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[導讀]GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱,目的是在全球范圍內(nèi)對地面或空中目標進行準確定位和監(jiān)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(tǒng)中的應用,給出了這種GPS模塊與單片機的接口電路。

    摘要:GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱,目的是在全球范圍內(nèi)對地面或空中目標進行準確定位和監(jiān)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(tǒng)中的應用,給出了這種GPS模塊與單片機的接口電路。

    關鍵詞:GPS;TU-30;單片機;衛(wèi)星定位;導航

1 GPS系統(tǒng)簡介

GPS是Global Positioning System 的縮寫,即全球定位系統(tǒng)。其目的是在全球范圍內(nèi)對地面和空中目標進行準確定位和監(jiān)測。隨著全球性空間定位信息應用的日益廣泛,GPS提供的全時域、全天候、高精度定位服務將給空間技術、地球物理、大地測繪、遙感技術、交通調(diào)度、軍事作戰(zhàn)以及人們的日常生活帶來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(nèi)部結構復雜,單機成本一般在幾萬到幾十萬,適合專業(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(nèi)部硬件相對簡單,只須一臺就可以完成導航工作,加之其價格相對較低,因而更有普及和推廣價值。

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

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

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

接收機硬件、機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構成了完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說,兩個單元一般分成兩個獨立的部件,觀測時將天線單元安置在測站上,接收單元則置于測站附近的適當?shù)胤剑⒂秒娎|線將兩者連接成一個整機。實際上,也可以將天線單元和接收單元制作成一個整體,而在觀測時將其安置在測站點上。

GPS接收機一般用蓄電池做電源,同時采用機內(nèi)機外兩種直流電源。設置機內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電池的過程中,機內(nèi)電池自動充電。關機后,機內(nèi)電池為RAM存儲器供電,以防丟失數(shù)據(jù)。

2?。裕眨常?GPS模塊簡介

TU-30模塊是美國羅克韋爾公司的GPS產(chǎn)品,其特點是體積小、接口簡單、可靠性好。模塊的組織結構是一個用于接收GPS信號的單片機小系統(tǒng)。GPS信號接收部分由Rockwell自行設計開發(fā)的芯片及其外圍電路組成。其控制內(nèi)核是一個DSP處理器,該處理器具有很強的數(shù)據(jù)運算處理能力,并有兩個串口和時鐘輸出;外圍電路有實時時鐘,并帶有E2PROM(保存重要參數(shù))、SRAM、ROM等存儲器,可對相關重要信息數(shù)據(jù)進行存儲、交換;此外,還留有DGPS接口。該模塊的衛(wèi)星采集啟動方式分為4種模式:熱啟動方式、初始啟動方式、冷啟動方式、凍結啟動方式;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模塊留有天線接口,可以用同軸電纜與天線進行連接,天線可延長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
Pin2 5V電源輸入
Pin3 電池電源輸入
Pin5 主復位輸入
Pin7 NMEA協(xié)議選擇
Pin8 ROM默認選擇
Pin11 串口1數(shù)據(jù)輸出
Pin12 串口1數(shù)據(jù)輸入
Pin14 串口2數(shù)據(jù)輸出
Pin15 串口2數(shù)據(jù)輸入
Pin19 1PPS時間標志輸出
Pin20 10kHz時鐘輸出
Pin4,6,9,17 無連接NC
Pin10,13,16,18 接地

3 GPS模塊的串行數(shù)據(jù)接口規(guī)范

GPS模塊的應用關鍵在于串口通信協(xié)議的制定,也就是模塊的相關輸入輸出協(xié)議格式。它主要包括數(shù)據(jù)類型與信息格式,其中數(shù)據(jù)類型主要有二進制信息和NMEA?全國海洋電子學會?數(shù)據(jù)信息。這兩類信息可以通過串口與GPS接收機進行通信。這里重點介紹TU-30的二進制信息字格式與字結構。TU-30的傳輸速率為9600bps,無奇偶校驗,有8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。其二進制信息字格式包括信息頭、頭校驗、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗等。

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

Word1:1000 0001 1111 1111;

Word2:信息ID;

Word3:數(shù)據(jù)子計數(shù);

Word4:應答/無應答;

Word5:頭校驗。

頭校驗計算公式為:

一般情況下,二進制信息數(shù)據(jù)由如下4個字組成:

Word6:觸發(fā);

Word7:間隔;

Word8:偏移量;

Word9:數(shù)據(jù)校驗。

頭校驗計算公式為:

TU-30中的每個字均為16位,有無符號整型和有符號整形之分。按字長又可分為單精度(16bit)、雙精度(32bit)和三精度(48bit)。保留位輸入時為0,獨立定義位域標志位時可為0或1。

TU-30中的輸出信息如下:

信息位置狀態(tài)輸出(經(jīng)度、緯度、時間、高度等);

信息ID為1000,信息長度為55個字;

ECEF 狀態(tài)輸出:信息ID為1001,信息長度為54個字;

通道摘要?信息ID為1002,信息長度為51個字;

通道測量?信息ID為1007,信息長度為154個字;

用戶設置輸出:信息ID為1012,信息長度為22個字;

內(nèi)建測試結果:信息ID為1100,信息長度為20個字;

測量時間標記:信息ID為1102,信息長度為253個字;

串口通信參數(shù):信息ID為1130,信息長度為21個字;

EEPROM 狀態(tài): 信息ID為1136,信息長度為18個字。

下面是TU-30的輸入信息描述:

測量位置和速度初始化:信息ID為1200,信息長度為27個字。現(xiàn)以此為例來介紹各信息字的具體含義:

字1~4:信息頭;

5:頭校驗;

6:序列號;

7:初始化控制;

8~16:GPS時間、日期;

17~18:緯度;

19~20:經(jīng)度;

21~22:高度;

23~24:對地速度;

25:衛(wèi)星軌道仰角;

26:爬升率;

27:數(shù)據(jù)校驗。

下面是TU-30的其它信息,其具體內(nèi)容可參見相關文檔。

用戶數(shù)據(jù)定義:信息ID為1210,信息長度為20個字;

地圖選擇信息數(shù)據(jù):信息ID為1211,信息長度為8個字;

衛(wèi)星仰角屏蔽控制(0~±л/2):信息ID為1212,信息長度為8個字;

衛(wèi)星選擇 : 信息ID為1213,信息長度為10個字;

差動GPS控制:信息ID為1214,信息長度為9個字;

冷起動控制:信息ID為1216,信息長度為9個字;

定位方法校驗標準:信息ID為1217,信息長度為13個字;

無線類型選擇(主動/被動):信息ID為1218,信息長度為8個字;

用戶登錄高度輸入:信息ID為1219,信息長度為12個字;

應用平臺控制(默認、靜態(tài)、海洋、陸路、空中):信息ID為1220,信息長度為8個字;

串口通信參數(shù)信息:信息ID為1221,信息長度為15個字;

導航配置信息:

信息協(xié)議控制:…

以上相關信息通常都保存到模塊的EEPROM中。

4 與單片機構建的便攜式導航系統(tǒng)

4.1 硬件結構

設計時,通常將TU-30模塊的串口1與單片機的串口相連接,模塊與天線的連接可以加一級前置放大器。天線可選用東芝天線,也可以專門定制??蛇x用LCD屏顯示經(jīng)緯度、時間、高度等數(shù)據(jù)。電源采用4節(jié)堿性電池,易于更換。

MCU可選用德州儀器的MSP430 flash(F13X)系列。MSP430系列為16位單片機,處理速度快,功耗低,體積小,適合在便攜式儀器上使用。同時,MSP430單片機支持C語言,易于編程。

屏幕菜單采用字符型西文顯示,可縮短開發(fā)時間、降低成本,很適合于民用;也可以選用大屏幕彩色點陣液晶,它界面友好、美觀,但軟件工作量大,硬件成本高。鍵盤可選擇3個觸摸鍵,菜單功能全部可用軟件實現(xiàn)。因為MSP430單片機的電源為3.3V?而TU-30的電源為5V,所以?需要用DC-DC電源轉換模塊進行處理。如果采用充電電池?則還需要充電電路。GPS模塊與單片機的接口原理如圖2所示。

4.2 軟件設計

圖3所示是TU-30 GPS模塊的軟件流程圖。該軟件的編寫主要是設置GPS模塊與MCU之間的串口通信、參數(shù)顯示及人機接口。主要包括初始化、串口通信、數(shù)據(jù)處理、故障提示、顯示、鍵盤處理、電源管理等部分。其中初始化包括MSP430中各種寄存器的配置、串口相關參數(shù)配置(波特率,模式)及外圍電路(LCD、電源等設備檢測)的初始化等;

串口通信包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗,通信故障提示等;數(shù)據(jù)處理主要是對接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲和數(shù)據(jù)刷新等; 故障提示包括設備故障、通信故障、電源故障等。電源管理主要是電源欠壓提示和當前電源狀態(tài)顯示。

另外,設計時還應注意GPS模塊的天線要求,具體有以下兩點:

(1)天線增益應為30dB,阻抗應為50Ω。

(2)無線頻率信號環(huán)境方面要求,即RF輸入L1的載波頻率應為10MHz,帶寬中心點應為0dBW。5 結束語

GPS導航設備的應用著重于多衛(wèi)星系統(tǒng)、遠距離監(jiān)控以及多功能顯示等方面。使用多衛(wèi)星系統(tǒng)(如GNSS綜合導航定位系統(tǒng))進行導航定位時,衛(wèi)星較多可保證實時定位的精度與可靠性。

此外,GPS定位還受GPS網(wǎng)的限制,應用GPS衛(wèi)星定位技術建立的控制網(wǎng)叫GPS網(wǎng)。歸納起來大致可分為兩大類:一類是全球或全國性的高精度GPS網(wǎng),這類GPS網(wǎng)中相鄰點的距離在數(shù)千公里至上萬公里, 其主要任務是作為全球高精度坐標框架或全國高精度坐標框架,以為全球性地球動力學和空間科學方面的科學研究工作服務。另一類是區(qū)域性的 GPS網(wǎng),包括城市或礦區(qū)GPS網(wǎng),GPS工程網(wǎng)等,這類網(wǎng)中的相鄰點間的距離為幾公里至幾十公里,其主要任務是直接為國民經(jīng)濟建設服務。

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