西華師范大學(xué) 林東虹

全球定位系統(tǒng)(GPS)是一種應(yīng)用比例很高的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其在顯示三維位置、速度信息方面有著廣泛的應(yīng)用，可基于衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)這些個(gè)功能。在不斷的改進(jìn)和完善后，全球定位系統(tǒng)開(kāi)始在軍事、通訊、遙感、大地測(cè)量等相關(guān)領(lǐng)域大量應(yīng)用，且表現(xiàn)出很高的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也在一定角度上促進(jìn)了人類(lèi)的科學(xué)文化生活的發(fā)展。目前這種系統(tǒng)開(kāi)始向便攜式發(fā)展，在生活中的應(yīng)用比例不斷的提高，因而很有必要對(duì)此進(jìn)行研究。

本文對(duì)GPS接收機(jī)的原理和基于單片機(jī)的LCD顯示器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在研究過(guò)程中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)手持式GPS定位接收設(shè)備，同時(shí)對(duì)其功能進(jìn)行了論述。該定位系統(tǒng)的定位精度較高，可以滿(mǎn)足相關(guān)測(cè)控領(lǐng)域的測(cè)量精度要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 單片機(jī)簡(jiǎn)介

單片機(jī)是一種常用的控制設(shè)備，其在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，單片機(jī)的主要組成單元包括存儲(chǔ)器，中央處理器CPU、定時(shí)器、輸入輸出設(shè)備等，這些單元集中在一個(gè)集成電路芯片上，可以實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)算控制功能。

單片機(jī)的組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，不過(guò)其具有了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能，可以通過(guò)其進(jìn)行各種工業(yè)控制，單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)的集成度很高，相關(guān)的原件集中在一個(gè)芯片上，這樣系統(tǒng)的可靠性明顯的提高嗎，同時(shí)運(yùn)行速度也有一定的提升。單片機(jī)的控制功能強(qiáng)大，可以通過(guò)其組建各種類(lèi)型的控制系統(tǒng)。單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用的最常見(jiàn)單元，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中也用到了單片機(jī)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)LCD1602電子液晶顯示屏，此顯示單元通過(guò)單片機(jī)AT89C52進(jìn)行控制，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)控制系統(tǒng)的LCD電子液晶顯示屏相關(guān)原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹之后，做了具體的設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)本系統(tǒng)的軟硬件單元和相應(yīng)的電路做了具體的設(shè)。該電子顯示屏中設(shè)置了獨(dú)立的控制電路，在字符顯示過(guò)程中，需要用到字符對(duì)應(yīng)的ASCII碼。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件部分較為簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)的電路可以總體上劃分為顯示電路，穩(wěn)壓電源、單片機(jī)等幾個(gè)單元。

89C52控制的GPS器件的主要作用是采集定位系統(tǒng)信息，與此相關(guān)的單元包括顯示模塊，單片機(jī)89C52、GPS模塊。為滿(mǎn)足顯示相關(guān)的要求，本文設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了MGLS-12032A顯示器。以下對(duì)單片機(jī)和LCD電路相關(guān)的情況進(jìn)行具體的論述。

●89C52：可通過(guò)其實(shí)現(xiàn)一定的控制功能，通過(guò)其確定出點(diǎn)陣顯示的時(shí)序。

●MAX202：主要是通過(guò)其進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換。

●LCD：用于顯示相應(yīng)的字符信息，在顯示字符信息時(shí)需要提供字符的顯示格式。

設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示：

圖2 設(shè)計(jì)原理圖

這種系統(tǒng)的主要組成單元為GPS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，顯示單元LCD1602，通過(guò)單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能目的。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)全部單元的供電電壓均為5V，因而在電源設(shè)計(jì)過(guò)程中單純?cè)O(shè)計(jì)5V單電源就可以滿(mǎn)足供電要求。

為滿(mǎn)足電壓穩(wěn)定要求，而應(yīng)用了LM7805穩(wěn)壓器，電源模塊對(duì)應(yīng)的電路圖如下，在工作過(guò)程中將輸入的220v交流電轉(zhuǎn)換處理之后變?yōu)?V交流電，其后接著通過(guò)二極管進(jìn)行整流，得到滿(mǎn)足要求的正電壓，然后發(fā)送給其他的模塊。電容C1可降低電壓波紋幅度而實(shí)現(xiàn)一定的濾波目的。濾波后的電壓通過(guò)LM7805集成穩(wěn)壓芯片處理后輸出5V穩(wěn)壓電源，對(duì)應(yīng)的濾波電容為C3，、C4?？赏ㄟ^(guò)其提高相應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

2.3 GPS數(shù)據(jù)模塊

為了減少接收出錯(cuò)的問(wèn)題，一般通過(guò)串行口中斷模式進(jìn)行信息的接收。在接收前應(yīng)該對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行判斷，然后選擇符合格式要求的進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣可以很好的節(jié)約存儲(chǔ)空間，同時(shí)有利于解決RAM不夠用的問(wèn)題。以下進(jìn)行舉例說(shuō)明，例如：接收$GPGGA格式信息的前幾次，先對(duì)接收的信息格式進(jìn)行判斷，在符合格式要求情況下，接著判斷接下來(lái)的逗號(hào)（’，’）是第幾個(gè)逗號(hào)。若發(fā)現(xiàn)非首個(gè)，則可判斷其次的數(shù)據(jù)是時(shí)間，如果是第二個(gè)，則可判斷出其次的信息為緯度，本文接收數(shù)據(jù)過(guò)程中應(yīng)用了這種模式。

GPS數(shù)據(jù)模塊選擇了成品電路模塊，這樣可提高設(shè)計(jì)效率，主要是對(duì)GPS數(shù)據(jù)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，相應(yīng)的GPGGA數(shù)據(jù)格式具體如下所示：

*xx＜CR＞＜LF＞

$GPGGA：起始引導(dǎo)符和對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句格式相關(guān)情況具體如下；

＜1＞：UTC時(shí)間，格式為hhmmss.ss；

＜2＞：緯度，格式為ddmm.mmm；

＜3＞：表示對(duì)應(yīng)的緯度半球，一般通過(guò)符號(hào)N或S表示；

＜4＞：經(jīng)度，格式為dddmm.mmm；

＜5＞：具體表示經(jīng)度半球，通過(guò)符號(hào)E或W表示；

＜6＞：定位質(zhì)量指示，相應(yīng)的字符A含義為有效位置，V則表示非有效接收警告，其和對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星數(shù)量有一定的相關(guān)性；

＜7＞：具體表示對(duì)應(yīng)的使用衛(wèi)星數(shù)量，總共為十二個(gè)；

＜8＞：表示水平精確度，可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的精度；

＜9＞：天線(xiàn)離海平面的高度，在一萬(wàn)米之內(nèi)；

M：也就是長(zhǎng)度單位米

＜10＞：具體表示相應(yīng)的大地水準(zhǔn)面高度，在一萬(wàn)米之內(nèi)；

M：指單位米

＜11＞：也就是對(duì)應(yīng)的差分GPS數(shù)據(jù)期限，和數(shù)據(jù)傳輸量存在一定的相關(guān)性；

＜12＞：差分參考基站標(biāo)號(hào)，可根據(jù)要求進(jìn)行相應(yīng)的選擇。

*：其含義為對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句結(jié)束標(biāo)志符。

xx：也就是從$開(kāi)始到*內(nèi)全部相應(yīng)字碼的異或校驗(yàn)和。

＜CR＞：表示回車(chē)符號(hào)。

＜LF＞：也就是換行符號(hào)。

GPS系統(tǒng)一般選擇232串口通信，為滿(mǎn)足通信要求需要進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換芯片MAX232具體如圖3所示：

圖3 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換芯片MAX232

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，單片機(jī)串口收到信息后，先對(duì)句引導(dǎo)頭進(jìn)行判斷分析，如果發(fā)現(xiàn)為“$”，則接收對(duì)應(yīng)的信息內(nèi)容，在收到“*”字符后，進(jìn)行判斷，然后根據(jù)語(yǔ)句標(biāo)識(shí)區(qū)分出信息類(lèi)別類(lèi)對(duì)相應(yīng)的接收到的字符針對(duì)性顯示。

2.4 控制模塊

本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了AT89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制目的，相應(yīng)的控制任務(wù)包括數(shù)據(jù)接受和顯示控制，以下進(jìn)行具體的論述。

①數(shù)據(jù)接收控制：這種單片機(jī)中設(shè)置了串行口通信電路，可通過(guò)其進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的接收，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式為八位數(shù)據(jù)+1位停止位。所接收到的數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)。

②顯示控制：接收到的數(shù)據(jù)顯示時(shí)通過(guò)51單片機(jī)進(jìn)行控制，且利用LCD1602液晶顯示器進(jìn)行顯示，對(duì)應(yīng)的取出的字符需要經(jīng)過(guò)CPU處理才能顯示。

2.5 顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要顯示相應(yīng)的西文字符，為滿(mǎn)足方面的顯示要求，而選擇了LCD1602顯示器。

3 軟件設(shè)計(jì)

具體顯示了對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)主程序的總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要先初始化處理，主要是對(duì)串口、定時(shí)器、中斷等進(jìn)行設(shè)置操作。顯示器設(shè)置之后進(jìn)入到開(kāi)機(jī)狀態(tài)，其后就可以正常的顯示。每次可以對(duì)兩串字符進(jìn)行顯示，其后就可以持續(xù)的進(jìn)行相應(yīng)的循環(huán)數(shù)據(jù)信息顯示。

系統(tǒng)的主要功能在中斷服務(wù)子程序中完成。這種系統(tǒng)可以在總體上劃分為如下幾個(gè)模塊，顯示單元，串行口中斷服務(wù)程序、掃描程序。這些模塊結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能操作。

系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)之后需要進(jìn)行初始化，接著顯示開(kāi)機(jī)信息，然后對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理，并最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的顯示目的。