基于GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了設(shè)計(jì)高精度、全天候、全天時(shí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信，信息采用NMEA-0183格式，單片機(jī)接收GPS輸出的時(shí)間和定位信息后，將信息調(diào)整為我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，并將調(diào)整后的經(jīng)度、緯度、海拔高度和時(shí)間等信息通過(guò)液晶終端顯示。最終實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換等工作，為事故定位、搜查救援等工作提供了技術(shù)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：GPS數(shù)據(jù)采集；定位；數(shù)據(jù)處理；單片機(jī)

隨著科技的發(fā)展，移動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，定位導(dǎo)航開(kāi)辟了一個(gè)重要的新興市場(chǎng)。GPS(Global Positioning System)以其高精度、全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，在定位、導(dǎo)航、測(cè)距等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有測(cè)量精度高、速度快、用戶數(shù)量不限、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。不僅用于軍事領(lǐng)域，還廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、野外探險(xiǎn)等領(lǐng)域。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集精確度較高；采集到的位置可以控制在2 m范圍之內(nèi)，接收數(shù)據(jù)并處理的時(shí)間小于2 s，存精確度和實(shí)時(shí)性上要優(yōu)于其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)中主要由主控制器、液晶顯示模塊和CPS射頻前端，數(shù)據(jù)傳輸單元組成，如圖1所示。

GPS信號(hào)通過(guò)天線接收值射頻前端模塊，在射頻芯片中實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)通過(guò)串口傳入單片機(jī)，單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)時(shí)差，坐標(biāo)處理等操作，在通過(guò)LCD顯示出來(lái)。

2 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
2．1 GPS語(yǔ)句的輸出格式
GPS-OEM板采用NMEA-0183通信格式，可以輸出多種句型，均以“$”開(kāi)頭。其語(yǔ)句格式如表1所示。

輸出的語(yǔ)句按串口通信協(xié)議：1位開(kāi)始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCⅡ碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息。語(yǔ)句達(dá)十余種，其中定位語(yǔ)句$GPRMC其結(jié)構(gòu)為：
$GPRMC，1>．2>，3>．4>，5>．6>，7>，8>，9>，10>，11>*hhCR>LF>
其中：
“GP”-交談識(shí)別符；
“RMC”-語(yǔ)句識(shí)別符；
“*”-校驗(yàn)和識(shí)別符；
“hh”-為校驗(yàn)和，其代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個(gè)字符)。
$GPRMC語(yǔ)句數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容為：
1)定位點(diǎn)的協(xié)調(diào)世界時(shí)間(UTC)，hhmmss(時(shí)分秒)格式；
2)定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位；
3)定位點(diǎn)緯度，ddmm．mmmmm(度分)格式；
4)緯度半球，N(北半球)或S(南半球)；
5)定位點(diǎn)經(jīng)度，dddmm．mmmmm(度分)格式；
6)經(jīng)度半球，E(東經(jīng))或W(西經(jīng))；
7)地面速度，000．0節(jié)～999．9節(jié)；
8)地面航向，000．0度～359．9度；
9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式；
10)磁偏角，000．0度～180度；
11)磁偏角方向，E(東)或W(西)。
2．2 GPS數(shù)據(jù)接收
利用單片機(jī)的串行接口接收GPS傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，其硬件原理如圖2所示，GPS的接口及單片機(jī)串口均采用TTL電平傳輸數(shù)據(jù)，所以GPS接口引腳4和3可直接與單片機(jī)的TXD和RXD引腳相連，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，硬件電路圖如圖2所示。

GPS模塊輸出的是數(shù)據(jù)流，每秒鐘更新一次數(shù)據(jù)。必須要用單片機(jī)對(duì)其輸出的數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，以方便用戶直接讀取。首先打開(kāi)串口中斷服務(wù)子程序，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，判斷其是否有“$”符號(hào)，然后根據(jù)逗號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行判斷數(shù)據(jù)的類型，然后分別存儲(chǔ)時(shí)間、經(jīng)度、緯度、日期等信號(hào)，若接收到“＼n”則接收結(jié)束。
用C語(yǔ)言編程，其程序如下：


在PC機(jī)上接收的GPRMC語(yǔ)句信息如下：
$GPRMC，103320，A，4350．95221，N，12524．06042，E，000．0，000．0，130507，009．1，W*50
這是一條GPS定位數(shù)據(jù)信息語(yǔ)句，涵義是UTC時(shí)間為10時(shí)33分20秒，位置在北緯43度50．9522分，東經(jīng)125度24．0604分，移動(dòng)速度為0，移動(dòng)范圍為0，日期為2007年5月13日，地磁變化為9．10，地磁變化方向?yàn)槲?，校?yàn)和為50H。根據(jù)接收的信息用單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，就可以得到所需的信息了，信息處理過(guò)程見(jiàn)3節(jié)。

3 對(duì)接收信息的處理
數(shù)據(jù)的處理主要包括兩個(gè)方面：
1)時(shí)間的處理
直接從衛(wèi)星接收到的時(shí)間信息是UTC時(shí)間(格林尼治時(shí)間)，需要處理成北京時(shí)間。
要變成北京時(shí)間需要加上8個(gè)小時(shí)，如果超過(guò)24小時(shí)，則減去24小時(shí)后，才是北京時(shí)間。
時(shí)間轉(zhuǎn)換處理程序如下：

2)定位的處理
GPS接受的經(jīng)度、緯度等信息采用的是美國(guó)的84坐標(biāo)系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)換成我國(guó)的54坐標(biāo)系統(tǒng)。為便于描述設(shè)如下幾個(gè)參量：
大地坐標(biāo)-(B，L，H)
平面坐標(biāo)-(x，y，z)
橢球偏心率-C
橢球參數(shù)m，n-大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到指教坐標(biāo)需要使用的參數(shù)，則有：



4 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)討論了用單片機(jī)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的讀取及處理的方法，分析了GPS模塊的信息格式并編制了通信軟件，不僅成功地實(shí)現(xiàn)了GPS定位信息的接收與提取，而且具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程方便、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，具有一定的使用價(jià)值。