GPS模塊在便攜式導航系統中的應用

摘要：GPS是全球定位系統的簡(jiǎn)稱(chēng),目的是在全球范圍內對地面或空中目標進(jìn)行準確定位和監測。文章討論了GPS模塊TU-30的工作原理，介紹了其在便攜式導航系統中的應用，給出了這種GPS模塊與單片機的接口電路。

１ ＧＰＳ系統簡(jiǎn)介

ＧＰＳ是Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 的縮寫(xiě)，即全球定位系統。其目的是在全球范圍內對地面和空中目標進(jìn)行準確定位和監測。隨著(zhù)全球性空間定位信息應用的日益廣泛，ＧＰＳ提供的全時(shí)域、全天候、高精度定位服務(wù)將給空間技術(shù)、地球物理、大地測繪、遙感技術(shù)、交通調度、軍事作戰以及人們的日常生活帶來(lái)巨大的變化和深遠的影響。

目前的民用ＧＰＳ設備包括測量型和導航型。其中測量型產(chǎn)品的精度可達到米級甚至毫米級，但至少需要兩臺（套）才能達到設計精度要求，而且其內部結構復雜，單機成本一般在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)，適合專(zhuān)業(yè)高精度測量環(huán)境使用；導航型產(chǎn)品，由于其使用者對精度要求不高，一般為幾十米，因此機器內部硬件相對簡(jiǎn)單，只須一臺就可以完成導航工作，加之其價(jià)格相對較低，因而更有普及和推廣價(jià)值。

ＧＰＳ系統一般由地面控制站、導航衛星和用戶(hù)接收機三大部分組成。導航衛星至少２４顆，均勻分布在６個(gè)極地軌道上，軌道的夾角為６０度，距地平均高度為２０?２００公里，每１２恒星時(shí)繞地球一周。

ＧＰＳ信號接收機的任務(wù)主要是捕獲一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，同時(shí)對所接收到的ＧＰＳ信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出ＧＰＳ信號從衛星到接收機天線(xiàn)的傳播時(shí)間，解譯出ＧＰＳ衛星所發(fā)送的導航電文，最終實(shí)時(shí)計算出現測站的三維位置、位置、甚至三維速度和時(shí)間。

靜態(tài)定位時(shí)，ＧＰＳ接收機在捕獲和跟蹤ＧＰＳ衛星的過(guò)程中固定不變，接收機通過(guò)高精度測量ＧＰＳ信號的傳播時(shí)間，并利用ＧＰＳ衛星在軌的已知位置解算出接收機天線(xiàn)所在位置的三維坐標。而動(dòng)態(tài)定位則是用ＧＰＳ接收機測定一個(gè)運動(dòng)物體的運行軌跡。ＧＰＳ信號接收機所在的運動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機，行走的車(chē)輛等）。由于載體上的ＧＰＳ接收機天線(xiàn)在跟蹤ＧＰＳ衛星的過(guò)程中將相對地球而運動(dòng)，這樣，接收機用ＧＰＳ信號就可實(shí)時(shí)地測量運動(dòng)載體的狀態(tài)參數（瞬間三維位置和三維速度）。

接收機硬件、機內軟件以及ＧＰＳ數據的后處理軟件包構成了完整的ＧＰＳ用戶(hù)設備。ＧＰＳ接收機的結構分為天線(xiàn)單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來(lái)說(shuō)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨立的部件，觀(guān)測時(shí)將天線(xiàn)單元安置在測站上，接收單元則置于測站附近的適當地方，并用電纜線(xiàn)將兩者連接成一個(gè)整機。實(shí)際上，也可以將天線(xiàn)單元和接收單元制作成一個(gè)整體，而在觀(guān)測時(shí)將其安置在測站點(diǎn)上。

ＧＰＳ接收機一般用蓄電池做電源，同時(shí)采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續觀(guān)測。在用機外電池的過(guò)程中，機內電池自動(dòng)充電。關(guān)機后，機內電池為ＲＡＭ存儲器供電，以防丟失數據。

２�。裕眨�３０ ＧＰＳ模塊簡(jiǎn)介

ＴＵ－３０模塊是美國羅克韋爾公司的ＧＰＳ產(chǎn)品，其特點(diǎn)是體積小、接口簡(jiǎn)單、可靠性好。模塊的組織結構是一個(gè)用于接收ＧＰＳ信號的單片機小系統。ＧＰＳ信號接收部分由Ｒｏｃｋｗｅｌｌ自行設計開(kāi)發(fā)的芯片及其外圍電路組成。其控制內核是一個(gè)ＤＳＰ處理器，該處理器具有很強的數據運算處理能力，并有兩個(gè)串口和時(shí)鐘輸出；外圍電路有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并帶有Ｅ２ＰＲＯＭ（保存重要參數）、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ等存儲器，可對相關(guān)重要信息數據進(jìn)行存儲、交換；此外，還留有ＤＧＰＳ接口。該模塊的衛星采集啟動(dòng)方式分為４種模式：熱啟動(dòng)方式、初始啟動(dòng)方式、冷啟動(dòng)方式、凍結啟動(dòng)方式；而導航模式則有３維模式、２維模式和ＤＧ-ＰＳ模式３種。圖１所示是該模塊的硬件結構。

ＴＵ－３０ ＧＰＳ模塊留有天線(xiàn)接口，可以用同軸電纜與天線(xiàn)進(jìn)行連接，天線(xiàn)可延長(cháng)３０米。此外，它還留有２０Ｐｉｎ應用接口，可方便地與單片機、ＰＣ機等設備進(jìn)行接口。

表1 TU-30 GPS的模塊中的20針接口定義

接 口功 能Pin1前置放大電源輸入Pin25V電源輸入Pin3電池電源輸入Pin5主復位輸入Pin7NMEA協(xié)議選擇Pin8ROM默認選擇Pin11串口1數據輸出Pin12串口1數據輸入Pin14串口2數據輸出Pin15串口2數據輸入Pin191PPS時(shí)間標志輸出Pin2010kHz時(shí)鐘輸出Pin4,6,9,17無(wú)連接NCPin10,13,16,18接地

３�。牵校幽�塊的串行數據接口規范

ＧＰＳ模塊的應用關(guān)鍵在于串口通信協(xié)議的制定，也就是模塊的相關(guān)輸入輸出協(xié)議格式。它主要包括數據類(lèi)型與信息格式，其中數據類(lèi)型主要有二進(jìn)制信息和ＮＭＥＡ?全國海洋電子學(xué)會(huì )?數據信息。這兩類(lèi)信息可以通過(guò)串口與ＧＰＳ接收機進(jìn)行通信。這里重點(diǎn)介紹ＴＵ－３０的二進(jìn)制信息字格式與字結構。ＴＵ－３０的傳輸速率為９６００ｂｐｓ，無(wú)奇偶校驗，有８位數據位，１位停止位。其二進(jìn)制信息字格式包括信息頭、頭校驗、數據、數據校驗等。

ＴＵ－３０中的每個(gè)信息都有頭，但不一定有數據，信息的應答和請求以頭的形式完成。二進(jìn)制信息頭通常由如下五個(gè)字組成：

Ｗｏｒｄ１：１０００ ０００１ １１１１ １１１１；

Ｗｏｒｄ２：信息ＩＤ；

Ｗｏｒｄ３：數據子計數；

Ｗｏｒｄ４：應答／無(wú)應答；

Ｗｏｒｄ５：頭校驗。

頭校驗計算公式為：

【GPS模塊在便攜式導航系統中的應用】相關(guān)文章：

價(jià)值工程在模塊化設計中的應用03-23

GPS技術(shù)在公路測量中的應用前景及現狀03-19

GPS RTK技術(shù)在工程測量中的應用分析03-27

MRFIC1502在GPS接收器中的應用03-18

gps在公路工程控制丈量中的應用12-07

無(wú)驅動(dòng)USB認證模塊在電子商務(wù)中的應用03-07

IGBT-IPM智能模塊的電路設計及在SVG裝置中的應用03-19

ERP中的物流模塊研究12-04

液晶顯示模塊DMF-50081在單片機系統中的應用03-18