ATmega16A低成本的GPS接收系統設計

摘要：針對傳統的GPS接收系統因硬件結構復雜、成本較高，而造成GPS設備難以普及應用的問(wèn)題，設計了一種基于ATmega16A的低成本、可存儲、無(wú)線(xiàn)傳輸的GPS接收系統。該系統采用單片機ATmega16A接收和處理GPS模塊信號，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊將處理后的GPS數據傳輸到上位機中；也可將數據實(shí)時(shí)存儲到Flash上，通過(guò)USB接口完成數據讀取。實(shí)驗結果表明該系統性能穩定、實(shí)時(shí)性高，具有良好的應用前景。
關(guān)鍵詞：全球定位系統；ATmega16A；接收系統

引言
GPS(全球定位系統)是為海上、陸地和空中各種運輸工具和移動(dòng)設備的導航和定位而開(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)，使測量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在GPS的行業(yè)應用中，數據接收系統是最基本的設備。目前，數據接收系統具有智能化和可擴展性不斷增強的發(fā)展趨勢，表現為內嵌的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接收系統平民化的趨勢。綜上所述，本文設計了一種基于單片機ATmega16A的低成本、可存儲、無(wú)線(xiàn)傳輸GPS接收系統。實(shí)驗證明，該系統穩定度高，可以滿(mǎn)足各種工程測量以及勘察測量等民用要求。

1 GPS接收系統結構及工作原理
GPS接收系統實(shí)現本地GPS信號讀取、系統控制、數據接收、數據存儲、數據讀取和無(wú)線(xiàn)收發(fā)等功能。其系統結構框圖如圖1所示。

GPS接收系統工作過(guò)程為：ATmega16A利用GPS模塊獲取其所在位置的經(jīng)緯度等信息，并將該測試點(diǎn)處的數據通過(guò)USB接口傳輸到PC機中，通過(guò)上位機軟件完成對數據的轉化。此外，ATmega16A帶有片上Flash，也可實(shí)現對接收數據的存儲功能，以便進(jìn)行離線(xiàn)處理。ATmega16A通過(guò)控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，實(shí)現了對數據發(fā)送的功能。

2 GPS接收系統硬件設計
GPS接收系統主要由電源模塊、GPS模塊、GPS天線(xiàn)模塊、控制模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和數據存儲模塊等部分組成。
2．1 電源模塊
電源模塊是GPS接收系統工作的重要組成部分，實(shí)現的是系統供電功能。在GPS接收系統中，主要耗電的部分為無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，該模塊工作在1 W接收功率時(shí)工作電流可達到700 mA，因此需要采用大電流的電源芯片，以保證系統供電需求。LM2576最大供電電流可達到3 A，完全滿(mǎn)足系統大功率接收時(shí)對電流的要求。此外，系統中其他模塊工作電壓為3．3 V，采用REG1117(3．3 V)芯片為系統提供工作所需電壓。電源模塊設計原理圖如圖2所示。

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

2．3 GPS天線(xiàn)模塊
GPS天線(xiàn)形式是多種多樣的，可以是螺旋線(xiàn)圈天線(xiàn)、偶極子天線(xiàn)或是微帶天線(xiàn)。通常會(huì )在天線(xiàn)的前端加入一個(gè)低噪聲放大器，使得接收機內維持一個(gè)低的噪聲系數，這時(shí)需要由接收機前端通過(guò)RF同軸電纜對放大器供電。需要注意的是，當使用GPS接收機解算位置的時(shí)候，實(shí)際上是在估計天線(xiàn)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)。對于測量型GPS接收機天線(xiàn)，電子和物理相位中心會(huì )有厘米級的差異。
系統采用的是SDT11E型GPS接收機，它的天線(xiàn)單元如圖4所示。它具有的功能是接收由衛星發(fā)射來(lái)的信號。