某个功能就必须要先了解该模块各个管脚的功能。
其各个管脚的功能介绍如表3.4所示。
表3.4LCD12864各管脚的介绍说明
管脚
管脚名称
电平
管脚功能
VSS
0V
电源地
VCC
3.0~+5V
电源正
V0
-
对比度(亮度)调整
RS(CS)
H/L
显示数据为DB7~DB0,表示RS=“H”
显示指令数据为DB7~DB0,则表示RS=“L”
R/W(SID)
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7~DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,IR或DR写入DB7~DB0的数据
E(SCLK)
使能信号
DB0
三态数据线
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
14
DB7
15
PSB
H表示8位或4位并口方式,L表示串口方式
16
NC
空脚
17
RESET
复位端
18
VOUT
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端(+5V)
20
K
背光源负端
如果串口通信模式在实际操作中使用,可以令PSB与固定的低电平相接,也可以把模块上的J8与地短接;
电复位的电路也连接在模块内部,因此如果在不需经常复位的情况下可以将17脚悬空;
若背光与模块同用一个电源,可将该液晶的JA、JK短接。
LCD12864引脚图如图3.3所示。
图3.3LCD12864管脚图
4系统软件设计
在电路硬件设计完成后开始对软件进行设计,开始编写关于GPS定位的程序与LCD12864显示
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