基于GPS數據采集系統的設計

摘要：為了設計高精度、全天候、全天時(shí)的數據采集系統，采用了GPS技術(shù)實(shí)現通信，信息采用NMEA-0183格式，單片機接收GPS輸出的時(shí)間和定位信息后，將信息調整為我國的標準，并將調整后的經(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)現了GPS數據采集及轉換等工作，為事故定位、搜查救援等工作提供了技術(shù)依據。
關(guān)鍵詞：GPS數據采集；定位；數據處理；單片機

隨著(zhù)科技的發(fā)展，移動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，定位導航開(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、導航、測距等領(lǐng)域被廣泛應用，具有測量精度高、速度快、用戶(hù)數量不限、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。不僅用于軍事領(lǐng)域，還廣泛用于工農業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、野外探險等領(lǐng)域。本系統實(shí)現的數據采集精確度較高；采集到的位置可以控制在2 m范圍之內，接收數據并處理的時(shí)間小于2 s，存精確度和實(shí)時(shí)性上要優(yōu)于其他數據采集系統。

1 GPS數據采集系統的設計
硬件系統中主要由主控制器、液晶顯示模塊和CPS射頻前端，數據傳輸單元組成，如圖1所示。

GPS信號通過(guò)天線(xiàn)接收值射頻前端模塊，在射頻芯片中實(shí)現A／D轉換，將模擬中頻信號轉化為數字信號通過(guò)串口傳入單片機，單片機接收的數據信息經(jīng)過(guò)時(shí)差，坐標處理等操作，在通過(guò)LCD顯示出來(lái)。

2 GPS數據采集系統的設計及實(shí)現
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位數據位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗。輸出數據采用的是ASCⅡ碼字符，內容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛星狀況等信息。語(yǔ)句達十余種，其中定位語(yǔ)句$GPRMC其結構為：
$GPRMC，1>．2>，3>．4>，5>．6>，7>，8>，9>，10>，11>*hhCR>LF>
其中：
“GP”-交談識別符；
“RMC”-語(yǔ)句識別符；
“*”-校驗和識別符；
“hh”-為校驗和，其代表了“$”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)句數據區的內容為：
1)定位點(diǎn)的協(xié)調世界時(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～999．9節；
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數據接收
利用單片機的串行接口接收GPS傳送過(guò)來(lái)的數據，其硬件原理如圖2所示，GPS的接口及單片機串口均采用TTL電平傳輸數據，所以GPS接口引腳4和3可直接與單片機的TXD和RXD引腳相連，無(wú)需電平轉換，硬件電路圖如圖2所示。

GPS模塊輸出的是數據流，每秒鐘更新一次數據。必須要用單片機對其輸出的數據流中的數據進(jìn)行提取，以方便用戶(hù)直接讀取。首先打開(kāi)串口中斷服務(wù)子程序，開(kāi)始接收數據，判斷其是否有“$”符號，然后根據逗號的個(gè)數進(jìn)行判斷數據的類(lèi)型，然后分別存儲時(shí)間、經(jīng)度、緯度、日期等信號，若接收到“＼n”則接收結束。
用C語(yǔ)言編程，其程序如下：


在PC機上接收的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定位數據信息語(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，地磁變化方向為西，校驗和為50H。根據接收的信息用單片機進(jìn)行相應的處理，就可以得到所需的信息了，信息處理過(guò)程見(jiàn)3節。

3 對接收信息的處理
數據的處理主要包括兩個(gè)方面：
1)時(shí)間的處理
直接從衛星接收到的時(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的84坐標系統，需要轉換成我國的54坐標系統。為便于描述設如下幾個(gè)參量：
大地坐標-(B，L，H)
平面坐標-(x，y，z)
橢球偏心率-C
橢球參數m，n-大地坐標轉換到指教坐標需要使用的參數，則有：



4 結束語(yǔ)
本系統討論了用單片機對GPS數據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、性能穩定的特點(diǎn)，具有一定的使用價(jià)值。