基于GPS数据采集系统的设计
2012-02-15史晓影
史晓影
（渭南师范学院 物理与电气工程学院，陕西 渭南 714000）
随着科技的发展，移动技术的不断成熟，定位导航开辟了一个重要的新兴市场。GPS（Global Positioning System）以其高精度、全天候、全天时的特点[1]，在定位、导航、测距等领域被广泛应用，具有测量精度高、速度快、用户数量不限、抗干扰能力强等优点[2]。不仅用于军事领域，还广泛用于工农业生产、交通运输、野外探险等领域。本系统实现的数据采集精确度较高：采集到的位置可以控制在2 m范围之内，接收数据并处理的时间小于2 s，在精确度和实时性上要优于其他数据采 集系统[3－10]。
1 GPS数据采集系统的设计
硬件系统中主要由主控制器、液晶显示模块和GPS射频前端，数据传输单元组成，如图1所示。
图1 系统框图Fig.1 System block diagram
GPS信号通过天线接收值射频前端模块，在射频芯片中实现A/D转换，将模拟中频信号转化为数字信号通过串口传入单片机，单片机接收的数据信息经过时差，坐标处理等操作，在通过LCD显示出来。
2 GPS数据采集系统的设计及实现
2.1 GPS语句的输出格式
GPS－OEM板采用NMEA－0183通信格式，可以输出多种句型，均以“＄”开头。其语句格式如表1所示。
表1 NMEA-0183语句格式Tab.1 NMEA-0183 statement format
输出的语句按串口通信协议：1位开始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。输出数据采用的是ASCⅡ码字符，内容包含了纬度、经度、速度、日期、航向及卫星状况等信息。语句达十余种，其中定位语句＄GPRMC其结构为：
＄GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞*hh＜CR＞＜LF＞
其中：
“GP”—交谈识别符；
“RMC”—语句识别符；
“*”—校验和识别符；
“hh”—为校验和，其代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值（不包括这两个字符）。
$GPRMC语句数据区的内容为：
1）定位点的协调世界时间（UTC），hhmmss（时分秒）格式；
2）定位状态，A=有效定位，V=无效定位；
3）定位点纬度，ddmm.mmmmm（度分）格式；
4）纬度半球，N（北半球）或 S（南半球）；
5）定位点经度，dddmm.mmmmm（度分）格式；
6）经度半球，E（东经）或 W（西经）；
7）地面速度，000.0节～999.9节；
8）地面航向，000.0度～359.9度；
9）UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式；
10）磁偏角，000.0度～180度；
11）磁偏角方向，E（东）或 W（西）。
2.2 GPS数据接收
利用单片机的串行接口接收GPS传送过来的数据，其硬件原理如图2所示，GPS的接口及单片机串口均采用TTL电平传输数据，所以GPS接口引脚4和3可直接与单片机的TXD和RXD引脚相连，无需电平转换，硬件电路图如图2所示。
图2 GPS数据接收Fig.2 GPSdata reception
GPS模块输出的是数据流，每秒钟更新一次数据。必须要用单片机对其输出的数据流中的数据进行提取，以方便用户直接读取。首先打开串口中断服务子程序，开始接收数据，判断其是否有“$”符号，然后根据逗号的个数进行判断数据的类型，然后分别存储时间、经度、纬度、日期等信号，若接收到“﹨n”则接收结束。
用C语言编程，其程序如下：
void chkzhd（）interrupt 4//串口接收中断
{
uchar ch，num；
p37=!p37；
if（TI==1）TI=0；
if（RI==1）
{
ch=SBUF；
if（ch=='$'）{gps_flag=1；num=0；}
if（gps_flag==1）
{
gps_rev[num++]=ch；
if（（ch==' '）||（num＞79））
{gps_rev[num]=' '；gps_dat（）；gps_flag=0；}
}
RI=0；
}
}
在PC机上接收的GPRMC语句信息如下：
$GPRMC，103320，A，4350.95221，N，12524.06042，E，000.0，000.0，130507，009.1，W*50
这是一条GPS定位数据信息语句，涵义是UTC时间为10时33分20秒，位置在北纬43度50.9522分，东经125度24.0604分，移动速度为0，移动范围为 0，日期为2007年5月13日，地磁变化为9.10，地磁变化方向为西，校验和为50H。根据接收的信息用单片机进行相应的处理，就可以得到所需的信息了，信息处理过程见3节。
3 对接收信息的处理
数据的处理主要包括两个方面：
1）时间的处理
直接从卫星接收到的时间信息是UTC时间（格林尼治时间）[9]，需要处理成北京时间。
要变成北京时间需要加上8个小时，如果超过24小时，则减去24小时后，才是北京时间。
时间转换处理程序如下：
if（gps_receive[4]=='M'）
{
for（i=0；i＜6；i++）
{
time[i]=gps_reveive[gps_shijian（1）+i]；
}
if（time[1]＞'1'）{time[0]+=1；time[1]－=2；}
else time[1]+=8；
}
2）定位的处理
GPS接受的经度、纬度等信息采用的是美国的84坐标系统，需要转换成我国的54坐标系统。为便于描述设如下几个参量：
大地坐标—（B，L，H）
平面坐标—（x，y，z）
椭球偏心率—C
椭球参数m，n―大地坐标转换到指教坐标需要使用的参数，则有：
x=（p+H）.cos（B）.cos（L）；
y=（p+h）cos（B）.sin（L）；
z=[n.（1-c2）+H].sin（B）；
4 结束语
本系统讨论了用单片机对GPS数据的读取及处理的方法，分析了GPS模块的信息格式并编制了通信软件，不仅成功地实现了GPS定位信息的接收与提取，而且具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、性能稳定的特点，具有一定的使用价值。
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