張偉

(江蘇科技大學(xué)(張家港校區(qū)),江蘇張家港　215600)

51單片機(jī)接收GPS數(shù)據(jù)的算法與實(shí)現(xiàn)

張偉

(江蘇科技大學(xué)(張家港校區(qū)),江蘇張家港215600)

本文研究的對(duì)象為處理器為51單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)，研究的主要內(nèi)容為應(yīng)用系統(tǒng)在編程的過程中的內(nèi)存使用區(qū)劃分、GPS定位信息流數(shù)據(jù)格式兩方面。在應(yīng)用系統(tǒng)在使用的過程中，51單片機(jī)具有內(nèi)存較小的特點(diǎn)，而GPS導(dǎo)航具有數(shù)據(jù)流較大的特點(diǎn)，兩者之間存在著較大的矛盾。為了解決這一矛盾，本文提出了51單片機(jī)接收GPS數(shù)據(jù)的壓縮算法。

51單片機(jī)GPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)壓縮

在嵌入式的GPS車載系統(tǒng)的處理器一般情況下采用51單片機(jī)，但是這種處理器具有內(nèi)存較小的特點(diǎn)，其內(nèi)存僅為128B，而GPS定位信息數(shù)量流具有較大的特點(diǎn)。51單片機(jī)內(nèi)存與GPS定位信息之間存在著嚴(yán)重的矛盾，本文針對(duì)這對(duì)矛盾提出了GPS數(shù)據(jù)的壓縮算法，更好地解決了51單片機(jī)在應(yīng)用過程中內(nèi)存較小的問題。

1　51單片機(jī)內(nèi)存較小的特點(diǎn)

51單片機(jī)具有內(nèi)存較小的特點(diǎn)，其內(nèi)存僅為128B，其中寄存器區(qū)為32個(gè)字節(jié)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為80個(gè)字節(jié)、位尋址區(qū)為16個(gè)字節(jié)[1]。在對(duì)單片機(jī)技術(shù)人員的技術(shù)水平進(jìn)行衡量的過程中，單片機(jī)內(nèi)存寶貴資源的利用率是其重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。如果項(xiàng)目開發(fā)過程中應(yīng)用了51單片機(jī)，那么程序設(shè)計(jì)人員在內(nèi)存資源利用的過程中，寄存器區(qū)的主要功能為參與程序運(yùn)算數(shù)據(jù)寄存單元，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的主要功能為對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果或中間結(jié)果進(jìn)行緩存，位尋址去的主要功能為變量或標(biāo)志的定義。

2　GPS定位信息量較大的特點(diǎn)

GPS接收機(jī)在工作狀態(tài)中會(huì)不間斷地進(jìn)行GPS導(dǎo)航定位信息的傳輸，通過串口將這些信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。如果沒有對(duì)這些GPS導(dǎo)航定位信息進(jìn)行處理，那么這些數(shù)據(jù)將是一長(zhǎng)串字節(jié)流信息。因此，必須要通過一定的程序?qū)PS導(dǎo)航定位信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其具有實(shí)際意義并能夠?yàn)楦邔記Q策提供依據(jù)。GPS在進(jìn)行信息提取的過程中與其他的通信協(xié)議類似，首先要對(duì)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確，之后依據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位信息的提取。

3　51單片機(jī)內(nèi)存與GPS定位信息之間的矛盾

嵌入式的GPS車載系統(tǒng)的使用者關(guān)注的主要內(nèi)容包括日期、時(shí)間、糾度、面速度等，因此GPS系統(tǒng)可以采用$GPRMC記錄語言。這種語言所包含的字節(jié)為70個(gè)，主要的內(nèi)容包括語句標(biāo)識(shí)頭、世界時(shí)間、定位狀態(tài)、緯度、緯度方位、經(jīng)度、經(jīng)度方位、地面速度、地面路線、日期、磁偏角、校驗(yàn)和和結(jié)束標(biāo)記[2]。如果試用51單片機(jī)作為接收器，單片機(jī)內(nèi)存緩沖區(qū)需要花費(fèi)70個(gè)字節(jié)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的80個(gè)字節(jié)所剩無幾，根本不能夠用作他途。

4　GPS接收程序的設(shè)計(jì)與算法分析

通過對(duì)GPS數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，語句之間的數(shù)據(jù)段中存在著較多的冗余位[3]。此外，數(shù)據(jù)記錄中包含數(shù)字、英文字符多種形式，因此將GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，為之后的壓縮工作奠定基礎(chǔ)。例如:

$GPRMC，(UTC時(shí)間) 12153，(UTC時(shí)間) A,(定位狀態(tài)) 0033.4304，(緯度) N,(緯度半球) 00118.2030，(經(jīng)度) E,(經(jīng)度半球) 029.8，(地面速度) 240.8，(地面航向) 050712，(UTC日期) 120.E，(磁偏角)A，(校驗(yàn)和)。

第一，在語句標(biāo)識(shí)頭$GPRMC，的處理過程中，由于所有語句的標(biāo)識(shí)頭都是相同的，可以將這7個(gè)字節(jié)作為冗余信息進(jìn)行去除，從而節(jié)約7個(gè)字節(jié)的位置。在程序處理的過程中，可以對(duì)$GPRMC，進(jìn)行預(yù)置，實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)頭與GPS信息的同步信號(hào)監(jiān)測(cè)處理。第二，UTC時(shí)間同樣占用7個(gè)字節(jié)，通過時(shí)分秒的格式對(duì)世界時(shí)間進(jìn)行指示，在加上8小時(shí)之后轉(zhuǎn)換為背景時(shí)間[4]。在UTC時(shí)間中可以將“，”視為冗余位進(jìn)行去除。第三，定位狀態(tài)占用2個(gè)字節(jié)，依據(jù)定位狀態(tài)對(duì)GPS信息定位的成功與否進(jìn)行判斷，定位狀態(tài)中可以將“，”視為冗余位進(jìn)行去除。第四，緯度占用10個(gè)字節(jié)，可以將“.”、“，”視為冗余位進(jìn)行去除。第五，緯度指示器占用2個(gè)字節(jié)，其作用是對(duì)東西經(jīng)進(jìn)行指示，所有的$GPRMC，中的該信息段都位于東經(jīng)，因此可以將其視為冗余位進(jìn)行去除。第六，緯度占用11個(gè)字節(jié)，可以將“.”、“，”視為冗余位進(jìn)行去除。第七，緯度指示器占用2個(gè)字節(jié)，所有的$GPRMC，語句中該段信息都相同，可以將其視為冗余信息進(jìn)行去除。第八，地面速度占用6個(gè)字節(jié)，可以將“.”、“，”視為冗余位進(jìn)行去除。第九，地面航向占用6個(gè)字節(jié)，可以將“.”、“，”視為冗余位進(jìn)行去除。第十，其他記錄段中所有無關(guān)的都可以進(jìn)行保留，能夠去除17個(gè)字節(jié)。

通過壓縮與處理之后，共去除掉38個(gè)字節(jié)，剩余的字節(jié)數(shù)為32個(gè)。在壓縮與處理的過程中最為重要的就是“.”與“，”符號(hào)的去除，其他的冗余為可以通過接受不存儲(chǔ)的方法進(jìn)行去掉[5]。為了實(shí)現(xiàn)直觀的效果，可以進(jìn)行單片機(jī)的單字節(jié)串行口接收的子程序和接收GPS數(shù)據(jù)流中的一段如時(shí)間、經(jīng)度、緯度等并去掉GPS數(shù)據(jù)串中間的“，”和“.”兩個(gè)符號(hào)的子程序的設(shè)置。

5　結(jié)語

通過對(duì)GPS數(shù)據(jù)流的壓縮與處理，能夠?qū)崿F(xiàn)GPS車載系統(tǒng)中51單片機(jī)處理器存儲(chǔ)空間的節(jié)省，還具有信道占用時(shí)間降低、數(shù)據(jù)安全性提高等特點(diǎn)。本文提出的壓縮程序針對(duì)的對(duì)象為GPS數(shù)據(jù)格式，因此該壓縮程序具有壓縮比較大、通用性較差的特點(diǎn)。在將該程序移植到其他系統(tǒng)中時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行一定的修改。各個(gè)GPS廠家執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都是NMEA-0183輸出語句，這就為改壓縮程序的通用奠定了基礎(chǔ)，而進(jìn)行修改的主要原因?yàn)閿?shù)據(jù)輸出格式具有差別。

[1]王波,冬梅,劉東.基于ATMEGA644P單片機(jī)的GPS數(shù)據(jù)記錄器[J].電子世界,2014(43):5-6.

[2]劉曉,伍小東,姚軍光,魏權(quán)利.基于單片機(jī)采集GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),201 1(65):172-175.

[3]郭耀華.基于單片機(jī)的GPS數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山東工業(yè)技術(shù),2013(64):48-49.

[4]董作民,姜木霖,陳曉青,段潤(rùn)雪.MCS-51單片機(jī)與GPS-OEM板數(shù)據(jù)通訊的研究與應(yīng)用[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2010(25):37-41.

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張偉(1994—),江蘇南通人,江蘇科技大學(xué)(張家港校區(qū))學(xué)生,電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。