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基于GPS数据采集系统的设计时间:2012-08-02 09:58:50来源:现代电子技术作者:史晓影关键字:GPS数据采集系统摘要:为了设计高精度、全天候、全天时的数据采集系统,采用了GPS技术实现通信,信息采用NMEA-0183格式,单片机接收GPS输出的时间和定位信息后,将信息调整为我国的标准,并将调整后的经度、纬度、海拔高度和时间等信息通过液晶终端显示。最终实现了GPS数据采集及转换等工作,为事故定位、搜查救援等工作提供了技术依据。关键词:GPS数据采集;定位;数据处理;单片机 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,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。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,存精确度和实时性上要优于其他数据采集系统。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CPS射频前端,数据传输单元组成,如图1所示。 GPS信号通过天线接收值射频前端模块,在射频芯片中实现AD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21 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“$”开头。其语句格式如表1所示。 输出的语句按串口通信协议:1位开始位,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验。输出数据采用的是ASC码字符,内容包含了纬度、经度、速度、日期、航向及卫星状况等信息。语句达十余种,其中定位语句$GPRMC其结构为: $GPRMC,*hh 其中: “GP”-交谈识别符; “RMC”-语句识别符; “*”-校验和识别符; “hh”-为校验和,其代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值(不包括这两个字符)。 $GPRMC语句数据区的内容为: 1)定位点的协调世界时间(UTC),hhmmss(时分秒)格式; 2)定位状态,A=有效定位,V=无效定位; 3)定位点纬度,ddmmmmmmm(度分)格式; 4)纬度半球,N(北半球)或S(南半球); 5)定位点经度,dddmmmmmmm(度分)格式; 6)经度半球,E(东经)或W(西经); 7)地面速度,0000节9999节; 8)地面航向,0000度3599度; 9)UTC日期,ddmmyy(日月年)格式; 10)磁偏角,0000度180度; 11)磁偏角方向,E(东)或W(西)。22 GPS数据接收利用单片机的串行接口接收GPS传送过来的数据,其硬件原理如图2所示,GPS的接口及单片机串口均采用TTL电平传输数据,所以GPS接口引脚4和3可直接与单片机的TXD和RXD引脚相连,无需电平转换,硬件电路图如图2所示。 GPS模块输出的是数据流,每秒钟更新一次数据。必须要用单片机对其输出的数据流中的数据进行提取,以方便用户直接读取。首先打开串口中断服务子程序,开始接收数据,判断其是否有“$”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: 在PC机上接收的GPRMC语句信息如下: $GPRMC,103320,A,435095221,N,1252406042,E,0000,0000,130507,0091,W*50 这是一条GPS定位数据信息语句,涵义是UTC时间为10时33分20秒,位置在北纬43度509522分,东经125度240604分,移动速度为0,移动范围为0,日期为2007年5月13日,地磁变化为910,地磁变化方向为西,校验和为50H。根据接收的信息用单片机进行相应的处理,就可以得到所需的信息了,信息处理过程见3节。3 对接收信息的处理数据的处理主要包括两个方面: 1)时间的处理 直接从卫星接收到的时间信息是UTC时间(格林尼治时间),需要处理成北京时间。 要变成北京时间需要加上8个小时,如果超过24小时,则减去24小时后,才是北京时间。 时间转换处理程序如下: 2)定位的处理 GPS接受的经度、纬度等信息采用的是美国的84坐标系统,需要转换成我国的54坐标系统。为便于描述设如下几个参量: 大地坐标-(B,L,H) 平面坐标-(x,y,z) 椭球偏心率-C 椭球参数m,n-大地坐标转换到指教坐标需要使用的参数,则有:4 结束语本系统讨论了用单片机对GPS数据的读取及处理的方法,分析了GPS模块的信息格式并编制了通信软件,不仅成功地实现了GPS定位信息的接收与提取,而且具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、性能稳定的特点,具有一定的使用价值。GPS模块的数据格式对GPS模块的数据处理本质上还是串口通信程序设计,只是GPS模块的输出遵循固定的格式,通过字符串检索查找即可从模块发送的数据中找出需要的数据,常用的GPS模块大多采用NMEA-0183 协议。NMEA-0183 是美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)所指定的标准规格,这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准,其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。以下是一组正常的GPS 数据$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,0000*35$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,*38$GPVTG,0.0,T,M,0.00,N,0.0,K*50下面分别对每组数据的含义进行分析。GPS 固定数据输出语句($GPGGA),这是一帧GPS 定位的主要数据,也是使用最广的数据。为了便于理解,下面举例说明$GPGGA语句各部分的含义。例:$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,0000*35其标准格式为:$GPGGA,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),M,(10),M,(11),(12)hh(CR)(LF)各部分所对应的含义为:(1) 定位UTC 时间:08 时20 分06 秒(2) 纬度(格式ddmm.mmmm:即dd 度,mm.mmmm 分);(3) N/S(北纬或南纬):北纬38 度52.9276 分;(4) 经度(格式dddmm.mmmm:即ddd 度,mm.mmmm 分);(5) E/W(东经或西经):东经115 度27.4283 分;(6) 质量因子(0=没有定位,1=实时GPS,2=差分GPS):1=实时GPS;(7) 可使用的卫星数(08):可使用的卫星数=08;(8) 水平精度因子(1.099.9);水平精度因子=1.0;(9) 天线高程(海平面,9999.999999.9,单位:m);天线高程=20.6m);(10) 大地椭球面相对海平面的高度(999.99999.9,单位:m):无;(11) 差分GPS 数据年龄,实时GPS 时无:无;(12) 差分基准站号(00001023),实时GPS 时无:无;总和校验域;hh 总和校验数:35(CR)(LF)回车,换行。GPRMC(建议使用最小GPS 数据格式)$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,*38$GPRMC,(1) 标准定位时间(UTC time)格式:时时分分秒秒.秒秒秒(hhmmss.sss)。(2) 定位状态,A = 数据可用,V = 数据不可用。(3) 纬度,格式:度度分分.分分分分(ddmm.mmmm)。(4) 纬度区分,北半球(N)或南半球(S)。(5) 经度,格式:度度分分.分分分分。(6) 经度区分,东(E)半球或西(W)半球。(7) 相对位移速度, 0.0 至1851.8 knots(8) 相对位移方向,000.0 至359.9 度。实际值。(9) 日期,格式:日日月月年年(ddmmyy)。(10) 磁极变量,000.0 至180.0。(11) 度数。(12) Checksum.(检查位)$GPVTG 地面速度信息例:$GPVTG,0.0,T,M,0.00,N,0.0,K*50字段0:$GPVTG,语句ID,表明该语句为Track Made Good and Ground Speed(VTG)地面速度信息字段1:运动角度,000 - 359,(前导位数不足则补0)字段2:T=真北参照系字段3:运动角度,000 - 359,(前导位数不足则补0)字段4:M=磁北参照系字段5:水平运动速度(0.00)(前导位数不足则补0)字段6:N=节,Knots字段7:水平运动速度(0.00)(前导位数不足则补0)字段8:K=公里/时,km/h字段9:校验值表 1 GPS模块主要参数GPS模块主要参数GPS芯片组SiRF Star III工作频率L1, 1575.42 MHz粗捕获码(C/A)率1.023 MHz chip rate同时跟踪通道数20灵敏度-159 dBm定位精度5m(2维均方根, 允许广域差分系统)最小速度0.1 m/s时间精度1S(与GPS时间同步)默认坐标系1984年世界大地坐标系(WGS-84)重获时间0.1S(平均值)热启动1S(平均值)温启动38S(平均值)冷启动42S(平均值)最高工作海拔18km(60000feet)最大移动速率515m/S(1000knots)最大加速度4g最大急冲度20m/S3电源电压5V0.5V整机电流约60mA,不超过100mA整板外形61mm49mm17mmGPS芯片外形27.9mm20mm2.9mm波特率9600bps数据输出格式SiRF二进制格式或NMEA 0183 GGA, GSA, GSV, RMC,VTG,GLL数据输出电平同时具备TTL电平和RS232电平数据输出接口20pin插针(TTL电平)和DB9母座(RS232电平)
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