高書陽

（湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430000）

1 緒論

1.1 課題背景及意義

人類首顆GPS 試驗衛(wèi)星于1978 年2 月22 日發(fā)射入軌，無線導航定位時代在導航衛(wèi)星這個動態(tài)已知點的基礎上就此開創(chuàng)。來自GPS 衛(wèi)星的定位導航信號這類空間信息資源已成一種公共資源，能為全部用戶共享[1]。結合硬件的特點，對GPS 接收模塊和STC12C5A60S2 單片機之間串行通信實現(xiàn)的途徑進行了分析，GPS 模塊發(fā)出數(shù)據(jù)經(jīng)由串口接收，且把所需數(shù)據(jù)從中過濾獲得，在經(jīng)過相應處理后顯示特定的數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)可以在LCD 顯示屏準確顯示出時間、日期和用戶所在位置的經(jīng)緯度、速度等多種數(shù)據(jù)信息的效果。本文還通過硬件和軟件調(diào)試以及實驗仿真分析，進一步驗證了此系統(tǒng)的可靠性和精確性。它是一臺體積小巧、攜帶方便、可以獨立使用的全天候?qū)崟r的定位導航設備，具有非常強可擴展功能的實際應用價值。在空中、海洋、陸地任一領域內(nèi)，僅需某種可測量、變換、跟蹤和接收GPS 信號的一部接收機，運動平臺的3 維、7 維狀態(tài)參數(shù)便會被24 小時全球全天候不間斷測量。其影響之大，用途之廣，把其它類型的無線接收設備遠遠甩在身后。而且,入軌運行的GPS 衛(wèi)星同樣能提供全天候、全天時、高精度測量技術,并且可以進行全球氣象學、全球海洋學、載人航天學、天體力學、地球物理學、地球動力學、大地測量學等學科領域?qū)嵺`。縱觀現(xiàn)狀，GPS 技術有如下用途。

1.1.1 GPS 技術的陸地應用

該技術于電力工程勘測中和土地管理、林區(qū)生態(tài)工程的應用；行政區(qū)域勘界、高精度時間比對和頻率控制、冷鏈物流運輸過程的應用；智能交通系統(tǒng)應用；地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中的應用；建筑物變形監(jiān)測中的應用；地表物質(zhì)遷移的時變重力場反演方法及其應用；工程建設施工放樣測量等陸地上的諸多領域內(nèi)，應用極為廣泛。

1.1.2 GPS 技術的海洋應用

GPS 技術在海洋方面有著非常重要的作用，對人類研究海洋提供了便利條件，比如：管制港口交通；測量無驗潮水深；檢測海洋災難；測定海洋油氣田平臺復位與就位；建立海洋大地控制網(wǎng)，遠洋船舶的最佳航線測定及實時調(diào)度和監(jiān)測；測量海底管道鋪設；無人監(jiān)測船遠程控制系統(tǒng)；光電掃描式成像跟蹤系統(tǒng)GPS 定位；高頻地波雷達海洋動力學參數(shù)反演與應用；布測海底大地測量控制網(wǎng)；小型多參數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測浮標系統(tǒng)；精細測量海底地形；港口工程施工定位技術應用；定點測定海損事故或海洋糾紛；海洋救援及海底沉船位置的精確探測；鋼板樁施打作業(yè)領域應用GPS 定位技術等。

1.1.3 GPS 技術的航空航天應用

GPS 技術在航空航天方面應用有著非常重要地位，具體應用主要體現(xiàn)在：測量對地觀測衛(wèi)星3 維、7 維狀態(tài)參數(shù)；自主導航民用航空器；星載GPS 遮掩天體體積以及大氣參數(shù)測量；測量重力與航空攝影參數(shù)；載入航天器在軌防護探測；航空護林；航天航空飛行器精密著陸；測量衛(wèi)星回收與衛(wèi)星入軌實時點位；飛行器空中加油控制；地面數(shù)據(jù)處理技術、方法與應用（航空遙感數(shù)字傳感器）；飛行器探測災區(qū)范圍與標定測量；戰(zhàn)隊機軍事作戰(zhàn)控制；航空救援搜索及其定位測量；低軌道通訊衛(wèi)星群的實時軌道測量；GPS時鐘同步機制及其民航空管系統(tǒng)；機載地球物理勘探[2]。

由此可見，GPS 技術的應用十分廣泛，已經(jīng)深入到各個領域，對人類的進步發(fā)展探索起到巨大作用。但是前述最基本應運條件的實現(xiàn)必須要有可以進行GPS 信號接收且同時可以進行調(diào)制輸出的設施，把UTC 標準時間、當時所處位置經(jīng)緯度顯示出來是此類設備的最基本功能，如何準確接收、調(diào)制輸出GPS 信號，是此項技術的關鍵，同時，當時所處部位的時間、緯度、經(jīng)度能否精確的顯示同樣事關此類技術的實用價值大小。當前，以此類GPS 技術及其基本功能為前提而研發(fā)的GPS 導航設備、GPS 手持機等產(chǎn)品種類眾多。這項技術的優(yōu)勢表現(xiàn)在可擴展性好、功能強大等，不足之處表現(xiàn)在電路復雜、費用過高等。課題論文擬把以單片機為基礎的GPS 定位系統(tǒng)設計成功。具備實用價值、廉價、基本性能完備等是本次課題的設計標準。

1.2 論文主要內(nèi)容

以單片機、GPS 理論為前提，把相應的單片機選擇出來，進行GPS 接收模塊接收數(shù)據(jù)的提取，且把所需特定的數(shù)據(jù)從中過濾獲得、適當處理，直至能夠?qū)⒂脩羲幉课凰俣?、?jīng)緯度數(shù)據(jù)以及日期、時間準確顯示出來。這就是本次課題論文的主要設計目標。

本次設計除對所選LCD 顯示功能、單片機基本引腳功能、GPS 接收模塊性能指標要求研發(fā)人員熟悉以外，NMEA封包同樣需要把握，而且NMEA 輸出命令的使用技術也要掌握，以此和單片機的有關知識結合，實現(xiàn)GPS 捕獲的衛(wèi)星信息提取，且選擇性的在液晶顯示器進行相關數(shù)據(jù)顯示。完成設計之后，通過Proteus 軟件來對其性能展開仿真測試。

2 GPS 定位系統(tǒng)方案設計

2.1 GPS 全球定位系統(tǒng)簡介

基于對民用實時連續(xù)三維導航、軍事用途等現(xiàn)代社會發(fā)展標準的滿足所需,在“午儀衛(wèi)星導航定位”技術基礎上，美國于1973 年組織其軍事機構進一步共同研究和建立新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)[3],具有全球性、全能性、全天時性優(yōu)勢的導航定位、定時、測速系統(tǒng)，即通常所說的“全球定位系統(tǒng)”(Global Positioning System),簡稱GPS 定位系統(tǒng)。情報收集是GPS 技術研發(fā)的初始意圖，無漏洞、實時、全天候的把有關導航服務提供給空中、海上以及陸地等各個領域是其當前基本目標。同時，應急通訊、核爆監(jiān)測、情報收集以及應急通信、實時監(jiān)測核武器動向等軍事目標同樣是其服務范疇。

以下就是GPS（全球定位系統(tǒng)）的基本組成部分：

1.由均勻散布于3 大洋的美軍基地及美國本土的監(jiān)控站（5 個）、在主控站控制下把尋電文注入衛(wèi)星的注入站-地面天線(3 個)、主要對地面綜合控制系統(tǒng)司職協(xié)調(diào)和管理的工作主控站(1 個)構成的地面監(jiān)控系統(tǒng)[4]。

2.由3 顆備用衛(wèi)星、21 顆工作衛(wèi)星構建而成的空間衛(wèi)星系統(tǒng)。在六個軌道面中的各軌道面均勻分布著3 至4 顆工作衛(wèi)星。地球赤道平面和各軌道平面二者之間有55 度傾角，其中各軌道平面中的每個衛(wèi)星升交角存在90 度距差。各個軌道面升交點赤徑之間有60 度相差。而軌道高度均值在20200 公里左右。對比西邊毗鄰軌道衛(wèi)星來說，每個軌道衛(wèi)星會有30 度超前，11 小時58 分是各個衛(wèi)星的循環(huán)運行周期[5]。該系統(tǒng)事實上有24 顆以上衛(wèi)星，這讓損壞、老化衛(wèi)星能及時、便利的更換，以此來確保系統(tǒng)可以運行平穩(wěn)。任意地點或任一時刻，該系統(tǒng)均能通過至少四顆衛(wèi)星來服務使用者，有時甚而至于會有多達十一顆,就此把實時、連續(xù)定位與導航實現(xiàn)[6]。

3.由計算設備、數(shù)據(jù)處理軟件、衛(wèi)星天線、GPS 衛(wèi)星接收機構成的用戶接收系統(tǒng)。衛(wèi)星射電干涉測量、多普勒測量、載波相位測量、偽距測量等是GPS 定位的基本辦法（GPS用戶接收系統(tǒng)如圖1 所示）。

GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)三大部分之間的相互關系如圖2所示。全球GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)其主要特點如下：

圖2 GPS 全球定位系統(tǒng)組成關系

（1）全天候；

（2）全球性覆蓋；

（3）三維定時定速高精度、自動化高效益；

（4）快速省時高效率，觀測時間短；

（5）全能性、操作簡便。

2.2 GPS 信號接收方案選擇

要在液晶顯示屏顯示出GPS 定位數(shù)據(jù)信息，關鍵技術問題就是要實現(xiàn)GPS 信號的接收，目前有兩種選擇方案來實現(xiàn)GPS 信號的接收：

方案一：GPS 接收芯片先行確定完成，隨之以芯片有關設計參數(shù)為基礎，進行安裝天線、外圍電路等的設計，把1個獨立模塊做成。對GPS 芯片原理的了解、設計該系統(tǒng)接收部分硬件電路技術的把握等是選擇此方案的基本出發(fā)點，不過其缺點也是顯而易見的，首先自己動手焊接設計它的外圍電路麻煩，實現(xiàn)難度大，易出現(xiàn)引腳脫焊虛焊問題，其次由于GPS 接收芯片一般都是廠商直接供貨，單獨采購價格會很高。

方案二：選擇市場上口碑較好的GPS 集成模塊，選擇此方案的優(yōu)點就是在這個信息現(xiàn)代化的時代的GPS 接收模塊的制造技術已經(jīng)相非常成熟，并且性能穩(wěn)定，使用也十分方便，定位成功接收到衛(wèi)星信號后就可以直接通過模塊輸出GPS 相關信息，并通過單片機解析和封包數(shù)據(jù)成功的可以顯示在LCD 顯示屏上。并且在經(jīng)過大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)后，它價格已經(jīng)可以被我們所接受，一般幾十到一百多元不等，這樣的模塊在市面上也能夠很容易的購買到。

分析上面兩種方案的優(yōu)缺點，選擇合適的GPS 接收模塊就能夠比較好的作為本次設計簡易單片機GPS 定位系統(tǒng)的解決方案，因此我選擇第二種方案來完成本次GPS 定位系統(tǒng)設計。

2.3 GPS 接收模塊的研究

系統(tǒng)重點在于GPS 接收模塊，其性能、功能都不相同，型號也有許多種，通常都是由外置和內(nèi)置天線、儲存器、CPU（處理器）、低噪聲下變頻器、并行信號通道等設備構成其基本架構。

GPS 接收模塊通過它的接收天線捕捉到衛(wèi)星信號后，再經(jīng)過變頻、放大、濾波、載波相位、混頻、測量偽距等一系列處理，便可以實現(xiàn)在保證天線接收范圍內(nèi)對衛(wèi)星的信號進行跟蹤、鎖定和測量、解調(diào)，并將這些電信號轉(zhuǎn)換為導航電文。衛(wèi)星有關位置信息獲取以及信號的傳播時間測算完成后，便能以有關理論公式為依據(jù)把天線的位置計算出來。此時用戶可以通過輸入和輸出、I/O 串行接口，與GPS 接收模塊之間進行數(shù)據(jù)信息傳送，從而實現(xiàn)預期功能-GPS 定位顯示功能。GPS 接收模塊內(nèi)部結構如圖3 所示。

圖3 GPS 接收模塊硬件結構

2.4 系統(tǒng)總體方案的設計

經(jīng)由單片機對于GPS 定位系統(tǒng)內(nèi)接收模塊的控制，來把簡單的定位功能實現(xiàn)，這是課題設計的基本標準。因此，編程控制采用的是STC12C5A60S2 單片機，采用SiRF StarII GPS 芯片為核心的接收模塊來接收GPS 衛(wèi)星信號，且所需定位數(shù)據(jù)方面的相關信息主要是經(jīng)由軟件編程keil c51 來進行篩選、解析，最終再經(jīng)由單片機上的并行接口來把其向液晶顯示屏進行傳輸，就此把有關的定位信息顯示出來。該單片機GPS 定位系統(tǒng)硬件部分主要由以下幾個部分組成：

（1）接收部分：以SiRF StarII GPS 芯片接收模塊為核心的GPSOEM 模塊；

（2）控制電路：由STC12C5A60S2 單片機來編程控制；

（3）顯示部分：LCD12864 液晶顯示模塊；

（4）電源電路部分:采用USB 供電，大約5V 左右可以保證系統(tǒng)正常供電。

外圍電路：由以下2 部分構成：其一，液晶顯示模塊（LCD12864）內(nèi)的顯示電路、電源電路；其二，GPS 定位系統(tǒng)內(nèi)的接收模塊、其它電路。SiRF StarII GPS 接收模塊主要由變頻器、信號通道、存儲器、CPU 和I/O 接口構成。它通過天線接收獲取GPS 衛(wèi)星信號，再經(jīng)過變頻、放大、濾波、載波相位、混頻、測量偽距等一系列處理，便可以實現(xiàn)對在保證天線接收范圍內(nèi)對衛(wèi)星的信號進行跟蹤、鎖定和測量、解調(diào)。

單片機控制部分：經(jīng)由NMEA-0183 語句數(shù)據(jù)（來自GPS 接收模塊）來選擇、處理所收到的GPS 數(shù)據(jù)，進行程序編寫，初始化單片機控制系統(tǒng)，對GPS 接收模塊進行控制，把采集相關數(shù)據(jù)信息的工作完成，處理有關信號，且將時間、經(jīng)緯度、相關位置等數(shù)據(jù)信息經(jīng)由單片機的輸出接口向LCD 顯示模塊輸送，并進行顯示。

由此以上可知：SiRF StarII GPS 接收模塊將獲取到的GPS 衛(wèi)星電信號轉(zhuǎn)換為導航電文，進行解碼調(diào)制，且向標準NMEA-0183 格式轉(zhuǎn)換完成，再向單片機傳送，由其展示處理，如果導航電文數(shù)據(jù)信息（來自GPS）被單片機收到，其將會就上進行識別性的篩選，且把篩選所獲數(shù)據(jù)向LCD顯示模塊傳送，并把預設的定位信息顯示出來。

3 硬件電路設計

3.1 硬件電路總體結構

以總體設計規(guī)劃為依據(jù)，顯示部分（LCD12864 液晶顯示模塊）、控制部分（STC12C5A60S2 單片機）、以SiRF StarII 芯片基礎的GPS 接收模塊和外置車載天線的GPS 信號接收部分這三大部分構成了硬件電路，其大體結構框圖如圖4 所示。

圖4 硬件電路總體結構框圖

3.2 硬件電路功能設計介紹

3.2.1 STC12C5A60S2 簡介

STC 制造的機器周期(1T)/單時鐘單片機——STC12C5A 60S2 系列單片機屬于8051 增強型新型單片機，這種增強型新型單片機具有超強抗干擾、低功耗、高速等特征，傳統(tǒng)的8051 指令代碼其能夠全面兼容，而且速度是其8-12 倍。其內(nèi)部集成MAX810 特有的復位電路（外部晶體12MHZ 以上時，復位腳可接1000 歐姆電阻接地）。且將八路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換(25 萬次/秒，即250K/s)、PWM（2 路）、MAX810 專用復位電路集于一體，可過用于控制電機及其它強干擾場合。在Keil C51 開發(fā)環(huán)境中，選擇Intel 8052 編譯，頭文件包含即可。

STC12C5A60S2 系列單片機的內(nèi)部結構框圖如圖5 所示。外部晶體振蕩電路、片內(nèi)R/C 振蕩器、PCA、SPI 接口、高速A/D 轉(zhuǎn)換、串口2、I/O 接口、UART 串口、定時/計數(shù)器、SRAM(數(shù)據(jù)存儲器)、Flash(程序存儲器)、CPU(中央處理器)等是STC12C5A60S2 單片機中的基本模塊。采集、控制數(shù)據(jù)方面的全部單元模塊基本上全涵蓋于這個系列單片機內(nèi)，因而也能將其當成片上系統(tǒng)。

圖5 STC12C5A60S2 系列內(nèi)部結構框

STC12C5A60S2 引腳如圖6 所示。

圖6 STC12C5A60S2 引腳

3.2.2 STC12C5A60S2 主要性能

? 高速：1 個時鐘/機器周期，增型8051 內(nèi)核，速度比普通8051 快6～12 倍。

? 寬電壓：5.5～4.0V，2.1～3.6V（STC12LE5A60S2系列）。

? 增添P4.6(極為可靠的復位，能對復位門檻電壓進行調(diào)整，如果頻率不足12MHz，這個功能并不需要)/第2 復位功能腳。

? 增加外部掉電檢測電路/P4.6，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)存進EEPROM，低功耗設計：空閑模式（可由任一個中斷喚醒）。

? 工作頻率：0～35MHz，相當于普通8051：0～420MHz。

? 時鐘：可選擇的R/C 振蕩器（內(nèi)部）、外部晶體，于ISP 下載編程用戶程序過程中進行設計。

? 8/16/32/40/48/56/60/62K 字節(jié)片內(nèi)Flash 程序存儲器，擦寫次數(shù)10 萬次以上。

? 1280 字節(jié)片內(nèi)RAM 數(shù)據(jù)存儲器。

? 獨立波特率發(fā)生器。

? SPI 高速同步串行通信接口。

? 可編程時鐘輸出功能(在P1.0，WDT(時鐘硬件看門狗)被BRT輸出；在P3.5，T把時鐘輸出；在P3.4，T0把時鐘輸出)。

? 通用I/O 口(36/40/44 個)，復位后為：準雙向口（普通8051 傳統(tǒng)I/O 口）可設置為只是高阻/輸入，各I/O 口驅(qū)動能力開漏都能實現(xiàn)20 毫安，強上拉/強推免，弱上拉/準雙向口這幾種模式。芯片整體控制在120 毫安內(nèi)為宜。

（1）時鐘電路

外部晶體時鐘、內(nèi)部R/C 振蕩時鐘是STC12C5A60S2 系列單片機的2 個時鐘源，外部晶體時鐘是當前產(chǎn)品的出廠標配。8MHz-12MHz 是3V 單片機的常溫頻率，11-17MHz是5V 單片機芯片內(nèi)的R/C 振蕩器常溫頻率，因為隨著溫度的變化，內(nèi)部溫度的變化，內(nèi)部R/C 振蕩器的頻率會有一些溫飄，再加上制造誤差，故內(nèi)部R/C 振蕩器只適用于對時鐘頻率要對不敏感的場合。

圖7 所示即為內(nèi)部時鐘電路。定時元件（大多由電容、石英晶體構成的并聯(lián)諧振回路充當）外接于TXD、RXD 引腳，自激振蕩就此在內(nèi)部振蕩器中形成。宜于5pF-30pF 區(qū)間內(nèi)挑選電容值，于1.2MHz-12MHz 區(qū)間內(nèi)挑選晶體振蕩頻率，頻率將會因為電容值的大小而被其微調(diào)。

圖7 時鐘電路（a）內(nèi)部方式時鐘電路結構圖

圖8 所示即為外部時鐘電路。其中TXD 引腳接外部振蕩器、RXD 引腳接地。只要保持住脈沖的寬度就行，并無特殊的外部振蕩信號標準，方波信號通?？刂圃?2MHz 內(nèi)。振蕩頻率被片中的時鐘發(fā)生器2 分頻，P1、P2 兩相時鐘會就此形成，且服務單片機運行。

圖8 時鐘電路（b）外部方式時鐘電路結構圖

（2）復位功能

單片初始化操作就是此處所說的復位涵義。將PC 初始化成0000H，讓單片機的程序執(zhí)行由0000H 單元開始，這是復位的主要功能。正常的系統(tǒng)初始化操作之外，如果因為操作錯誤、程序運行出錯等讓系統(tǒng)死鎖，基于困境擺脫所需，同樣必須通過復位鍵來進行重新啟動[7]。看門狗復位，MAX810 專用復位電路或者掉電復位/上電復位(并可選擇200 毫秒延時復位增加額外，即于上電復位之后再進行一次復位延時200 毫秒增加操作)，軟件復位，外部低壓檢測復位(增設第2 復位功能腳RST2 復位，實現(xiàn)外部可調(diào)復位門檻電壓復位)，外部RST 引腳復位等屬于STC12C5A60S2 系列單片機的幾類復位形式。

（3）復位電路

當時鐘頻率高于12MHZ 時，建議使用第二復位功能引腳（RST2/EX_LVD/P4.6 口），這樣可利用增加的外部低壓檢測LVD 功能作為外部低壓復位腳（如電路圖9 和典型線路圖10 所示）。

圖9 復位電路

圖10 復位電路典型線路

7805（穩(wěn)壓塊）后端有5V 直流電壓，當其降至約4V（如圖10 所示），R1、R2 這2 個電阻會把4V 附近電壓向不足1.33V(低壓檢測門檻電壓)周圍分壓，此時，CPU 將會被RST2 這個第2 復位功能腳置于復位狀態(tài)。當穩(wěn)壓塊7805后端的直流電壓高于4V 時，圖中的電阻R1 和R2 將4V 的電壓分壓到高于低壓檢測門檻電壓(1.33V 附近)，單片機就解除復位狀態(tài)，恢復到正常工作狀態(tài)上，典型線路如圖11所示。

圖11 典型線路

3.2.2 SiRFStarIIGPS 信號接收模塊

該設計中GPS 信號接收模塊是以SiRF StarII GPS 芯片為核心的模塊，該芯片是由美國瑟孚科技有限公司所生產(chǎn)的第二代芯片。它具有12 通道并行接收能力，其所接收的GPS 信號屬于民用頻段的L1 信號，大約為1575.42MHz，在沒有Selective Availability 干擾的情況下，它的動態(tài)速度誤差是每秒0.1 米，其平均定位誤差為10m，信號靈敏度能至－142dBm，熱啟動時間是38 秒，冷啟動定位時間是42 秒，即使是二次定位，時間方面同樣只需8 秒，該模塊主要引腳如圖12 所示。

圖12 SiRFStarII 引腳

引腳備注：TXD 端口是2 號管腳，一般連接外振蕩器；電源輸入端是3 號管腳，外接電壓通常約是+5V；GND 端口是1 號管腳，用于接地。該GPS 信號接收模塊的正常工作電流約為75mA。其正常工作電壓約為3V 左右。

GSP2e 把2 個UART、GPS 接收機外部設備、高精度實時時鐘、1MbEDODRAM、內(nèi)外部獨立總線、ARM7CPU（50MHz1 個）、增強型GPS 內(nèi)核（1 個）集于一體；數(shù)字接口、集成LNA、IF(集成中頻濾波器)、基準振蕩器、片內(nèi)壓控振蕩器等則構成了GRF2i。當前系統(tǒng)內(nèi)很方便集成進GSW2模塊化軟件，且可以進行功能強大的開發(fā)條件保障。

WGS－84 為地圖坐標系，地理信息采集更新速率是1 次/2s，NMEA－0183 是GPS 輸出數(shù)據(jù)的格式標準[8]。SiRF StarII 主要特征如表1 所示。

表1 SiRFStarII 主要特征

為了有更好的信號接收效果，本設計采用ROHS 認證通過的車載天線，該天線接收信號好，穩(wěn)定性好，模塊和天線實物圖如圖13 所示，GPS 天線參數(shù)如下表2 所示。

圖13 GPS 接收模塊與天線實物

表2 GPS 天線參數(shù)

3.2.3 LCD12864 液晶顯示模塊介紹

（1）液晶顯示模塊

本設計采用LCD12864 液晶顯示模，具有多種功能，通過液晶顯示模塊中引腳4、5、6 分別與單片機引腳P25、26、27 相連，進行數(shù)據(jù)信息傳送，接收單片機控制器傳送的信息，顯示在顯示屏上面，展現(xiàn)出GPS 定位信息。并且本設計中R2 是可調(diào)節(jié)電阻，可以實現(xiàn)對顯示屏的亮度進行調(diào)節(jié)，以便滿足用戶需要，12864 液晶顯示模塊引腳電路圖和實物圖如圖14 所示。

圖14 LCD12864 液晶顯示模塊電路

（2）LCD12864 有20 個引腳，說明如表3 所示液晶硬件接口：

表3 12864 引腳說明

1.邏輯工作電壓(VDD)：4.5～5.5V；

2.電源地(GND)：0V；

3.工作溫度(Ta)：0～60℃(常溫)/-20～75℃（寬溫）；

4.模塊有并行和串行兩種接法。

3.2.4 硬件外圍電路構造

（1）電源電路

系統(tǒng)采用+5V 電壓供電，可接USB 或者電池夾，S1 為自鎖開關。P1 為DC 電源口，電源部分電路圖和實物圖如圖15 所示。

圖15 電源電路圖

（2）復位電路

本設計采用10uF 電容、10K 電阻構成，接單片機引腳9RST，構成復位電路，當按下開關時，電容被短路，電容開始放電，R1 端電壓變高，RST 處于高電平，松開開關時，電容開始充電，R1 端電壓為0，RST 處于低電平狀態(tài)，正常工作，實現(xiàn)復位，復位電路圖和實物圖如16 所示。

圖16 復位電路

（3）串口通訊

本設計配有串口數(shù)據(jù)通信口，可實現(xiàn)串口通信，實現(xiàn)I/O 功能，支持修改程序，采用ISP 下載工具燒錄，引腳3 接單片RXD 腳，為數(shù)據(jù)接收端，引腳2 接TXD 腳，為數(shù)據(jù)發(fā)送端（電路圖和實物圖如圖17 所示）。

圖17 串口電路

（3）時鐘電路

本設計采用12M 晶振，兩個20uF 電容，構成時鐘電路，接單片機XTAL1、XTAL2 腳，構成時鐘電路，保證時序穩(wěn)定，單片機正常工作（時鐘電路圖和實物圖如圖18 所示）。

（4）濾波電路

濾波電路由一個104 電容連接單片機電源引腳VCC 組成，作用是濾出外界輻射的高頻干擾和濾出單片機工作時自身產(chǎn)生的脈沖干擾，因為開和關瞬間會產(chǎn)生一個很高的尖峰，如果沒有一個電容，則這個信號會傳送到整個板子上，干擾其他器件工作（電路圖和實物圖如圖19 所示）。

3.3 硬件連接圖

整個硬件設計由單片機STC12C5A60S2、GPS 信號接收模塊、LCD12864 液晶顯示模塊、電源和一些外圍電路組成。

4 基于單片機的GPS 軟件設計

4.1 NMEA-0183 數(shù)據(jù)格式

本文采用NMEA 對GPS 導航信息進行封包，NMEA－0183 是海用電子設備制定的標準格式。0180、0182 這兩個既有的標準格式是其制定的基礎，GPS 接收機所輸出的相關內(nèi)容是NMEA－0183 的增加內(nèi)容部分，目前的GPS 接收機領域內(nèi)，除了早期的一小部分GPS 接收機之外，差不多已經(jīng)全部運用了這一格式。把RTCM 的統(tǒng)一標準建立于各種GPS 導航設備內(nèi)是這個協(xié)議的功能。全面運用此類格式能顯著提升GPS 接收模塊互換性、通用性。

基本命令格式如下：

（1）“$”：幀命令起始位；

（2）地址域：aaccc，aa 是識別符，ccc 是語句名；

（3）ddd…ddd：數(shù)據(jù)；

（4）“*”：校驗和前綴；

（5）hh:check sum（校驗和），也即*、$二者之間的全部字符ASCII 碼校驗和（異或運算所有字節(jié)之后，就此把校驗和獲得，隨后就此進行十六進制格式ASCII 字符轉(zhuǎn)換。）

（6）:CR（Carriage Return）+LF（Line Feed）幀結束，回車和換行。

4.1.1 輸入語句

這些語句是GPS 接收機可以接受的語句。一般情況下初始化信息語句為PGRMI，其結構為：＄GPRMI，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>*hh。

<1>緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也將被傳輸）；

<2>緯度半球N（北半球）或S（南半球）；

<3>經(jīng)度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也將被傳輸）；

<4>經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）；

<5>UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式；

<6>UTC 時間，hhmmss（時分秒）格式；

<7>接收機命令，A=自動定位，R=機器重新啟動。

4.1.2 輸出語句

SiRF StarII 的輸出語句有很多種，經(jīng)由GPS 串口調(diào)試軟件，SiRF StarII 芯片將會收到其所發(fā)送而來的有關命令語句，芯片也將會隨之以命令語句為基礎來進行參數(shù)設置。幾種常用的數(shù)據(jù)格式如下：

（1）GPS 標準數(shù)據(jù)（GPGGA），其結構為：$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>*<15>。

<1>UTC 時間，格式為hhmmss.sss；

<2>緯度，格式為ddmm.mmmm（前導位數(shù)不足則補0）；

<3>緯度半球，N 或S（北緯或南緯）；

<4>經(jīng)度，格式為dddmm.mmmm（前導位數(shù)不足則補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>接收到的衛(wèi)星數(shù)量，從00 到12（前導位數(shù)不足則補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米；

<12>高度單位，M 表示單位米；

<13>GPS 差分數(shù)據(jù)期限（RTCMSC-104），最后設立RTCM 傳送的秒數(shù)量；

<14>差分參考基站標號，從0000 到1023（前導位數(shù)不足則補0）；

<15>校驗和。

（2）可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出語句（GPGSV），其結構為：$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,...,<4>,<5>,<6>,<7>*<8>。

<1>總的GSV 語句電文數(shù)；

<2>當前GSV 語句號；

<3>可視衛(wèi)星總數(shù)，00 至12；

<4>衛(wèi)星編號，01 至32；

<5>衛(wèi)星仰角，00 至90 度；

<6>衛(wèi)星方位角，000 至359 度,實際值；

<7>信噪比（C/No），00 至99dB；無表未接收到訊號；

<8>校驗和。

（3）推薦最小GPS/TRANSIT 數(shù)據(jù)（GPRMC），其結構為：$GPRMC,<1>,<2>,<2>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>，<12>*hh。

其中的語句識別符是RMC；交談識別符是GP；校驗和是hh（即除*、$本身這兩個字符之外，*、$二者之間的全部字符按位異或值）。

$GPRMC 語句數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容為：

<1>世界時間（UTC），hhmmss（時分秒）格式；

<2>定位狀態(tài)，A ＝有效定位，V ＝無效定位；

<3>定位點緯度，ddmm.mmmm（度分）格式；

<4>緯度，N（北半球）或S（南半球）；

<5>定位點經(jīng)度，dddmm.mmmm（度分）格式;

<6>經(jīng)度半球，E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）；

<7>地面速率，000.0～999.9 節(jié)；

<8>地面航向，000.0～359.9 度；

<9>UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式；

<10>磁偏角，000.0～180 度；

<11>磁偏角方向，E（東）或W（西）；

<12>工作模式：A=自主，D=差分，E=評估，N=數(shù)據(jù)無效[9]。

4.2 基于單片機的GPS 定位系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境-Ke il uVision4

相比匯編來說，美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)Keil uVision4，具有明顯的可維護性、可讀性、架構性以及功能等方面的優(yōu)勢，匯編中同樣可以在關鍵部位嵌入C 語言。目前最新的版本是C51Version9.00Release，也就是所謂的μVision4。uVision4集成開發(fā)環(huán)境內(nèi)已經(jīng)全面集成了C51、調(diào)試器、項目管理器、實時操作系統(tǒng)、匯編器以及編譯器等均已處于該集成開發(fā)環(huán)境之中。uVision4IDE 能把靈活、單一開發(fā)環(huán)境提供給它們[10]。

圖3-14 時鐘電路

圖3-15 濾波電路

KeilC51 μVision4 較之前的版本，新增了下面幾個功能：

? 多重的監(jiān)控和彈性的窗口管理系統(tǒng)。

? 系統(tǒng)查看器(System Viewer)-顯示設備周邊緩存器的訊息。

? 除錯恢復檢視(Debug Restore Views)-建立和儲存多重除錯窗口設計。

? 多項目工作區(qū)(Multi-Project Workspace)-與許多項目簡化工作。

? 源碼和解組譯連結(Sourceand Disassembly Linking)-解組譯窗口和源碼窗口完全同步使程序除錯和光標導航較容易。

? 內(nèi)存窗口固定(Memory Window Freeze)-儲存目前內(nèi)存窗口檢視允許容易在不同的點及時比較。

? 設備模擬-更新支持很多新設備(例如InfineonXC88x，SiLABSC8051Fxx，AtmelSAM7/9 和從Luminary,NXP,andToshi ba 來的CortexM3MCUs)。

? 支持硬件除錯轉(zhuǎn)接器(Support for Hardware debugad apters)-包括ADI。miDAS-Link，AtmelSAM-ICE，InfineonD AS,和ST-Link。

? 新資料和指令追蹤(New Data and instruction trace)-對ARM 和Cortex MCUs。

? 基于XML 的項目文件(XML based Project files)-建立，檢視和修改項目如同容易可讀的XML 本文檔案一樣。

? 串列的窗口-擴充到提供一個基本的100-VT終端機，ASCII 模式，混合模式，和十六進制模式檢視。

? 拖放檔案開啟(Drag &Drop File Opening)-檔案拖進μVision4 項目空間自動會被開啟。

? 監(jiān)控點和邏輯分析儀(Watchpoints and Logic Analyzer)-現(xiàn)在更容易設定。

4.3 基于單片機的GPS 軟件設計思路

單片機主程序、初始化LCD12864 液晶顯示模塊、GPS數(shù)據(jù)接收處理是這個設計軟件的基本設計模塊思路。這樣的設計理念好處是，模塊功能清楚明朗，容易調(diào)試程序，具有可移殖性，適應不同的單片機環(huán)境[11-12]。軟件的程序流程圖如圖20 所示，相關的程序詳細代碼見附錄。

圖20 軟件程序流程圖

4.3.1 LCD12864 顯示初始化

顯示模塊顯示初始化設計在設計中是重要部分，是正常顯示出GPS 信息的準備工作，初始化流程圖如圖21 所示。

圖21 顯示模塊初始化

初始化部分清零代碼如下：

4.3.2 定時器T0 設置

定時器中斷設置是單片機編程中關鍵部分，在不影響CPU 正常工作情況下，保證其他程序正常高效率運行，流程圖如圖22 所示。

圖22 定時T0 設置

定時器超時判斷程序代碼：

4.3.3 GPS 數(shù)據(jù)接收隊列模塊

對于1HZ 輸出的GPS 模塊,由于其數(shù)據(jù)包格式有GPRMC,GPCGA 等,如果不用數(shù)據(jù)包緩沖,實時讀取解析,會丟失數(shù)據(jù)包導致顯示異常,因而數(shù)據(jù)接收隊列模塊很重要，保證及時數(shù)據(jù)及時傳遞[13-14]。設計框圖如如圖23，部分代碼如下。

圖23 GPS 數(shù)據(jù)接收隊列模塊

初始化接收緩沖區(qū)：

5 系統(tǒng)調(diào)試、仿真與實驗結果

系統(tǒng)軟件編程、實物制作以及硬件設計完成之后，必須要調(diào)試系統(tǒng)的軟件、硬件，這樣才能夠讓系統(tǒng)可以依據(jù)相應的設計目標進行平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

5.1 硬件調(diào)試

把工藝故障、設計錯誤這類不同的硬件故障排除屬于調(diào)試硬件的基本目的。

第一步：對硬件電路板中所設計的全部引腳、器件準確與否進行檢查。通過萬用表（數(shù)字）來進行逐一的對點檢測，對不同的導線相互之間有沒有存在開路、短路這些故障現(xiàn)象進行檢測。

第二步：測輸入5V 電源（0V 地）線是否與電路中的對應點的電源（地）線相連接是否正確；及檢查開關是否正常，是否連接正確。

對于通過導線連接而成的芯片管座相互之間的對應腳截止與否、導通與否等進行檢測。

5.2 軟件調(diào)試

通過開發(fā)工具來全面展開在線仿真調(diào)試，以此對程序中的錯誤加以發(fā)現(xiàn)與糾正，把硬件方面存在的故障同步獲得，這是調(diào)試軟件的主要目的。軟件調(diào)試時，必須要按模塊來逐一展開：其一，對于每個子程序可不可以依據(jù)預期目標運行進行單獨的調(diào)試；其二，對可不可以正常的控制接口電路進行調(diào)試；其三，對整個程序進行調(diào)試，特別是要對每一個模塊相互之間可不可以進行參數(shù)的準確傳遞來進行調(diào)試。

將程序代碼經(jīng)過Keil 軟件編譯生成的（.hex）文件，讓然后用STC-ISP 下載到單片機中。看是否符合設計要求，正常顯示出正確的經(jīng)緯度、時間日期等相關參數(shù)。

5.3 實驗結果

調(diào)試硬件以及軟件部分讓其預期功能最終實現(xiàn)。圖24為時間信息，圖25 是經(jīng)緯度信息。

圖24 實物顯示

圖25 實物顯示

5.4 實驗結果分析

由以上實驗結果圖分析可以知道，此單片機GPS 定位系統(tǒng)設計,時間日期、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)十分精確，與實際基本很吻合。其中海拔高度，數(shù)據(jù)顯示83 米，但地圖系統(tǒng)顯示42 米，這是因為測量地點在21 樓，加上實際地理位置可能處于當前地勢地方，所以有些偏差。綜合考慮，此設計基本上達到了預期效果，實現(xiàn)了簡易GPS 定位功能

5.5 仿真測試

由于Proteus 里面沒有是STC 單片機，這里用AT89C51 代替，不影響主要性能；由于我是筆記本沒有COM 串口，這里我使用虛擬串口軟件設置Configure Virtual Serial PortDriver，至于衛(wèi)星GPS 接收模塊采用VirtualGPS(虛擬GPS 軟件)作為信號接收[15]。

6 總結

本次設計，主要講解單片機、GPS 相關接收原理，GPS信號接收處理模塊由SiRF StarII 實現(xiàn)，通過SiRF StarII 與STC12C5A60S2 兼容系列單片機相連，配備了所需的外圍電路，同時LCD12864 液晶顯示屏，可以顯示相關定位信息，并詳細介紹了該GPS 設計的硬件和軟件設計[16]。