ATmega16A低成本的GPS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的GPS接收系統(tǒng)因硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，而造成GPS設(shè)備難以普及應(yīng)用的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ATmega16A的低成本、可存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/GPS">GPS接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)ATmega16A接收和處理GPS模塊信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將處理后的GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中；也可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到Flash上，通過(guò)USB接口完成數(shù)據(jù)讀取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性高，具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)；ATmega16A；接收系統(tǒng)

引言
GPS(全球定位系統(tǒng))是為海上、陸地和空中各種運(yùn)輸工具和移動(dòng)設(shè)備的導(dǎo)航和定位而開(kāi)發(fā)的，具有高精度、全天候、全球性和點(diǎn)間無(wú)需通視等優(yōu)點(diǎn)，使測(cè)量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在GPS的行業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)是最基本的設(shè)備。目前，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)具有智能化和可擴(kuò)展性不斷增強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì)，表現(xiàn)為內(nèi)嵌的MCU性能越來(lái)越高，外圍接口越來(lái)越豐富，但軟硬件成本不斷上升，減緩了GPS接收系統(tǒng)平民化的趨勢(shì)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)ATmega16A的低成本、可存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸GPS接收系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定度高，可以滿足各種工程測(cè)量以及勘察測(cè)量等民用要求。

1 GPS接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
GPS接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本地GPS信號(hào)讀取、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)讀取和無(wú)線收發(fā)等功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

GPS接收系統(tǒng)工作過(guò)程為：ATmega16A利用GPS模塊獲取其所在位置的經(jīng)緯度等信息，并將該測(cè)試點(diǎn)處的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)中，通過(guò)上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。此外，ATmega16A帶有片上Flash，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，以便進(jìn)行離線處理。ATmega16A通過(guò)控制無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。

2 GPS接收系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
GPS接收系統(tǒng)主要由電源模塊、GPS模塊、GPS天線模塊、控制模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等部分組成。
2．1 電源模塊
電源模塊是GPS接收系統(tǒng)工作的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)的是系統(tǒng)供電功能。在GPS接收系統(tǒng)中，主要耗電的部分為無(wú)線收發(fā)模塊，該模塊工作在1 W接收功率時(shí)工作電流可達(dá)到700 mA，因此需要采用大電流的電源芯片，以保證系統(tǒng)供電需求。LM2576最大供電電流可達(dá)到3 A，完全滿足系統(tǒng)大功率接收時(shí)對(duì)電流的要求。此外，系統(tǒng)中其他模塊工作電壓為3．3 V，采用REG1117(3．3 V)芯片為系統(tǒng)提供工作所需電壓。電源模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2．2 GPS模塊
GPS模塊是影響系統(tǒng)測(cè)量精度的關(guān)鍵，該系統(tǒng)中GPS采用SDT11E模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。該模塊具有-158dBm的接收靈敏度，定位精度可達(dá)2．5 m。高接收靈敏度和定位精度可以有效保證該系統(tǒng)的適用范圍。其原理圖如圖3所示。

2．3 GPS天線模塊
GPS天線形式是多種多樣的，可以是螺旋線圈天線、偶極子天線或是微帶天線。通常會(huì)在天線的前端加入一個(gè)低噪聲放大器，使得接收機(jī)內(nèi)維持一個(gè)低的噪聲系數(shù)，這時(shí)需要由接收機(jī)前端通過(guò)RF同軸電纜對(duì)放大器供電。需要注意的是，當(dāng)使用GPS接收機(jī)解算位置的時(shí)候，實(shí)際上是在估計(jì)天線的電子相位中心的位置，而電子相位中心與物理相位中心常常不在同一點(diǎn)。對(duì)于測(cè)量型GPS接收機(jī)天線，電子和物理相位中心會(huì)有厘米級(jí)的差異。
系統(tǒng)采用的是SDT11E型GPS接收機(jī)，它的天線單元如圖4所示。它具有的功能是接收由衛(wèi)星發(fā)射來(lái)的信號(hào)。