基于Proteus的GPS定位仿真实训教学系统设计

2015-06-01朱志伟

长沙民政职业技术学院学报 2015年3期

关键词：接收器教学系统串口

朱志伟

（长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，湖南长沙410004）

基于Proteus的GPS定位仿真实训教学系统设计

朱志伟

（长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，湖南长沙410004）

根据GPS定位原理和NMEA-0183协议，利用虚拟串口VSPD和虚拟GPS软件，从教学的角度出发，在单片机仿真环境Proteus中实现了GPS定位系统。详细地描述了系统的硬件电路、“$GPRMC”语句的解释流程及仿真操作过程。

Proteus；GPS；仿真；NMEA-0183

GPS（Global Positioning System）全球定位系统已在实时导航、定位、授时等方面广泛应用。在GPS原理与应用教学过程中，利用单片机仿真环境Proteus、虚拟串口VSPD以及虚拟GPS模块共同构成GPS定位仿真实训教学系统。不仅节约了传统实验教学过程中使用的设备和工具，而且可以仿真出一些在实际中很难得到的数据，从而加深对GPS原理的理解，提高了GPS仿真实训教学系统的推广价值。

1 GPS定位原理

GPS系统由3部分组成：空间部分 (GPS卫星星座)、地面控制部分（地面监控系统）、用户设备部分（GPS信号接收器）。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收器测量每颗卫星信号到接收器的时间延迟，根据信号传输速度就可以计算出接收器与不同卫星之间的距离。GPS定位原理如图1所示，图中的GPS接收器为当前要确定位置的设备。利用三颗以上卫星的已知空间位置，用空间距离交会法，可求得地面待定点（接收器）的位置。公式如下：

图1 GPS定位原理示意图

根据这些距离值，就可以推算出GPS接收器的定位信息，如经度、纬度、高度、速度、方向等。考虑到各种误差的影响，为了达到定位精度要求，至少需要同步观测4颗以上的卫星。

2 GPS定位系统仿真电路

GPS定位仿真实训教学系统主要是基于51单片机、虚拟 GPS软件Virtual GPS和虚拟串口软件VSPD。系统仿真电路如图2所示。在VSPD的作用下，GPS定位信息通过单片机串口接收，所接收的信息可来自带串口输出的GPS实物模块，也可以来自Virtual GPS。单片机程序通过解析接收到的GPS信息，将当前时间、经度、纬度、速度及航向信息显示在液晶屏上。图2中显示当前时间为12月8日3点46分41秒；当前位置为东经136度49.6541分，北纬79度5.0695分；当前速度为513千米/时；当前方位为偏正北26.79度。

图2 GPS定位仿真电路

3 GPS定位信息的接收和解析

所设计的GPS定位仿真实训教学系统暂不考虑与地图数据库连接，只对GPS接收模块所输出的定位信息进行解析，然后将时间、经度、纬度、速度与航向实时刷新显示在液晶屏上，达到GPS定位初步应用的目的。

以带串口输出的GPS模块ATK-NEO-6M为例，它遵守NMEA-0183协议。NMEA协议是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的标准，由美国国家海洋电子协会制定。GPS接收模块根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送出去。

NMEA-0183定义的协议语句比较多，本仿真实训系统的主程序仅对“$GPRMC”协议语句进行解析。“$GPRMC”的所有数据均采用ASCII字符表示，数据传输以“$”开头，以回车换行符（十六进制的0D和0A）结束；数据字段以逗号分隔识别；空字段保留逗号。

例如：$GPRMC,034641.656,A,7905.069500,N, 13649.654167,E,277.06,26.79,081214,0,E,A*25。其中，$GPRMC为数据串头，表示此协议语句为最简定位语句；“034641.656”为UTC时间，格式为“时时分分秒秒.毫秒”；“A”表示接收正常，“V”则表示与卫星通信不正常；“7905.069500”表示纬度值；“N”表示北纬，“S”表示南纬；“13649.654167”表示经度值；“E”表示东经，“W”表示西经；“277.06”表示速度（单位为节，1节=1.852千米/小时）；“26.79”表示方位角，它的范围为000.0-359.9度（相当于二维罗盘）；“081214”表示UTC日期，格式为“日日月月年年”；“0”表示磁偏角，范围为000.0-180.0度；“E”表示地磁变化方向为东，“W”表示地磁变化方向为西；“A”表示自动模式，“D”表示差分模式，“N”表示数据无效；“25”是“$”和“*”之间的所有字符ASCII码的异或结果的十六进制值。

解释“$GPRMC”协议语句对应的程序代码由串口中断函数完成。首先将接收的字符与字符串“$GPRMC”中的字符逐一进行比对，如果完全相同，则继续后面的解析操作，否则忽略本次解析，等待下一“$GPRMC”消息头部的到来。串口中断函数的处理流程如图3所示。

图3 串口中断函数的处理流程图

在实际的GPS应用中，可能并不会用到协议语句的全部信息，而是根据具体的需要，从中选取感兴趣的信息。由于语句的长度是不固定的，因而分离有用的信息时，不能单纯按照该信息在语句中所处的字符位置来查找，还要依据逗号个数来提取。

4 GPS定位仿真调试过程

Proteus目前还没有GPS模块的仿真模型，但可以利用自身的串口仿真功能来实现MCU与虚拟GPS软件通信的仿真调试。详细仿真电路如图1所示。首先在计算机上利用虚拟串口软件VSPD设置出2个互连的虚拟串口COM3和COM4，再启动虚拟GPS软件，将其串口设置为COM4，然后将Proteus中的串行接口仿真器件COMPIM设置为COM3。把它们的波特率都设置成9600bit/s后，仿真运行时，虚拟GPS软件向单片机串口连续发送符合NMEA-0183协议的语句，如图4所示。单片机的串口接收中断函数对“$GPRMC”协议语句进行解释，所解析出的定位信息等由液晶模块显示。