便攜式GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：提出一種基于。EM411 GPS接收模塊和PIC18F2520單片機(jī)的手持式GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。該方案具有電路簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，并可將接收的數(shù)據(jù)以FAT文件格式保存到SD卡中，通過(guò)SD卡將GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)入電子地圖，便于野外作業(yè)和戶外運(yùn)動(dòng)使用。
關(guān)鍵詞：GPS接收機(jī)；EM411；PIC18F2520；SD卡；LT1300

1 引言
GPS以其高精度，全天候，全球覆蓋，方便靈活和優(yōu)質(zhì)價(jià)廉吸引全世界許多用戶。GPS的廣泛應(yīng)用改變了人們的工作方式，提高工作效率，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。這里提出一種基于EM411 GPS接收模塊和PIC18F2550單片機(jī)的手持式GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用點(diǎn)陣字符液晶屏顯示接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并用SD卡記錄所接收到的GPS信息，從而實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)入電子地圖。

2 NEMA協(xié)議簡(jiǎn)介
目前，GPS采用NMEA-0183協(xié)議做為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，NMEA-0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(NationalMarine Electronics Association)為統(tǒng)一海洋導(dǎo)航規(guī)范而制定的標(biāo)準(zhǔn)，該格式標(biāo)準(zhǔn)已成為國(guó)際通用的一種格式，協(xié)議內(nèi)容在兼容NMEA-180和NMEA-0182的基礎(chǔ)上。增加了GPS、測(cè)深儀、羅經(jīng)方位系統(tǒng)等多種設(shè)備接口和通訊協(xié)議定義，同時(shí)還允許一些特定廠商對(duì)其設(shè)備通信自定協(xié)議。NMEA-0183格式數(shù)據(jù)串的所有數(shù)據(jù)都采用ASCⅡ文本字符表示，數(shù)據(jù)傳輸以“$”開(kāi)頭，后面是語(yǔ)句頭。語(yǔ)句頭由5個(gè)字母組成。其前2個(gè)字母表示“系統(tǒng)ID”，即表示該語(yǔ)句是屬于何種系統(tǒng)或設(shè)備，例如GP表示該語(yǔ)句屬于GPS定位系統(tǒng)，HC表示該語(yǔ)句屬于羅經(jīng)方位系統(tǒng)；后3個(gè)字母表示“語(yǔ)句ID，表示該語(yǔ)句是關(guān)于何方面的數(shù)據(jù)。語(yǔ)句頭后是數(shù)據(jù)體，包含不同的數(shù)據(jù)體字段，語(yǔ)句末尾為校驗(yàn)碼(可選)，以回車換行符CR>LF>結(jié)束，也就是ACSII字符“回車”(十六進(jìn)制的0D)和“換行”(十六進(jìn)制的0A)。數(shù)據(jù)字段以逗號(hào)分隔識(shí)別，空字段保留逗號(hào)。在GPS系統(tǒng)中常用語(yǔ)句有GPGGA(GPS定位信息)，GPGSA(當(dāng)前衛(wèi)星信息)，GPGSV(可見(jiàn)衛(wèi)星信息)，GPRMC(推薦定位信息)，GPGLL(定位地理信息)，GPVTG(地面速度信息)等。GPS數(shù)據(jù)傳輸是以標(biāo)準(zhǔn)異步串行方式發(fā)送，其串行通信波特率為4 800 b／s、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位。文獻(xiàn)[2]給出各種GPS語(yǔ)句的詳細(xì)數(shù)據(jù)格式。

3 EM411 GPS接收模塊簡(jiǎn)介
GPS接收模塊性能主要決定于其內(nèi)部使用的GPS核心芯片組，GPS芯片組SiRF Star III通過(guò)采用20萬(wàn)次／頻率的相關(guān)器(Correlators)提高了靈敏度并能在室內(nèi)定位。冷開(kāi)機(jī)／暖開(kāi)機(jī)／熱開(kāi)機(jī)的時(shí)間分別達(dá)到42 s／38 s／1 s，可同時(shí)追蹤20個(gè)衛(wèi)星信道。
EM411型GPS接收模塊采用SiRF Star III高效能GPS芯片組，其具有特點(diǎn)：極佳的靈敏度(追蹤感度：-159 dBm)；訊號(hào)微弱時(shí)，TTFF(Time to First Fix)定位仍十分迅速；支持NMEA 0183語(yǔ)言格式：GGA，GSA，GSV，RMC，GLL，VTG；內(nèi)建超大電容，可儲(chǔ)存快速獲取的衛(wèi)星訊號(hào)數(shù)據(jù)；內(nèi)建陶瓷天線；LED指示燈顯示衛(wèi)星定位狀況：LED不亮?xí)r接收器關(guān)閉，LED恒亮?xí)r未定位或搜尋訊號(hào)，LED閃爍時(shí)已定位。此外，EM411體積小巧，外形尺寸為30 mm×30 mm×10．5 mm，工作時(shí)供電電壓為4．5～6．5 V，消耗電流為60 mA。對(duì)外提供6個(gè)引腳，使用時(shí)引腳1、5接地，引腳2接電源，引腳3為串口輸出數(shù)據(jù)線，引腳4為串口輸入數(shù)據(jù)線，引腳6懸空。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4．1 GPS接收部分
圖1為便攜式GPS接收機(jī)的GPS接收部分的電路，由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是手持式便攜設(shè)備，所有器件選型都應(yīng)考慮節(jié)省成本，節(jié)能。圖1中，MCU選用PIC18F2520，它是采用納瓦技術(shù)的低功耗8位單片機(jī)，具有一系列能在工作時(shí)顯著降低功耗的功能，非常適合手持便攜式設(shè)備使用。該器件內(nèi)部具有32 K Flash程序存儲(chǔ)器，具備SPI、UART、I2C等接口以及1O位A／D轉(zhuǎn)換器，借助于內(nèi)部PLL倍頻器，時(shí)鐘速度可高達(dá)40 MHz；可通過(guò)其UART接口(引腳RC6和RC7)實(shí)現(xiàn)與EM411 GPS接收模塊的通信，由于EM411串口輸出的最大電平為2．85 V，低于PIC18F2520 UART端口所要求的最小驅(qū)動(dòng)電平4 V，因此在PIC18F2520和EM411之間需增加由U2(74HCT04)構(gòu)成的TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換電路，否則PIC18F2520將不能接收EM411的定位信息。PIC18F2520通過(guò)其SPI接口(引腳RC0，RC3，RC4，RC5)與SD卡通信。SD卡對(duì)外提供兩種訪問(wèn)模式：SD模式和SPI模式。SD模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。SPI模式使用通用的SPI接口，相比SD模式傳輸速率有所降低，使用SPI。接口的優(yōu)點(diǎn)是僅用4根數(shù)據(jù)線即可完成SD卡的讀寫。通信模式不同，SD卡引腳功能也不同。由于PIC18F2520內(nèi)部具有SPI接口，本方案采用SPI模式實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的訪問(wèn)，圖1中CS(RC0)為MCU向卡發(fā)送的片選信號(hào)，SCLK(RC3)為MCU向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)。SDI為MCU向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)，SD0為卡向MCU發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)，此外所有的SD卡插座還具有CD與WP兩個(gè)引腳，CD引腳是SD卡檢測(cè)信號(hào)引腳，當(dāng)有卡插人時(shí)，該引腳對(duì)地短路(在插座內(nèi)部連接)。WP是寫保護(hù)信號(hào)引腳，在卡插入且沒(méi)有寫保護(hù)時(shí)，該引腳對(duì)地短路(在插座內(nèi)部連接)。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用20×4的點(diǎn)陣字符液晶顯示器顯示所接收的GPS定位信息，液晶顯示器設(shè)置于4 bit工作方式，MCU通過(guò)4根數(shù)據(jù)線以及使能引腳控制LCD的顯示以節(jié)省MCUI／O端口資源。該系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)按鍵用于控制SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。當(dāng)SW1鍵按下時(shí)，通過(guò)軟件延時(shí)設(shè)定數(shù)據(jù)保存時(shí)間間隔，SW2鍵按下時(shí)，系統(tǒng)將接收到的GPS定位信息寫入SD卡。圖1中，開(kāi)關(guān)K2用于打開(kāi)、關(guān)閉LCD背光電源：PIC18F2520的RA端口資源暫未使用?？闪舸院笙到y(tǒng)升級(jí)時(shí)使用，例如將電池輸出的直流模擬電壓信號(hào)輸入到RA端口，利用PIC18F2520的10 bit A／D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后。在LCD上顯示電池電量，便于用戶使用。