饒 云程 莉胡文雅劉忠成

（1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院 武漢 430205）（2.武漢易思達(dá)科技有限公司 武漢 430205）

1 引言

隨著科技發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已逐步融入了我們的生活，為社會(huì)提供了極大的便利，正是由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、定位精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，其在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。以導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)的各項(xiàng)應(yīng)用在很大程度上提高了社會(huì)生產(chǎn)力，方便了人們的工作生活，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重大意義。

本文采用廣播星歷的方式來(lái)實(shí)時(shí)獲取接收機(jī)的當(dāng)前地理位置信息，解析報(bào)文數(shù)據(jù)，通過(guò)STM32單片機(jī)進(jìn)行優(yōu)化處理后顯示在TFT屏上。接收并解析由GPS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理中心的一項(xiàng)重要任務(wù)，處理該任務(wù)的GPS定位模塊具備高可靠性（reliability）和高有效性（efficiency）。能夠正確高效地分析NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù)。本文將編程技術(shù)運(yùn)用到NMEA0183協(xié)議的解析中，實(shí)現(xiàn)了一種高效穩(wěn)定、高精確度的解析方法。

2 工作原理

GPS模塊通過(guò)接受定位衛(wèi)星的廣播星歷計(jì)算出自己當(dāng)前的位置速度等信息，然后將這些信息用NMEA0183協(xié)議封裝［6～7］，并通過(guò)串口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心（通常為嵌入式系統(tǒng)）進(jìn)行處理。

為了完成對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的提取和顯示，采用和芯星通的UM220定位芯片，并且選擇STM32F103RCT6為單片機(jī)主控芯片，配上TFT顯示屏幕顯示實(shí)時(shí)獲取到的衛(wèi)星定位信息。

CDT是和芯星通提供的一款搜星工具，能夠通過(guò)串口顯示GPS模塊搜到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)和從衛(wèi)星的廣播星歷中獲取的地理位置信息，也可以通過(guò)ConsoleWindows配置GPS模塊的顯示數(shù)據(jù)的頻度和消息類(lèi)別。

NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù)類(lèi)別有十幾種，這些信息的作用分別是：$GPGLL：輸出大地坐標(biāo)信息；$GPZDA：輸出UTC時(shí)間信息；$GPRMC：輸出GPS推薦的最短數(shù)據(jù)信息［4］等。

$GPRMC語(yǔ)句中包括經(jīng)緯度、速度、時(shí)間和磁偏角等字段，這些數(shù)據(jù)為導(dǎo)航定位應(yīng)用提供了充分的信息，所以選擇GPRMC返回語(yǔ)句作為定位信息，下面是該語(yǔ)句的詳細(xì)語(yǔ)句定義信息。

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10〉，<11>，<12>

$GPRMC語(yǔ)句意義如表1所示。

表1 GPRMC語(yǔ)句意義

通過(guò)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)知道$GPRMC的消息類(lèi)別ClassID是4，配置$GPRMC的頻度為1，讓它每秒更新一次數(shù)據(jù)，其它的消息類(lèi)別全部設(shè)置為0（關(guān)閉），語(yǔ)句格式為$CFGMSG，msgClass，msgID，rate，所以需要通過(guò)串口向GPS模塊輸入配置信息如圖1。

圖1 GPS配置信息

在Windows10系統(tǒng)下，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線連接GPS模塊，通過(guò)CDT軟件配置GPS模塊的串口號(hào)和波特率等參數(shù)，電腦CDT軟件測(cè)試獲取到的地理信息結(jié)果如圖2。

圖2 CDT測(cè)試顯示圖

測(cè)試結(jié)果顯示通過(guò)串口配置GPS的定位信息能返回規(guī)則的$GPRMC，這樣就能每秒獲取$GPRMC報(bào)文信息，沒(méi)有其他的雜項(xiàng)，方便編程提取串口數(shù)組成員，顯示經(jīng)緯度、速度和UTC時(shí)間當(dāng)重要參數(shù)信息。

3 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)MMEA0183衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)協(xié)議和軟件測(cè)試結(jié)果，讓單片機(jī)串口接收衛(wèi)星定位芯片返回的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)協(xié)議解析成當(dāng)前所處的地理信息，發(fā)送到TFT屏幕上顯示［8～11］。UM220的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 UM220的技術(shù)指標(biāo)

整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，UM220定位芯片模塊通過(guò)天線獲取GPS衛(wèi)星定位信息，解算出當(dāng)前經(jīng)緯度并通過(guò)串口返回到STM32單片機(jī)，通過(guò)編寫(xiě)串口程序，依次從緩沖區(qū)提取數(shù)組成員，根據(jù)MMEA0183通信協(xié)議，解析到TFT屏幕上顯示［12～14］。

圖3 結(jié)構(gòu)框圖

4 硬件設(shè)計(jì)

定位模塊整體設(shè)計(jì)電路原理圖如圖4所示，采用上拉10K電阻的方式來(lái)設(shè)計(jì)定位芯片的復(fù)位電路，當(dāng)按鍵S11按下時(shí)BDRST引腳電位由高電位跳變成低電位［15～17］。系統(tǒng)采用2.85V電源的有源天線，通過(guò)SMA接口連接UM220模塊的RF_IN和VCC_RF引腳，利用發(fā)光二極管做穩(wěn)壓二極管，將3.3V電壓穩(wěn)定到2.85V，給天線供電［18］。研究只使用了UM220模塊的RXD1、TXD1引腳，這兩個(gè)引腳上接入通過(guò)串口芯片連接到STM32單片機(jī)，復(fù)位電路通過(guò)S11按下時(shí)候BDRST電位由高向低跳變實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位［20～21］。

圖4 定位模塊電路原理圖

5 軟件設(shè)計(jì)

從串口調(diào)試助手分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，定位芯片模塊默認(rèn)打開(kāi)所有類(lèi)別的數(shù)據(jù)上傳頻度，這樣會(huì)對(duì)單片機(jī)采集數(shù)據(jù)和分析單一的$GNRMC并提取相應(yīng)的信息造成極大的干擾和代碼復(fù)雜度，基于單一變量原則，采用事先配置模塊信息的方式來(lái)初始化模塊，使它按照頻度為1的速率輸出單一的$GNRMC語(yǔ)句。配置好后采集數(shù)據(jù)分析［22］，例如：

$GPRMC，074529.82，A，2429.6717，N，11804.6973，E，12.623，32.122，010806，，W，A*08

從這條語(yǔ)句中可以得知當(dāng)前的緯度是北緯24.296717、東經(jīng)118.046973，從串口緩沖數(shù)組中取數(shù)組成員［19～27］是緯度，［29］是南緯還是北緯，［31～40］是經(jīng)度，［42］是東經(jīng)還是西經(jīng)，整個(gè)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5。

STM32單片機(jī)開(kāi)機(jī)上電后通過(guò)串口發(fā)送配置信息給UM220模塊，完成初始化工作，初始化成功后UM220會(huì)向單片機(jī)返回OK，然后就是規(guī)則的$GPRMC信息發(fā)送給單片機(jī)，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)解析串口數(shù)組，把每個(gè)字段信息輸出到TFT顯示屏的指定位置。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

6 結(jié)果測(cè)試

在不同的地點(diǎn)、時(shí)間和天氣環(huán)境下得到的測(cè)試結(jié)果分別做了5次仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真結(jié)果可以很好的驗(yàn)證本設(shè)計(jì)具有定位準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖6 Matlab仿真圖

由圖可知，在配置GPS定位模塊只上報(bào)$GNRMC語(yǔ)句和不做任何處理，僅僅通過(guò)代碼編程去識(shí)別的方式進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)配置處理后的定位數(shù)據(jù)顯示時(shí)間（晴天學(xué)校）要明顯低于不經(jīng)過(guò)處理的時(shí)間（陰雨天宿舍）。關(guān)于GPS定位應(yīng)用研究的實(shí)物效果圖如圖7所示。

圖7 實(shí)物效果圖

7 結(jié)語(yǔ)

本文經(jīng)過(guò)軟件和硬件的電路設(shè)計(jì)，以及對(duì)衛(wèi)星通信報(bào)文分析，采用STM32單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和顯示控制處理器，完成了對(duì)GPS衛(wèi)星定位模塊的初始化配置和對(duì)TFT屏的數(shù)據(jù)輸出顯示，針對(duì)過(guò)多的冗余定位信息進(jìn)行了優(yōu)化，減小了顯示時(shí)間，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。