便攜式GPS接收機設計

摘要：提出一種基于。EM411 GPS接收模塊和PIC18F2520單片機的手持式GPS接收機設計方案。該方案具有電路簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點，并可將接收的數(shù)據(jù)以FAT文件格式保存到SD卡中，通過SD卡將GPS數(shù)據(jù)導入電子地圖，便于野外作業(yè)和戶外運動使用。
關鍵詞：GPS接收機；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)質價廉吸引全世界許多用戶。GPS的廣泛應用改變了人們的工作方式，提高工作效率，帶來巨大的經(jīng)濟效益。這里提出一種基于EM411 GPS接收模塊和PIC18F2550單片機的手持式GPS定位系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)采用點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，從而實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)導入電子地圖。

2 NEMA協(xié)議簡介
目前，GPS采用NMEA-0183協(xié)議做為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的標準，NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會(NationalMarine Electronics Association)為統(tǒng)一海洋導航規(guī)范而制定的標準，該格式標準已成為國際通用的一種格式，協(xié)議內容在兼容NMEA-180和NMEA-0182的基礎上。增加了GPS、測深儀、羅經(jīng)方位系統(tǒng)等多種設備接口和通訊協(xié)議定義，同時還允許一些特定廠商對其設備通信自定協(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“$”開頭，后面是語句頭。語句頭由5個字母組成。其前2個字母表示“系統(tǒng)ID”，即表示該語句是屬于何種系統(tǒng)或設備，例如GP表示該語句屬于GPS定位系統(tǒng)，HC表示該語句屬于羅經(jīng)方位系統(tǒng)；后3個字母表示“語句ID，表示該語句是關于何方面的數(shù)據(jù)。語句頭后是數(shù)據(jù)體，包含不同的數(shù)據(jù)體字段，語句末尾為校驗碼(可選)，以回車換行符CR>LF>結束，也就是ACSII字符“回車”(十六進制的0D)和“換行”(十六進制的0A)。數(shù)據(jù)字段以逗號分隔識別，空字段保留逗號。在GPS系統(tǒng)中常用語句有GPGGA(GPS定位信息)，GPGSA(當前衛(wèi)星信息)，GPGSV(可見衛(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)傳輸是以標準異步串行方式發(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、無奇偶校驗位。文獻[2]給出各種GPS語句的詳細數(shù)據(jù)格式。

3 EM411 GPS接收模塊簡介
GPS接收模塊性能主要決定于其內部使用的GPS核心芯片組，GPS芯片組SiRF Star III通過采用20萬次／頻率的相關器(Correlators)提高了靈敏度并能在室內定位。冷開機／暖開機／熱開機的時間分別達到42 s／38 s／1 s，可同時追蹤20個衛(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：極佳的靈敏度(追蹤感度：-159 dBm)；訊號微弱時，TTFF(Time to First Fix)定位仍十分迅速；支持NMEA 0183語言格式：GGA，GSA，GSV，RMC，GLL，VTG；內建超大電容，可儲存快速獲取的衛(wèi)星訊號數(shù)據(jù)；內建陶瓷天線；LED指示燈顯示衛(wèi)星定位狀況：LED不亮時接收器關閉，LED恒亮時未定位或搜尋訊號，LED閃爍時已定位。此外，EM411體積小巧，外形尺寸為30 mm×30 mm×10．5 mm，工作時供電電壓為4．5～6．5 V，消耗電流為60 mA。對外提供6個引腳，使用時引腳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)硬件設計
4．1 GPS接收部分
圖1為便攜式GPS接收機的GPS接收部分的電路，由于該系統(tǒng)設計是手持式便攜設備，所有器件選型都應考慮節(jié)省成本，節(jié)能。圖1中，MCU選用PIC18F2520，它是采用納瓦技術的低功耗8位單片機，具有一系列能在工作時顯著降低功耗的功能，非常適合手持便攜式設備使用。該器件內部具有32 K Flash程序存儲器，具備SPI、UART、I2C等接口以及1O位A／D轉換器，借助于內部PLL倍頻器，時鐘速度可高達40 MHz；可通過其UART接口(引腳RC6和RC7)實現(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動電平4 V，因此在PIC18F2520和EM411之間需增加由U2(74HCT04)構成的TTL/RS232電平轉換電路，否則PIC18F2520將不能接收EM411的定位信息。PIC18F2520通過其SPI接口(引腳RC0，RC3，RC4，RC5)與SD卡通信。SD卡對外提供兩種訪問模式：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內部具有SPI接口，本方案采用SPI模式實現(xiàn)對SD卡的訪問，圖1中CS(RC0)為MCU向卡發(fā)送的片選信號，SCLK(RC3)為MCU向卡發(fā)送的時鐘信號。SDI為MCU向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號，SD0為卡向MCU發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號，此外所有的SD卡插座還具有CD與WP兩個引腳，CD引腳是SD卡檢測信號引腳，當有卡插人時，該引腳對地短路(在插座內部連接)。WP是寫保護信號引腳，在卡插入且沒有寫保護時，該引腳對地短路(在插座內部連接)。

該系統(tǒng)設計采用20×4的點陣字符液晶顯示器顯示所接收的GPS定位信息，液晶顯示器設置于4 bit工作方式，MCU通過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)設置2個按鍵用于控制SD卡的數(shù)據(jù)存儲。當SW1鍵按下時，通過軟件延時設定數(shù)據(jù)保存時間間隔，SW2鍵按下時，系統(tǒng)將接收到的GPS定位信息寫入SD卡。圖1中，開關K2用于打開、關閉LCD背光電源：PIC18F2520的RA端口資源暫未使用?？闪舸院笙到y(tǒng)升級時使用，例如將電池輸出的直流模擬電壓信號輸入到RA端口，利用PIC18F2520的10 bit A／D轉換器將其轉換為數(shù)字信號后。在LCD上顯示電池電量，便于用戶使用。