基于單片機的GPS／電子羅盤(pán)測姿定位系統

摘要：設計了一種基于GPS／電子羅盤(pán)的測姿定位系統。該系統利用單片機C8051F021作為中央處理器，功耗極低的iTrax03-02作為GPS接收機，數字電子羅盤(pán)HMR3300提供姿態(tài)信息，通過(guò)串口通信實(shí)現了實(shí)時(shí)測姿定位功能。實(shí)地跑車(chē)實(shí)驗結果表明，該系統可以正確、可靠地完成運動(dòng)載體的姿態(tài)和位置信息的實(shí)時(shí)測量，為最終的組合導航實(shí)現奠定了基礎。

關(guān)鍵詞：GPS；電子羅盤(pán)；測姿定位系統

引言

當前，衛星導航成為導航技術(shù)發(fā)展的主要方向，自助式導航繼續發(fā)展，組合導航系統已經(jīng)成為主要的導航方式。針對電子羅盤(pán)經(jīng)啟動(dòng)后要較長(cháng)時(shí)間才能穩定，而陀螺球轉速高、磨損大、壽命短等問(wèn)題，本文做了載體姿態(tài)和位置測量的研究。就測姿定位問(wèn)題，本文基于單片機最小系統，設計了基于GPS／電子羅盤(pán)的測姿定位系統，將GPS與電子羅盤(pán)組合，利用多種信息源相互補充，構成了一種有多余度和高精度的導航定位系統。它具有高精度、穩定、小型化、易操作等特點(diǎn)，為最終組合導航的實(shí)現奠定了基礎。

1 系統總體設計方案

基于GPS／電子羅盤(pán)的測姿定位系統結構框圖如圖1所示。

RXD0為GPS接收機發(fā)送到單片機的數據；RXD1為電子羅盤(pán)發(fā)送到單片機的數據；TXD0為單片機發(fā)送到MAX3232的數據；P(2～3)為單片機發(fā)送到LCD進(jìn)行顯示的數據。整個(gè)流程如下：首先，GPS接收機iTrax03-02通過(guò)天線(xiàn)接收GPS衛星發(fā)射的信號，按要求輸出當前經(jīng)度、緯度和高度信息。電子羅盤(pán)HMR3300實(shí)時(shí)輸出跟蹤天線(xiàn)的當前方向、俯仰信息。GPS接收機iTrax03-02和電子羅盤(pán)HMR3300輸出的信息由C8051F021單片機通過(guò)串行口接收，單片機子系統是整個(gè)系統的控制核心，它完成串行信息的接收、數據處理和對各部分電路的控制工作。經(jīng)處理的信息由單片機串行口輸出后，再經(jīng)過(guò)電平轉換芯片MAX3232實(shí)現由TTL到RS232電平的轉換。最后，再由MAX3232將信息傳入上位機顯示即可。

2 系統硬件設計

2．1 電路的基本構成

在信息接收模塊中，本系統采用iTrax03-02作為GPS接收機，GPS上電后將自動(dòng)從天線(xiàn)接收GPS衛星發(fā)射的射頻信號，經(jīng)過(guò)一系列的處理過(guò)程，通過(guò)并行通道完成最佳位置衛星的跟蹤，測出衛星到天線(xiàn)的傳播距離，解讀導航電文，從而計算出經(jīng)度、緯度、海拔高度等信息。

iTrax03-02是體積小、功耗低的GPS OEM板，具有極快的信號獲取引擎，自帶2個(gè)UART接口，可接收NMEA0183格式的數據和二進(jìn)制的iTaIk格式數據。

iTrax03-02內嵌8 Mb的Flash，可用于存儲中間定位數據，并為授時(shí)應用提供極高的精度。對偏航、俯仰等姿態(tài)信息的獲取選用了數字電子羅盤(pán)HMR3300，航向精度為±1．0°，分辨率可達0．1°，橫滾和俯仰的精度為±0．3°，分辨率為±0．1°，輸出端口采用RS232(或RS48 5)。同時(shí)，它還具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。

在信息處理模塊中，GPS和電子羅盤(pán)將采集到的信息通過(guò)串口不斷發(fā)送過(guò)來(lái)，單片機通過(guò)對這些數據的處理提取所需的有用信息，然后將有用信息按一定協(xié)議組裝成數據包傳送給電平轉換器發(fā)送模塊?？刂普麄€(gè)系統的中央處理器選用C8051F021，它是集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機，其最突出的優(yōu)點(diǎn)就是改進(jìn)了可以控制片內數字資源與外部I／O引腳相連的交叉開(kāi)頭網(wǎng)絡(luò )。

C8051F021具有異步的雙串口UART0和UART1，可分別用于接收電子羅盤(pán)信息與GPS信息。而在接收電子羅盤(pán)信息與GPS信息時(shí)要分為兩個(gè)中斷分別進(jìn)行信息處理。C8051F021具有多中斷源，滿(mǎn)足這一性能要求。此外，C8051F021還具有低功耗、高速度、低電壓工作(3．3 V)、高容量存儲器等特性，滿(mǎn)足本方案的要求，故信息處理模塊采用C8051F021單片機。

信息接收和信息處理模塊的硬件電路圖如圖2所示。