杜　俊，董　松

（隴東學(xué)院，甘肅　慶陽　745000）

基于單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

杜俊，董松

（隴東學(xué)院，甘肅慶陽745000）

GPS（Global Positioning System）在船舶、車輛、飛機(jī)等運(yùn)動物體進(jìn)行定位導(dǎo)航、車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等都有重要的應(yīng)用，但其高昂的成本讓普通客戶無法接受。本文設(shè)計了基于單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)以51單片機(jī)為主控制器，通過uart接口與GPS信息采集模塊進(jìn)行通信，GPS信息格式采用NMEA-0183協(xié)議格式，單片機(jī)對GPS信息格式進(jìn)行解碼，獲得時間、經(jīng)度、緯度、海拔高度、速度等信息，并根據(jù)需求將所需信息通過顯示器顯示。

NMEA-0183協(xié)議；UART；數(shù)據(jù)解碼

1　概述

GPS（NavigationSatelliteTimingandRanging/Global Positioning System），中文名為“衛(wèi)星授時測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”。該系統(tǒng)由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成。它可以保證在任意時刻、任意地方都可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時等功能。

2　GPS定位系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要以u-blox公司的NEO-6M GPS定位芯片和GPS有源天線組成GPS信息接收模塊，利用UART接口將GPS模塊的采集的NMEA-0183格式的信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對接收到的NMEA-0183格式的信息進(jìn)行解碼和處理，通過液晶屏顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)定位、授時、測速的功能，如圖1所示。

圖1　基于單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1GPS接收模塊

本系統(tǒng)中GPS信息接收模塊采用u-blox公司的NEO-6M芯片，該芯片具有高靈敏度、低功耗、小型化、其極高追蹤靈敏度大大擴(kuò)大了其定位的覆蓋面，在普通GPS接收模塊不能定位的地方，如狹窄都市天空下、密集的叢林環(huán)境，NEO-6M都能高精度定位。模塊的高靈敏度、小靜態(tài)漂移、低功耗及輕巧的體積，非常適用于車載、手持設(shè)備如PDA，車輛監(jiān)控、手機(jī)、攝像機(jī)及其他移動定位系統(tǒng)的應(yīng)用，是GPS產(chǎn)品應(yīng)用的最佳選擇。

在開發(fā)GPS定位系統(tǒng)的過程中，并不需要去關(guān)心如何計算坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些工作GPS芯片都會自動完成。但是在設(shè)計過程中，應(yīng)重點(diǎn)注意GPS模塊的工作條件、通信接口、數(shù)據(jù)格式、波特率等問題。

NEO-6M GPS信息接收模塊采用USB接口供電，支持3.3V-5V電源，支持UART接口，使用前可使用模塊配置軟件配置UART接口的波特率，使其與單片機(jī)串口的波特率一致。

2.2NMEA-0183協(xié)議

NMEA 0183是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前業(yè)已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該協(xié)議采用ASCII碼，UART默認(rèn)波特率4800bps，采用10位異步傳輸方式，無奇偶校驗(yàn)。NMEA-0183協(xié)議常用的數(shù)據(jù)格式有6種，見表1。

其中NMEA-0183的GPGGA命令的信息格式及含義如下，其他命令格式可查詢相關(guān)文獻(xiàn)。

$GPGGA，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞，＜12＞，＜13＞，＜14＞*＜15＞＜CR＞＜LF＞

表1　NMEA-0813常用的數(shù)據(jù)格式

該信息格式中的“$”表示命令起始位，GPGGA表示命令類型，其他字段含義如下：

＜1＞UTC時間，格式為hhmmss.sss。

＜2＞緯度，格式為ddmm.mmmm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）。

＜3＞緯度半球，N或S（北緯或南緯）。

＜4＞經(jīng)度，格式為dddmm.mmmm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）。

＜5＞經(jīng)度半球，E或W（東經(jīng)或西經(jīng)）。

＜6＞定位質(zhì)量指示，0=定位無效，1=定位有效。

＜7＞使用衛(wèi)星數(shù)量，從00到12（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）。

＜8＞水平精確度，0.5到99.9。

＜9＞天線離海平面的高度，-9999.9到9999.9米。

＜10＞高度單位，M表示單位米。

＜11＞大地橢球面相對海平面的高度（-999.9到9999.9）。

＜12＞高度單位，M表示單位米。

＜13＞差分GPS數(shù)據(jù)期限（RTCM SC-104），最后設(shè)立RTCM傳送的秒數(shù)量。

＜14＞差分參考基站標(biāo)號，從0000到1023（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）。

＜15＞“*”表示校驗(yàn)和前綴。

＜16＞校驗(yàn)和。

＜17＞CR和LR表示信息結(jié)束符合。

NEO-6M GPS接收模塊可以接收以上6種常用的命令信息，可使用該模塊的配置程序設(shè)置該模塊的接收信息類型，設(shè)置好后，該模塊只接收允許接收的信息類型。本設(shè)計方案中，對允許接收的命令信息類型沒有篩選。

3　定位系統(tǒng)軟件設(shè)計

GPS定位系統(tǒng)程序主要完成單片機(jī)串口初始化、LCD液晶屏的初始化，GPS命令信息的接收、解碼、處理任務(wù)，最后將處理后的信息顯示在LCD液晶屏上。GPS定位系統(tǒng)程序總體流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)程序流程圖

在整個系統(tǒng)程序設(shè)計中，解碼是關(guān)鍵。單片機(jī)通過串口接收到來自GPS接收模塊的NMEA-0183格式的命令信息后，將該信息解碼，提取出用戶需要的信息。NMEA-0183解碼算法如下：

s1：初始化：定義逗號字符計數(shù)變量comma_cnt=0，數(shù)據(jù)字符計數(shù)變量char_cnt=0，命令類型數(shù)組cmd［5］，模式變量mode（mode=0，結(jié)束，mode=1，接收命令類型，mode=2，接收數(shù)據(jù)），命令類型編號cmd_num，啟動串口接收，進(jìn)入s2。

s2：判斷串口的sbuf接收到的字符：

如果是“$”，設(shè)置mode=1，準(zhǔn)備接收命令類型信息；

若是字符“，”，逗號字符計數(shù)comma_cnt自增1、數(shù)據(jù)字符計數(shù)char_cnt清零；

若是字符“*”，mode=0，進(jìn)入結(jié)束模式；

若是其他，執(zhí)行s3；

s3：若mode=1，則接收命令類型，依次將串口接收到的5個字符數(shù)據(jù)存儲到cmd［5］數(shù)組中。

若 cmd［5］存儲的是 “GPGGA”命令類型，則cmd_num=1，執(zhí)行s4；

若是“GPGSV”命令類型，則cmd_num=2，執(zhí)行s4；

若是“GPRMC”命令類型，則cmd_num=3，設(shè)置mode=2，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)模式，執(zhí)行s4。

s4：若 mode=2，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模式。判斷cmd_num的值：

若cmd_num等于1，開始解碼GPGGA命令類型的數(shù)據(jù)，判斷逗號計數(shù)comma_cnt的值。根據(jù)2.2節(jié)中的NMEA-0183的GPGGA命令信息格式，數(shù)據(jù)字段之間用逗號分隔，因此根據(jù)逗號計數(shù)可以獲取所需信息。

若comma_cnt的值等于1，表示后面接收的10個字符是UTC時間，然后存儲在時間變量里。

若comma_cnt的值等于2，表示接下來接收的10個字符是緯度信息并存儲，char_cnt清零。

若comma_cnt的值等于3，表示接下來接收的1個字符是緯度方向信息并存儲，char_cnt清零。

若comma_cnt的值等于4，表示接下來接收的11個字符是經(jīng)度信息并存儲，char_cnt清零。

若comma_cnt的值等于5，表示接下來接收的1個字符是經(jīng)度方向信息并存儲，char_cnt清零。

用類似的方法將GPGGA中的所需的其他信息解碼。

若cmd_num等于2，開始解碼GPGSV命令類型數(shù)據(jù)，用上述辦法解碼獲得所需信息并存儲。

若cmd_num等于3，開始解碼GPRMC類型數(shù)據(jù)，用上述方法解碼獲取所需的其他信息并存儲。

s5：退出。

數(shù)據(jù)解碼完成后，使用LCD屏實(shí)時顯示解碼后需要顯示的數(shù)據(jù)。另外，系統(tǒng)接收到的時間信息是UTC時間，如要輸出北京時間，還需對UTC時間進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成北京時間，在進(jìn)行輸出顯示。

4　結(jié)論

本文提出了對GPS全球定位系統(tǒng)的各命令類型數(shù)據(jù)的解碼方法，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于51單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)，由單片機(jī)控制GPS接收模塊較為精確地計算和顯示日期、時間、經(jīng)度、緯度等衛(wèi)星信息。

［1］ 吳東東.基于單片機(jī)的GPS定位顯示設(shè)計［J］.上海師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，45（1）.

［2］ 于鐵軍.基于ARM的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.中北大學(xué)，2014．

［3］杜天杰.基于GPS的定位系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.西安電子科技大學(xué)，2014.

［4］張爍.基于移動GIS定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（7）.

［5］趙志禮.基于單片機(jī)的GPS定位信息處理［J］.電子測試，2009.

［6］劉俊成.GPS軟件接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.國防科技大學(xué)，2006.11．

［7］張鵬超.智能車載信息系統(tǒng)研究［D］.西安工業(yè)大學(xué)，2004.

［8］袁安存.全球定位系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.大連海事大學(xué)出版社，1999.

TP313

隴東學(xué)院緊缺人才科研啟動資金資助項(xiàng)目（XYBY140207）。