基于PIC單片機和GPS接收模塊的手持式GPS定位系統(tǒng)

　　1 引言

　　GPS以其高精度，全天候，全球覆蓋，方便靈活和優(yōu)質(zhì)價廉吸引全世界許多用戶。GPS的廣泛應(yīng)用改變了人們的工作方式，提高工作效率，帶來巨大的經(jīng)濟效益。這里提出一種基于EM411GPS接收模塊和PIC18F2550單片機的手持式GPS定位系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)采用點陣字符液晶屏顯示接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并用SD卡記錄所接收到的GPS信息，從而實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)導入電子地圖。

　　2 NEMA協(xié)議簡介

　　目前，GPS采用NMEA-0183協(xié)議做為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的標準，NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會（NationalMarine ElectroNIcs Association）為統(tǒng)一海洋導航規(guī)范而制定的標準，該格式標準已成為國際通用的一種格式，協(xié)議內(nèi)容在兼容NMEA-180和NMEA-0182的基礎(chǔ)上。增加了GPS、測深儀、羅經(jīng)方位系統(tǒng)等多種設(shè)備接口和通訊協(xié)議定義，同時還允許一些特定廠商對其設(shè)備通信自定協(xié)議。NMEA-0183格式數(shù)據(jù)串的所有數(shù)據(jù)都采用ASCⅡ文本字符表示，數(shù)據(jù)傳輸以“$”開頭，后面是語句頭。語句頭由5個字母組成。其前2個字母表示“系統(tǒng)ID”，即表示該語句是屬于何種系統(tǒng)或設(shè)備，例如GP表示該語句屬于GPS定位系統(tǒng)，HC表示該語句屬于羅經(jīng)方位系統(tǒng); 后3個字母表示“語句ID“，表示該語句是關(guān)于何方面的數(shù)據(jù)。語句頭后是數(shù)據(jù)體，包含不同的數(shù)據(jù)體字段，語句末尾為校驗碼（可選），以回車換行符《CR》《LF》結(jié)束，也就是ACSII字符 “回車”（十六進制的0D）和“換行”（十六進制的0A）。數(shù)據(jù)字段以逗號分隔識別，空字段保留逗號。在GPS系統(tǒng)中常用語句有GPGGA（GPS定位信息），GPGSA（當前衛(wèi)星信息），GPGSV（可見衛(wèi)星信息），GPRMC（推薦定位信息），GPGLL（定位地理信息），GPVTG（地面速度信息） 等。GPS數(shù)據(jù)傳輸是以標準異步串行方式發(fā)送，其串行通信波特率為4 800 b/s、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無奇偶校驗位。文獻［2］給出各種GPS語句的詳細數(shù)據(jù)格式。

　　3 EM411 GPS接收模塊簡介

　　GPS接收模塊性能主要決定于其內(nèi)部使用的GPS核心芯片組，GPS芯片組SiRF Star III通過采用20萬次/頻率的相關(guān)器（Correlators）提高了靈敏度并能在室內(nèi)定位。冷開機/暖開機/熱開機的時間分別達到42 s/38 s/1 s，可同時追蹤20個衛(wèi)星信道。

　　EM411型GPS接收模塊采用SiRF Star III高效能GPS芯片組，其具有特點：極佳的靈敏度（追蹤感度：-159 dBm）;訊號微弱時，TTFF（Time to First Fix）定位仍十分迅速;支持NMEA 0183語言格式：GGA，GSA，GSV，RMC，GLL，VTG;內(nèi)建超大電容，可儲存快速獲取的衛(wèi)星訊號數(shù)據(jù);內(nèi)建陶瓷天線;LED指示燈顯示衛(wèi)星定位狀況：LED不亮時接收器關(guān)閉，LED恒亮時未定位或搜尋訊號，LED閃爍時已定位。此外，EM411體積小巧，外形尺寸為30 mm×30 mm×10.5 mm，工作時供電電壓為4.5～6.5 V，消耗電流為60 mA。對外提供6個引腳，使用時引腳1、5接地，引腳2接電源，引腳3為串口輸出數(shù)據(jù)線，引腳4為串口輸入數(shù)據(jù)線，引腳6懸空。

　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　4.1 GPS接收部分

　　圖1為便攜式GPS接收機的GPS接收部分的電路，由于該系統(tǒng)設(shè)計是手持式便攜設(shè)備，所有器件選型都應(yīng)考慮節(jié)省成本，節(jié)能。圖1中，MCU選用 PIC18F2520，它是采用納瓦技術(shù)的低功耗8位單片機，具有一系列能在工作時顯著降低功耗的功能，非常適合手持便攜式設(shè)備使用。該器件內(nèi)部具有32 K Flash程序存儲器，具備SPI、UART、I2C等接口以及1O位A/D轉(zhuǎn)換器，借助于內(nèi)部PLL倍頻器，時鐘速度可高達40 MHz;可通過其UART接口（引腳RC6和RC7）實現(xiàn)與EM411 GPS接收模塊的通信，由于EM411串口輸出的最大電平為2.85 V，低于PIC18F2520 UART端口所要求的最小驅(qū)動電平4 V，因此在PIC18F2520和EM411之間需增加由U2（74HCT04）構(gòu)成的TTL/RS232電平轉(zhuǎn)換電路，否則PIC18F2520將不能接收EM411的定位信息。PIC18F2520通過其SPI接口（引腳RC0，RC3，RC4，RC5）與SD卡通信。SD卡對外提供兩種訪問模式：SD模式和SPI模式。SD模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。SPI模式使用通用的SPI接口，相比SD模式傳輸速率有所降低，使用SPI。接口的優(yōu)點是僅用4根數(shù)據(jù)線即可完成SD卡的讀寫。通信模式不同，SD卡引腳功能也不同。由于PIC18F2520內(nèi)部具有SPI接口，本方案采用SPI模式實現(xiàn)對 SD卡的訪問，圖1中CS（RC0）為MCU向卡發(fā)送的片選信號，SCLK（RC3）為MCU向卡發(fā)送的時鐘信號。SDI為MCU向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號，SD0為卡向MCU發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號，此外所有的SD卡插座還具有CD與WP兩個引腳，CD引腳是SD卡檢測信號引腳，當有卡插人時，該引腳對地短路（在插座內(nèi)部連接）。WP是寫保護信號引腳，在卡插入且沒有寫保護時，該引腳對地短路（在插座內(nèi)部連接）。

　　該系統(tǒng)設(shè)計采用20×4的點陣字符液晶顯示器顯示所接收的GPS定位信息，液晶顯示器設(shè)置于4 bit工作方式，MCU通過4根數(shù)據(jù)線以及使能引腳控制LCD的顯示以節(jié)省MCUI/O端口資源。該系統(tǒng)設(shè)置2個按鍵用于控制SD卡的數(shù)據(jù)存儲。當SW1 鍵按下時，通過軟件延時設(shè)定數(shù)據(jù)保存時間間隔，SW2鍵按下時，系統(tǒng)將接收到的GPS定位信息寫入SD卡。圖1中，開關(guān)K2用于打開、關(guān)閉LCD背光電源：PIC18F2520的RA端口資源暫未使用?？闪舸院笙到y(tǒng)升級時使用，例如將電池輸出的直流模擬電壓信號輸入到RA端口，利用 PIC18F2520的10 bit A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后。在LCD上顯示電池電量，便于用戶使用。

　　4.2 電源部分

　　便攜式GPS接收機采用兩節(jié)AA型1.5 V電池供電，使用微功耗、高效率DC-DC變換器LT1300，將3 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V以供電路使用，LT1300最低輸入電壓低至1.8 V，轉(zhuǎn)換效率高達88%。當輸入電壓為2 V、輸出電壓為5 V時，LT1300的輸出電流可達220 mA。LT1300采用8引腳SOIC封裝，引腳1為信號地（GND），引腳2為輸出選擇（SEL），當其與輸入電源相接時，輸出5 V電壓，當該引腳接地時則LT1300輸出3.3 V電壓。引腳3（SHUTDOWN）用于選擇工作方式，該引腳接地時，LT1300為正常工作方式;當該引腳接高電平時，LT1300為掉電工作模式。引腳4（SENSE）是LT1300的輸出端。其引腳5為限流，當該引腳接地時，其最大的開關(guān)電流為400 mA。LT1300的引腳6～8分別為電源輸入、輸出開關(guān)、電源地。圖2為LT1300構(gòu)成的GPS接收機電源電路。圖2中開關(guān)K1是GPS接收機的總電源開關(guān)。由于GPS接收機的主機部分使用5 V電壓，因此LT1300的引腳2、引腳6與電池的正極相連，引腳3、引腳5、引腳1、引腳8接地。工作時引腳7需外接電感和二極管，其作用是當電池電量消耗過大時，LT1300內(nèi)部的開關(guān)效應(yīng)會引起電感L1上的電流交替增大，此時二極管VD1會將這部分能量轉(zhuǎn)儲到電容C4中，以提高LT1300的輸出電壓。該部分設(shè)計的二極管以及電感L1、電解電容C4參數(shù)選擇均參考LT1300數(shù)據(jù)資料中推薦的型號和參數(shù)。需要注意的是，由于LT1300是高速、高電流器件，因此在PCB板布局時應(yīng)盡量使電感L1靠近引腳7放置，走線應(yīng)盡量短，并應(yīng)將電源地與信號地相連以減少電路中的干擾噪聲。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　圖3為便攜式GPS接收機的主程序流程。首先是PIC18F2520的初始化，主要包括通用I/O端口，UART，SPI，以及LCD初始化，并在 LCD 上顯示開機初始信息。接著PIC18F2520開始接收從EM411傳送的GPS定位信息，該系統(tǒng)設(shè)計的PIC18F2520只接收GPSGGA以及 GPSRMC語句信息并將保存接收到的信息。然后從中提取要顯示在LCD上的信息，并將其寫入預先定義的顯示用緩存數(shù)組中再送往LCD顯示。然后鍵盤掃描，如果有鍵按下則進行鍵盤中斷程序的處理。當SW1鍵按下時，軟件通過延時子程序設(shè)定一個固定的保存時間間隔。當SW2鍵按下時，軟件執(zhí)行SD卡驅(qū)動子程序，微芯公司提供了PIC單片機使用的完整的SD卡驅(qū)動程序代碼，可以方便地將GPS定位信息以FAT文件格式保存到SD卡中，并可在Windows操作系統(tǒng)下打開這些文件。SD卡驅(qū)動子程序主要完成SD卡初始化、卡插入檢測、寫保護檢測、 SD卡讀/寫命令的發(fā)送/接收、文件的更名、文件數(shù)據(jù)的傳送等任務(wù)。文獻［6］給出了微芯公司有關(guān) PIC單片機SD卡驅(qū)動程序的詳細說明。

　　6 結(jié)束語

　　電路搭建好后，選擇室外空曠地帶、寫字樓室內(nèi)、繁華街道、汽車內(nèi)等環(huán)境對便攜式GPS接收機進行測試，在室外、室內(nèi)以及移動的汽車內(nèi)該GPS接收機均能很好的接收多顆衛(wèi)星的GPS定位信息，關(guān)閉LCD背光顯示的情況下，可連續(xù)工作超過10 h。借助SD卡以及PC機可實現(xiàn)將接收到的GPS數(shù)據(jù)導入到Google Earth等電子地圖中。由EN411 GPS接收模塊以及PIC18F2520構(gòu)成的手持式GPS接收機具有電路簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點，接收到的數(shù)據(jù)能以FAT文件格式保存到SD卡中，具有較高的實用價值，該系統(tǒng)設(shè)計可廣泛應(yīng)用于野外作業(yè)、戶外運動等領(lǐng)域。
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