朱志偉

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長沙410004）

基于Proteus的GPS定位仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

朱志偉

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長沙410004）

根據(jù)GPS定位原理和NMEA-0183協(xié)議，利用虛擬串口VSPD和虛擬GPS軟件，從教學(xué)的角度出發(fā)，在單片機(jī)仿真環(huán)境Proteus中實現(xiàn)了GPS定位系統(tǒng)。詳細(xì)地描述了系統(tǒng)的硬件電路、“$GPRMC”語句的解釋流程及仿真操作過程。

Proteus；GPS；仿真；NMEA-0183

GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)已在實時導(dǎo)航、定位、授時等方面廣泛應(yīng)用。在GPS原理與應(yīng)用教學(xué)過程中，利用單片機(jī)仿真環(huán)境Proteus、虛擬串口VSPD以及虛擬GPS模塊共同構(gòu)成GPS定位仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)。不僅節(jié)約了傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中使用的設(shè)備和工具，而且可以仿真出一些在實際中很難得到的數(shù)據(jù)，從而加深對GPS原理的理解，提高了GPS仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的推廣價值。

1 GPS定位原理

GPS系統(tǒng)由3部分組成：空間部分 (GPS衛(wèi)星星座)、地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）、用戶設(shè)備部分（GPS信號接收器）。每顆GPS衛(wèi)星時刻發(fā)布其位置和時間數(shù)據(jù)信號，用戶接收器測量每顆衛(wèi)星信號到接收器的時間延遲，根據(jù)信號傳輸速度就可以計算出接收器與不同衛(wèi)星之間的距離。GPS定位原理如圖1所示，圖中的GPS接收器為當(dāng)前要確定位置的設(shè)備。利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置，用空間距離交會法，可求得地面待定點(diǎn)（接收器）的位置。公式如下：

圖1 GPS定位原理示意圖

根據(jù)這些距離值，就可以推算出GPS接收器的定位信息，如經(jīng)度、緯度、高度、速度、方向等。考慮到各種誤差的影響，為了達(dá)到定位精度要求，至少需要同步觀測4顆以上的衛(wèi)星。

2 GPS定位系統(tǒng)仿真電路

GPS定位仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)主要是基于51單片機(jī)、虛擬 GPS軟件Virtual GPS和虛擬串口軟件VSPD。系統(tǒng)仿真電路如圖2所示。在VSPD的作用下，GPS定位信息通過單片機(jī)串口接收，所接收的信息可來自帶串口輸出的GPS實物模塊，也可以來自Virtual GPS。單片機(jī)程序通過解析接收到的GPS信息，將當(dāng)前時間、經(jīng)度、緯度、速度及航向信息顯示在液晶屏上。圖2中顯示當(dāng)前時間為12月8日3點(diǎn)46分41秒；當(dāng)前位置為東經(jīng)136度49.6541分，北緯79度5.0695分；當(dāng)前速度為513千米/時；當(dāng)前方位為偏正北26.79度。

圖2 GPS定位仿真電路

3 GPS定位信息的接收和解析

所設(shè)計的GPS定位仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)暫不考慮與地圖數(shù)據(jù)庫連接，只對GPS接收模塊所輸出的定位信息進(jìn)行解析，然后將時間、經(jīng)度、緯度、速度與航向?qū)崟r刷新顯示在液晶屏上，達(dá)到GPS定位初步應(yīng)用的目的。

以帶串口輸出的GPS模塊ATK-NEO-6M為例，它遵守NMEA-0183協(xié)議。NMEA協(xié)議是為了在不同的GPS導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，由美國國家海洋電子協(xié)會制定。GPS接收模塊根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過串口傳送出去。

NMEA-0183定義的協(xié)議語句比較多，本仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的主程序僅對“$GPRMC”協(xié)議語句進(jìn)行解析?！?GPRMC”的所有數(shù)據(jù)均采用ASCII字符表示，數(shù)據(jù)傳輸以“$”開頭，以回車換行符（十六進(jìn)制的0D和0A）結(jié)束；數(shù)據(jù)字段以逗號分隔識別；空字段保留逗號。

例 如 ：$GPRMC,034641.656,A,7905.069500,N, 13649.654167,E,277.06,26.79,081214,0,E,A*25。其中，$GPRMC為數(shù)據(jù)串頭，表示此協(xié)議語句為最簡定位語句；“034641.656”為UTC時間，格式為“時時分分秒秒.毫秒”；“A”表示接收正常，“V”則表示與衛(wèi)星通信不正常；“7905.069500”表示緯度值；“N”表示北緯，“S”表示南緯；“13649.654167”表示經(jīng)度值；“E”表示東經(jīng)，“W”表示西經(jīng)；“277.06”表示速度（單位為節(jié)，1節(jié)=1.852千米/小時）；“26.79”表示方位角，它的范圍為000.0-359.9度（相當(dāng)于二維羅盤）；“081214”表示UTC日期，格式為“日日月月年年”；“0”表示磁偏角，范圍為000.0-180.0度；“E”表示地磁變化方向為東，“W”表示地磁變化方向為西；“A”表示自動模式，“D”表示差分模式，“N”表示數(shù)據(jù)無效；“25”是“$”和“*”之間的所有字符ASCII碼的異或結(jié)果的十六進(jìn)制值。

解釋“$GPRMC”協(xié)議語句對應(yīng)的程序代碼由串口中斷函數(shù)完成。首先將接收的字符與字符串“$GPRMC”中的字符逐一進(jìn)行比對，如果完全相同，則繼續(xù)后面的解析操作，否則忽略本次解析，等待下一“$GPRMC”消息頭部的到來。串口中斷函數(shù)的處理流程如圖3所示。

圖3 串口中斷函數(shù)的處理流程圖

在實際的GPS應(yīng)用中，可能并不會用到協(xié)議語句的全部信息，而是根據(jù)具體的需要，從中選取感興趣的信息。由于語句的長度是不固定的，因而分離有用的信息時，不能單純按照該信息在語句中所處的字符位置來查找，還要依據(jù)逗號個數(shù)來提取。

4 GPS定位仿真調(diào)試過程

Proteus目前還沒有GPS模塊的仿真模型，但可以利用自身的串口仿真功能來實現(xiàn)MCU與虛擬GPS軟件通信的仿真調(diào)試。詳細(xì)仿真電路如圖1所示。首先在計算機(jī)上利用虛擬串口軟件VSPD設(shè)置出2個互連的虛擬串口COM3和COM4，再啟動虛擬GPS軟件，將其串口設(shè)置為COM4，然后將Proteus中的串行接口仿真器件COMPIM設(shè)置為COM3。把它們的波特率都設(shè)置成9600bit/s后，仿真運(yùn)行時，虛擬GPS軟件向單片機(jī)串口連續(xù)發(fā)送符合NMEA-0183協(xié)議的語句，如圖4所示。單片機(jī)的串口接收中斷函數(shù)對“$GPRMC”協(xié)議語句進(jìn)行解釋，所解析出的定位信息等由液晶模塊顯示。

圖4 虛擬GPS軟件Virtual GPS發(fā)送定位信息

5 結(jié)束語

GPS定位仿真系統(tǒng)完整地展示了GPS定位數(shù)據(jù)的格式和應(yīng)用開發(fā)過程，系統(tǒng)基本滿足了教學(xué)實踐的需要，為GPS定位仿真系統(tǒng)的研究與應(yīng)用做出了積極的探索。

[1]楊俊，武奇生．GPS基本原理及其Matlab仿真[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006．

[2]李征航，黃勁松．GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2005．

[3]胡銳，薛曉中，孫瑞勝，等．GPS軟件接收機(jī)全系統(tǒng)仿真[J]．計算機(jī)工程，2010,(16)：229-231．

[4]陳懷民，馬龍，王亮，等．GPS仿真模擬器程控計算機(jī)控制臺設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機(jī)測量與控制，2014,(4)：1101-1104．

[5]謝杰，侯博，石陽，等．GPS信號仿真器方案設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機(jī)仿真，2012,(2)：36-39．

[6]沈超，裘正定．基于MatLab／Simulink的GPS系統(tǒng)仿真[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006,(7)：1857-1860．

TP274.2

A

1671-5136(2015)03-0139-03

2015-09-06

2015年度湖南省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目（編號：15C0079）.

朱志偉（1976-），男，湖南衡山人，長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院副教授、碩士。研究方向：嵌入式系統(tǒng)和電力電子技術(shù)。