基于GPS的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言
    GPS(Global Positioning System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))以其高精度、全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，在定位、導(dǎo)航、測距、授時(shí)遙感等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并得到了快速的發(fā)展。設(shè)計(jì)一種基于嵌入式系統(tǒng)的GPS定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)GPS信號(hào)接收原理和嵌入式技術(shù)，該設(shè)計(jì)完成了基于單片機(jī)和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的采集，并以良好的人機(jī)界面顯示出系統(tǒng)所處的經(jīng)緯度、海拔高度、X，Y坐標(biāo)以及日期等信息，該系統(tǒng)已應(yīng)用于某外場的車載定位試驗(yàn)中，代替了以前人工記錄定位數(shù)據(jù)的煩瑣，提高了效率。

1 系統(tǒng)描述
    本設(shè)計(jì)利用TI的低功耗MSP430F149單片機(jī)的雙串行接口，一路將GPS接收模塊接收的定位信息數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)GPS定位信息中需要的信息進(jìn)行采集、解析，最后將需要的信息發(fā)送至外接的液晶顯示其經(jīng)、緯度、海拔高度和時(shí)間；同時(shí)將解析的數(shù)據(jù)經(jīng)外部的串口轉(zhuǎn)USB接口電路傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將接收到的經(jīng)緯度坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成本地的高斯平面坐標(biāo)，并一同將經(jīng)緯度、海拔高度、高斯平面坐標(biāo)值等顯示給用戶，其整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 GPS數(shù)據(jù)格式類型及定位信息提取
    GPS模塊上電后，會(huì)每隔一定的時(shí)間返回一定格式的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為：“$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x”，每幀的起始字符都是“$”，接著是信息類型，后面是定位參數(shù)，以逗號(hào)分隔開。一幀完整的數(shù)據(jù)格式如下所示：
    $GPRMC，080655．00，A，4546．40891，N，12639．65641，E，1．045，328．42，170809，，，A*60
    以上幀數(shù)據(jù)表示的意義：其中信息類型GPRMC表示為推薦最小定位；080655．00表示當(dāng)前時(shí)間為08時(shí)06分55秒；A表示有效定位；4546．4 0891表示緯度；N表示北緯；12639．65641表示經(jīng)度；E表示東經(jīng)；1．045表示速率，其單位為節(jié)(海里／h)；328．42表示航向，指的是偏離正北的角度；170809表示日期等，具體參數(shù)見文獻(xiàn)。除了GPRMC信息類型外，還有GPGGA信息類型，它里面包括GPS定位信息，其中海拔參數(shù)即
在此信息類型內(nèi)，其他的信息類型可參考文獻(xiàn)。
    設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)信息提取、解析是通過TI公司的低功耗單片機(jī)MSP430F149完成，其方法首先通過搜尋ASCII碼“$”來判斷是否是一幀數(shù)據(jù)的開始，然后通過接收到的五個(gè)字符來判斷當(dāng)前所接收到的信息類型，對(duì)幀的信息類型識(shí)別正確后，通過搜尋的“，”的個(gè)數(shù)來確定GPS模塊當(dāng)前所接收到的是哪個(gè)定位參數(shù)，從中提取出需要的定位信息。本設(shè)計(jì)中僅解析GPRMC和GPGGA的信息中的經(jīng)、緯度、海拔高度、時(shí)間信息等。

3 GPS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 MSP430F149單片機(jī)與GPS模塊接口電路
    MSP430F149單片機(jī)是TI公司推出的一款16位的單片機(jī)，其具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中利用MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)將GPS模塊中的定位信息通過串行接口采集單片機(jī)內(nèi)完成對(duì)定位信息的提取、解析，從中選擇需要的信息，這里所需要的信息僅包括經(jīng)、緯度、海拔高度、時(shí)間信息等。
    GPS模塊采用瑞士u-blox公司的NEO-5Q主芯片，此芯片為多功能獨(dú)立型GPS模組，以ROM為基礎(chǔ)架構(gòu)，采用u-blox最新的KickStart微弱信號(hào)攫取技術(shù)，能確保在任何可接收到信號(hào)的位置及任何天線尺寸都能夠有最佳的初始定位性能，并進(jìn)行快速定位。并且其外部有UART，USB，SPI，I2C等多種接口，可方便地與單片機(jī)或ARM等微控制器實(shí)現(xiàn)無縫連接，電路簡單，其具體電路如圖2所示。

3．2 串口轉(zhuǎn)換USB接口電路
    利用單片機(jī)完成定位信息的采集、解析、選擇，獲得需要的信息一路經(jīng)12864液晶顯示，另一路信息傳送至計(jì)算機(jī)顯示。為解決現(xiàn)今許多計(jì)算機(jī)無串口的問題，在設(shè)計(jì)中利用PL2302芯舟實(shí)現(xiàn)將USB接口虛擬一個(gè)串口，來完成數(shù)據(jù)信息的傳輸。PL2302用于實(shí)現(xiàn)USB和標(biāo)準(zhǔn)RS 232串行端口之間，的轉(zhuǎn)換，其完全遵從USB 1．1協(xié)議，滿足速度傳輸要求，其硬件電路如圖3所示。

4 GPS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)主要完成接收MSP430F149單片機(jī)通過虛擬USB接口傳送來的包括經(jīng)、緯度、海拔高度、時(shí)間信息定位參數(shù)信息，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成本地的高斯平面坐標(biāo)。數(shù)據(jù)記錄處理軟件主要完成數(shù)據(jù)格式的解析、采樣速率設(shè)定、原始數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果顯示和打包存儲(chǔ)為txt文本文件和數(shù)據(jù)處理等功能。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)圖形化用戶界面以及詳細(xì)的聯(lián)機(jī)幫助功能，漢化界面，簡單直觀，操作方便。各功能模塊可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行靈活配置和管理，能夠進(jìn)行多任務(wù)操作，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢、計(jì)算結(jié)果顯示和打印互不影響。這些工作均由上位機(jī)軟件來完成，編程語言采用VC++。其中采集到的數(shù)據(jù)分別在“X”，“Y”，“H”、“經(jīng)度”和“緯度”顯示，“計(jì)算結(jié)果”顯示處理后的數(shù)據(jù)，此外還有端口選擇、采用速率設(shè)置及數(shù)據(jù)計(jì)算周期設(shè)置，以便使用更加方便、靈活。
    運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

5 結(jié)語
    該設(shè)計(jì)利用TI公司的MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS定位信息的采集、提取。系統(tǒng)已應(yīng)用在外場車載定位系統(tǒng)試驗(yàn)中，該系統(tǒng)可在全天候工作，定位精度高，自主定位精度優(yōu)于10 m，若采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)，并具有功耗低等優(yōu)點(diǎn)，滿足外場試驗(yàn)要求。