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GPS(全球定位系統)是為海上、陸地和空中各種運輸工具和移動(dòng)設備的導航和定位而開(kāi)發(fā)的，具有高精度、全天候、全球性和點(diǎn)間無(wú)需通視等優(yōu)點(diǎn)，使測量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。GPS技術(shù)引入我國后，特別是美國取消SA政策后的這幾年發(fā)展十分迅速。目前，GPS已被廣泛應用在工程測量、地理測繪、交通運輸和軍事等諸多領(lǐng)域，取得了明顯的社會(huì )和經(jīng)濟效益，發(fā)展前景十分廣闊。在GPS的行業(yè)應用中，數據接收系統是最基本的設備。目前的數據接收系統具有智能化和可擴展性不斷增強的發(fā)展趨勢，表現為內嵌的MCU性能越來(lái)越強大，外圍接口越來(lái)越豐富，但軟硬件成本不斷上升，減緩了GPS接收系統平民化的趨勢。本文介紹一種基于AVR單片機ATmega16和Motorola M12 Oncore模塊的GPS數據接收系統。 1 系統的硬件設計 系統由ATmega16、M12模塊、LCD顯示器和一些外圍電路組成，系統的硬件結構如圖1所示。ATmega16具有1個(gè)功能完整的異步串行通信接口(UART)，在直流5V供電時(shí)，其I／O操作電壓范圍約為0～5V；M12模塊提供一個(gè)用于輸入控制信息和輸出定位與狀態(tài)信息串行通信接口，在直流3V供電時(shí)，其I／O電平符合TTL電平范圍，為0～3V。因此，可以將ATmega16串行接口經(jīng)電平轉換電路轉接后與M12模塊的串行口相連，進(jìn)行異步串行數據交換。系統采用一塊16×2字符型LCD顯示經(jīng)緯度信息。系統中的ATmega16和LCD采用直流5V供電，5V電源經(jīng)過(guò)由三端穩壓芯片LM317組成的穩壓電路將電壓轉換成3V后給M12模塊供電。 1．1 ATmega16與M12模塊的硬件接口 由于A(yíng)Tmega16和M12模塊的I／O操作電壓范圍不相同，所以?xún)烧叩拇锌谥g需經(jīng)過(guò)電平轉換才能確保穩定通信，其電平轉換電路如圖2所示。 這里采用光電耦合器件TLP521進(jìn)行5V和3V之間的電平轉換，以增強抗干擾能力。ATmega16的I／O驅動(dòng)能力較強(最大輸出40mA電流)，可以直接驅動(dòng)TLP521。M12模塊的I／O驅動(dòng)能力較弱，需加一級驅動(dòng)緩沖器才能驅動(dòng)TLP521，這里使用7406反相驅動(dòng)緩沖器。 1．2 ATmega16與LCD的硬件接口 系統中采用基于HD44780液晶控制芯片的16×2字符型LCD，該器件內置了字符產(chǎn)生器，能顯示192個(gè)常用字符(包括阿拉伯數字和大小寫(xiě)英文字母)和16個(gè)用戶(hù)自定義字符，它與ATmega16的接口如圖3所示。 HD44780的數據總線(xiàn)DB7～DB0與ATmega16的PA7～PA0相接，RS、R／W和EN分別與單片機的PD3、PD4和PD5相連。利用ATmega16的I／O口控制LCD進(jìn)行指令和數據輸入，正確地顯示出經(jīng)緯度數據。 2 ATmega16與M12模塊的接口程序設計 系統使用ATmega16的串行口向M12模塊發(fā)出控制指令和接收定位信息。M12模塊支持。Motorola二進(jìn)制格式和NMEA0183格式兩種數據輸出模式。在Motorola二進(jìn)制模式下，M12以9600bps的速率輸出數據和接收指令；在NMEA0183，M12以4800bps的速率輸出數據和接收指令。默認狀態(tài)下，M12模塊工作在Motorola二進(jìn)制模式下。為了獲取更高的數據傳輸速度，這里使用M12模塊默認的工作模式，即Motorola二進(jìn)制模式。在該模式下，串行數據傳輸格式為：8位數據位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗和硬件流控制。 ATmega16以通過(guò)向M12發(fā)送AT指令的方式對其進(jìn)行控制。Motorola的AT I／O指令一共有69條，其中M12模塊所支持的指令有51條。利用這些指令可以很方便的對M12模塊進(jìn)行日期時(shí)間設定、自定義坐標設定和定位信息讀取等操作。在本系統中，只需要讀取M12模塊的定位信息，因此程序中只用到51條指令中的1條指令： @@EqmC＜CR＞＜LF＞ 該指令用于控制M12模塊輸出定位信息。其中“@@”是I／O指令的前綴；“Eq”是指令的關(guān)鍵字；“m”是M12模塊輸出(響應)信息模式選擇，其數值可以是0～255之間的整數，當“m”為0時(shí)，響應信息只輸出一次，當“m”為1時(shí)，響應信息每秒鐘輸出一次，當“m”為2時(shí)，響應信息每2 s輸出一次，如此類(lèi)推，當“m”為255時(shí)，響應信息每255 s輸出一次；“C”是指令的校驗和(Checksum)數據；“＜CR＞”是回車(chē)符；“＜LF＞”是換行符。為了便于采集定位數據，將“m”的數值設置為0，使M12模塊每接收一次指令就回復一次定位數據。 M12模塊在默認狀態(tài)下只能接受以Motorola二進(jìn)制形式輸入的指令。所謂的Motorola二進(jìn)制形式是指將指令的前綴、關(guān)鍵字和后綴(回車(chē)和換行)變換成相應的ASCII碼后，加上模式“m”與校驗和“C”組合成的二進(jìn)制指令代碼。系統中所用到的ATmega16首先請求M12模塊輸出定位數據(向M12模塊發(fā)出指令“@@EqmC”)，然后等待M12模塊回送數據。當M12模塊回送數據時(shí)，ATmega16首先做出判斷，確認其收到的是預期的定位信息，然后將定位信息(經(jīng)緯度數據)截取下來(lái)，整理成可供顯示數據信息后在LCD上顯示經(jīng)緯度數據，最后將串口的接收緩沖區清空，以免下次接收信息時(shí)出錯。由于M12模塊在1 s之內只能響應一條指令，所以接收機的數據信息最快1 s更新一次。 3 定位精度測試 為了測試M12模塊的定位精度，在華南農業(yè)大學(xué)工程學(xué)院土槽實(shí)驗室的GPS基準點(diǎn)(坐標為：東經(jīng)113°20．538541'，北緯23°09．581834')進(jìn)行試驗，用PC機連接M12開(kāi)發(fā)板進(jìn)行經(jīng)緯度數據采集，持續運行約50 min，采集到3125組經(jīng)緯度數據。通過(guò)對實(shí)測數據進(jìn)行分析，M12模塊的單機靜態(tài)定位誤差≤7．81 m，符合其用戶(hù)手冊上所標的無(wú)SA政策下＜25 m的精度范圍。 4 結束語(yǔ) 從降低成本的角度出發(fā)，基于A(yíng)Tmega 16的GPS經(jīng)緯度數據系統采用單機靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行地理定位，這種定位技術(shù)精度不高，但易于推廣普及，可用于普通民用地理定位領(lǐng)域。該系統也通過(guò)更換精度更高的GPS模塊或采用差分定位技術(shù)提高定位精度后用于專(zhuān)業(yè)定位導航領(lǐng)域。 |
