MIS系統(tǒng)中GPS15L模塊的應(yīng)用
[導(dǎo)讀]下載PDF閱讀器GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)以其精密的全球定位、簡(jiǎn)便的觀測(cè)、優(yōu)異的實(shí)施性和良好的抗干擾性能而獲得越來(lái)越多的應(yīng)用.文中給出了基于ARM9微處理器的GPS在MIS系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)方法,同時(shí)給出了采用GARMIN公司的GPS OEM產(chǎn)品,并通過(guò)編程提取GPS接收數(shù)據(jù)的具體方法.
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System——GPS)是上世紀(jì)70年代由美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)開(kāi)始研制，并在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。GPS系統(tǒng)一般包括三大部分。第一是空間部分，即GPS衛(wèi)星星座；第二是地面控制部分，也就是地面監(jiān)控系統(tǒng)；第三是用戶設(shè)備部分，主要指GPS信號(hào)接收機(jī)。GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是捕獲一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星，然后對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，再解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，最后實(shí)時(shí)計(jì)算出測(cè)站的三維位置、位置、甚至三維速度和時(shí)間。由于GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源，因此，對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備。即GPS信號(hào)接收機(jī)，就可以在任何時(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位和測(cè)量。
1 GPS15L接收機(jī)模塊性能
GARMIN的GPS15L接收機(jī)的功耗非常小，數(shù)據(jù)更新率為每秒一次。其優(yōu)良的性能既能滿足陸地導(dǎo)航的靈敏度要求，也能滿足飛行器的動(dòng)態(tài)要求。其OEM板無(wú)論是硬件和軟件，都十分易于使用。非常適合做系統(tǒng)集成。GPS接收機(jī)OEM板中可以將衛(wèi)星軌道參數(shù)、上次定位位置、時(shí)間和日期等數(shù)據(jù)保存在靜態(tài)存儲(chǔ)器中，GPS15L接收機(jī)內(nèi)部有備用電池來(lái)為存儲(chǔ)器供電。
GPS15L的技術(shù)指標(biāo)包括物理指標(biāo)、電氣指標(biāo)、GPS指標(biāo)、接口、環(huán)境特性、產(chǎn)品配置等。
(1)物理指標(biāo)
◇尺寸：35.56mm×45.85mm×8.31mm；
◇重量：14克。
(2)電氣指標(biāo)
◇輸入電壓(直流)：3.3～5.4 V；
◇輸入電流：峰值100 mA，標(biāo)稱值85 mA；
◇備用電池充電電壓(直流)：2.8～3.4 V；
◇接收機(jī)靈敏度：最小可達(dá)-165 dBW。
(3)GPS指標(biāo)
◇接收機(jī)通道：12；
◇定位時(shí)間：重新捕獲時(shí)間小于2秒，熱啟動(dòng)約為15秒(所有數(shù)據(jù)已知)。冷啟動(dòng)約為45秒(初始位置、時(shí)間和歷書(shū)已知，星歷未知)，自動(dòng)定位時(shí)間為5分鐘(歷書(shū)已知，初始位置和時(shí)間未知)，搜索天空(所有數(shù)據(jù)均未知)；
◇更新率：1秒；
◇精度：定位精度小于15米(95％)，速度精度0.05米／秒RMS(穩(wěn)定狀態(tài))，差分精度小于5米(95％)，PPS精度±1微秒；
◇動(dòng)態(tài)性能：速度上限為1850 kg／h，加速度上限為6 g，高度上限為18000 m。
(4)接口
◇接口特性：RS-232輸出，輸入可為RS-232或者具有RS-232極性的TTL電平。可選波特率為300，600，1200，2400，4800，9600，19200，38400；
◇串口1接口協(xié)議：輸出NMEA0183版2.00的ASCII碼語(yǔ)句，包括GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG(NMEA標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句)；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV(GARMIN定義的語(yǔ)句)。還可以將串口1設(shè)置為輸出包括GPS載波相位數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。輸入初始位置、時(shí)間、秒脈沖狀態(tài)、差分模式、NMEA輸出間隔等設(shè)置信息；
◇串口2接口協(xié)議：輸人為實(shí)施差分改正數(shù)據(jù)(RTCM SC-104信息類型1，2，3，7，9)；
◇秒脈沖PPS特性：1Hz，脈寬可調(diào)，精度±1微秒。
(5)環(huán)境特性
◇溫度范圍：工作溫度為-30℃～+80℃，儲(chǔ)存溫度-40℃～+90℃。
(6)產(chǎn)品配置
◇標(biāo)準(zhǔn)配置：GPS OEM板，排線，GAER-MIN OEM設(shè)置軟件，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)；
可選配置：GPS天線為G505，BNC接口；轉(zhuǎn)接線30厘米，BNC轉(zhuǎn)MCX。
GPS15L的串口1與PC的串口連接示意圖如圖1所示。
使用時(shí)，可將GPS15L的串口1與S3C2410A的串口2進(jìn)行連接。由于ARM主控板提供的串口是孔狀的，所以，GPS15L要和針狀的串口接頭進(jìn)行連接，連接時(shí)可將圖1中的數(shù)據(jù)出線和數(shù)據(jù)入線兩線對(duì)調(diào)，并分別連接到針狀串口接頭的PIN3(DATAOUT)和PIN2(DATAIN)。
2 GPS數(shù)據(jù)提取程序的設(shè)計(jì)
2.1 串口通信程序的設(shè)計(jì)
由于GPS模塊是通過(guò)串行口1與S3C2410的串口2進(jìn)行連接來(lái)進(jìn)行通信的，因此，本文設(shè)計(jì)了Linux系統(tǒng)下的相應(yīng)串口通信程序。
在整個(gè)操作過(guò)程中，與串口的通信只用到了3個(gè)功能，即打開(kāi)、讀和關(guān)閉串口。
(1)打開(kāi)串口
在Linux下，所有的硬件設(shè)備都被看成是普通文件，系統(tǒng)中每一個(gè)設(shè)備都用一種特殊的設(shè)備相關(guān)文件來(lái)表示，并存放在／dev／目錄下。串口文件就位于／dev下，串口一為／dev／ttvS0，串口二為／dev／ttyS1，打開(kāi)串口可通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開(kāi)函數(shù)來(lái)進(jìn)行操作，具體如下：
500)this.style.width=500;" />
(2)讀串口
由于在整個(gè)通信過(guò)程中，需要的只是從GPS模塊讀取數(shù)據(jù)，所以，這里只用到讀串口程序，其代碼如下：
500)this.style.width=500;" />
(3)關(guān)閉串口
關(guān)閉串口實(shí)際就是關(guān)閉文件，其代碼如下：
close(m_nFDGPSDevice)；
2.2 GPS數(shù)據(jù)提取
一般情況下，GPS接收機(jī)只要處于工作狀態(tài)，就會(huì)源源不斷地把接收到的信息通過(guò)串口傳送到主控制板中。它的每一條NMEA語(yǔ)句都是以“$”為開(kāi)始標(biāo)志、以“＼n”為結(jié)束標(biāo)志。接收到的GPRMC語(yǔ)句格式為：
500)this.style.width=500;" />
其中，CR、LF分別表示ASCII字符“回車(chē)”和“換行”，hh代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個(gè)字符)。其含義見(jiàn)表1所列。
500)this.style.width=500;" border="0" />
通過(guò)讀串口得到的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種情況是每次讀到的數(shù)據(jù)中都會(huì)有完整的GPRMC語(yǔ)句，另一種情況是GPRMC分兩次獲得。獲得完整的句子之后。接著判斷得到的句子是否為GPRMC語(yǔ)句(即判斷句子是否以GPRMC開(kāi)頭)，如果是GPRMC語(yǔ)句，再就開(kāi)始判斷每個(gè)數(shù)據(jù)格式是否正確，包括表1中的UTC時(shí)間格式、定位有效性、緯度格式、緯度半球表示方法、經(jīng)度格式、經(jīng)度半球表示方法、UTC日期格式信息等，最后還將“$”和“*”之間的所有字符按位異或(不包括這兩個(gè)字符)，并計(jì)算校驗(yàn)和，看其是否為hh值(“*”之后的值)。
判斷語(yǔ)句是否為GPRMC語(yǔ)句的流程如圖2所示。
其部分關(guān)鍵函數(shù)如下所示：
int Init()；初始化函數(shù)，用來(lái)打開(kāi)串口，進(jìn)行串口設(shè)置(波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位)等；
void Tick ()；讀串口數(shù)據(jù)函數(shù)；
void Cleanup ()；關(guān)閉串口函數(shù)；
void Decode(char*szData)；判斷GPRMC語(yǔ)句函數(shù)；
bool VeriLine(char*szBuffer)；判斷GPRMC語(yǔ)句中數(shù)據(jù)格式是否正確函數(shù)；
void DecodeLine (char*szBuffer)；提取GPRMC語(yǔ)句中有用信息并打印，包括時(shí)間、經(jīng)
緯度、日期。
以下是部分相關(guān)函數(shù)：
bool VeriLine(char*szBuffer)；判斷GPRMC語(yǔ)句中數(shù)據(jù)格式是否正確函數(shù)；
bool VeriTimeForm(char*szBuffer2)；判斷時(shí)間格式函數(shù)；
bool VeriLonForm(char*szBuffer2)；判斷經(jīng)度格式函數(shù)；
bool VeriLatForm(char*szBuffer2)；判斷緯度格式函數(shù)；
bool VeriDayForm(char*szBuffer2)；判斷日期格式函數(shù)；
如果語(yǔ)句為正確的GPRMC語(yǔ)句，接下來(lái)就可以提取所需信息，提取時(shí)間、經(jīng)緯度和日期信息的部分程序如下：
void PrintTime(char*szBuffer2)；打印時(shí)間函數(shù)，在此要將UTC時(shí)間轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間；
void PrintLonLat (char*szBuffer2，int n)；打印經(jīng)緯度函數(shù)；
void PrintDay (char*szBuffer2)；打印日期函數(shù)，以年／月／日形式打印。
3 結(jié)束語(yǔ)
全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣等特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，以及硬件和軟件的不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地開(kāi)拓。目前，GPS應(yīng)用已開(kāi)始逐步深入人們的日常生活。GARMIN的GPS接收機(jī)功耗非常小，數(shù)據(jù)更新很快，而且，其優(yōu)良的性能既能滿足陸地導(dǎo)航的靈敏度要求，也能滿足飛行器的動(dòng)態(tài)要求。
1 GPS15L接收機(jī)模塊性能
GARMIN的GPS15L接收機(jī)的功耗非常小，數(shù)據(jù)更新率為每秒一次。其優(yōu)良的性能既能滿足陸地導(dǎo)航的靈敏度要求，也能滿足飛行器的動(dòng)態(tài)要求。其OEM板無(wú)論是硬件和軟件，都十分易于使用。非常適合做系統(tǒng)集成。GPS接收機(jī)OEM板中可以將衛(wèi)星軌道參數(shù)、上次定位位置、時(shí)間和日期等數(shù)據(jù)保存在靜態(tài)存儲(chǔ)器中，GPS15L接收機(jī)內(nèi)部有備用電池來(lái)為存儲(chǔ)器供電。
GPS15L的技術(shù)指標(biāo)包括物理指標(biāo)、電氣指標(biāo)、GPS指標(biāo)、接口、環(huán)境特性、產(chǎn)品配置等。
(1)物理指標(biāo)
◇尺寸：35.56mm×45.85mm×8.31mm；
◇重量：14克。
(2)電氣指標(biāo)
◇輸入電壓(直流)：3.3～5.4 V；
◇輸入電流：峰值100 mA，標(biāo)稱值85 mA；
◇備用電池充電電壓(直流)：2.8～3.4 V；
◇接收機(jī)靈敏度：最小可達(dá)-165 dBW。
(3)GPS指標(biāo)
◇接收機(jī)通道：12；
◇定位時(shí)間：重新捕獲時(shí)間小于2秒，熱啟動(dòng)約為15秒(所有數(shù)據(jù)已知)。冷啟動(dòng)約為45秒(初始位置、時(shí)間和歷書(shū)已知，星歷未知)，自動(dòng)定位時(shí)間為5分鐘(歷書(shū)已知，初始位置和時(shí)間未知)，搜索天空(所有數(shù)據(jù)均未知)；
◇更新率：1秒；
◇精度：定位精度小于15米(95％)，速度精度0.05米／秒RMS(穩(wěn)定狀態(tài))，差分精度小于5米(95％)，PPS精度±1微秒；
◇動(dòng)態(tài)性能：速度上限為1850 kg／h，加速度上限為6 g，高度上限為18000 m。
(4)接口
◇接口特性：RS-232輸出，輸入可為RS-232或者具有RS-232極性的TTL電平。可選波特率為300，600，1200，2400，4800，9600，19200，38400；
◇串口1接口協(xié)議：輸出NMEA0183版2.00的ASCII碼語(yǔ)句，包括GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG(NMEA標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句)；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV(GARMIN定義的語(yǔ)句)。還可以將串口1設(shè)置為輸出包括GPS載波相位數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。輸入初始位置、時(shí)間、秒脈沖狀態(tài)、差分模式、NMEA輸出間隔等設(shè)置信息；
◇串口2接口協(xié)議：輸人為實(shí)施差分改正數(shù)據(jù)(RTCM SC-104信息類型1，2，3，7，9)；
◇秒脈沖PPS特性：1Hz，脈寬可調(diào)，精度±1微秒。
(5)環(huán)境特性
◇溫度范圍：工作溫度為-30℃～+80℃，儲(chǔ)存溫度-40℃～+90℃。
(6)產(chǎn)品配置
◇標(biāo)準(zhǔn)配置：GPS OEM板，排線，GAER-MIN OEM設(shè)置軟件，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)；
可選配置：GPS天線為G505，BNC接口；轉(zhuǎn)接線30厘米，BNC轉(zhuǎn)MCX。
GPS15L的串口1與PC的串口連接示意圖如圖1所示。
使用時(shí)，可將GPS15L的串口1與S3C2410A的串口2進(jìn)行連接。由于ARM主控板提供的串口是孔狀的，所以，GPS15L要和針狀的串口接頭進(jìn)行連接，連接時(shí)可將圖1中的數(shù)據(jù)出線和數(shù)據(jù)入線兩線對(duì)調(diào)，并分別連接到針狀串口接頭的PIN3(DATAOUT)和PIN2(DATAIN)。
2 GPS數(shù)據(jù)提取程序的設(shè)計(jì)
2.1 串口通信程序的設(shè)計(jì)
由于GPS模塊是通過(guò)串行口1與S3C2410的串口2進(jìn)行連接來(lái)進(jìn)行通信的，因此，本文設(shè)計(jì)了Linux系統(tǒng)下的相應(yīng)串口通信程序。
在整個(gè)操作過(guò)程中，與串口的通信只用到了3個(gè)功能，即打開(kāi)、讀和關(guān)閉串口。
(1)打開(kāi)串口
在Linux下，所有的硬件設(shè)備都被看成是普通文件，系統(tǒng)中每一個(gè)設(shè)備都用一種特殊的設(shè)備相關(guān)文件來(lái)表示，并存放在／dev／目錄下。串口文件就位于／dev下，串口一為／dev／ttvS0，串口二為／dev／ttyS1，打開(kāi)串口可通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開(kāi)函數(shù)來(lái)進(jìn)行操作，具體如下：
500)this.style.width=500;" />
(2)讀串口
由于在整個(gè)通信過(guò)程中，需要的只是從GPS模塊讀取數(shù)據(jù)，所以，這里只用到讀串口程序，其代碼如下：
500)this.style.width=500;" />
(3)關(guān)閉串口
關(guān)閉串口實(shí)際就是關(guān)閉文件，其代碼如下：
close(m_nFDGPSDevice)；
2.2 GPS數(shù)據(jù)提取
一般情況下，GPS接收機(jī)只要處于工作狀態(tài)，就會(huì)源源不斷地把接收到的信息通過(guò)串口傳送到主控制板中。它的每一條NMEA語(yǔ)句都是以“$”為開(kāi)始標(biāo)志、以“＼n”為結(jié)束標(biāo)志。接收到的GPRMC語(yǔ)句格式為：
500)this.style.width=500;" />
其中，CR、LF分別表示ASCII字符“回車(chē)”和“換行”，hh代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個(gè)字符)。其含義見(jiàn)表1所列。
500)this.style.width=500;" border="0" />
通過(guò)讀串口得到的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一種情況是每次讀到的數(shù)據(jù)中都會(huì)有完整的GPRMC語(yǔ)句，另一種情況是GPRMC分兩次獲得。獲得完整的句子之后。接著判斷得到的句子是否為GPRMC語(yǔ)句(即判斷句子是否以GPRMC開(kāi)頭)，如果是GPRMC語(yǔ)句，再就開(kāi)始判斷每個(gè)數(shù)據(jù)格式是否正確，包括表1中的UTC時(shí)間格式、定位有效性、緯度格式、緯度半球表示方法、經(jīng)度格式、經(jīng)度半球表示方法、UTC日期格式信息等，最后還將“$”和“*”之間的所有字符按位異或(不包括這兩個(gè)字符)，并計(jì)算校驗(yàn)和，看其是否為hh值(“*”之后的值)。
判斷語(yǔ)句是否為GPRMC語(yǔ)句的流程如圖2所示。
其部分關(guān)鍵函數(shù)如下所示：
int Init()；初始化函數(shù)，用來(lái)打開(kāi)串口，進(jìn)行串口設(shè)置(波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位)等；
void Tick ()；讀串口數(shù)據(jù)函數(shù)；
void Cleanup ()；關(guān)閉串口函數(shù)；
void Decode(char*szData)；判斷GPRMC語(yǔ)句函數(shù)；
bool VeriLine(char*szBuffer)；判斷GPRMC語(yǔ)句中數(shù)據(jù)格式是否正確函數(shù)；
void DecodeLine (char*szBuffer)；提取GPRMC語(yǔ)句中有用信息并打印，包括時(shí)間、經(jīng)
緯度、日期。
以下是部分相關(guān)函數(shù)：
bool VeriLine(char*szBuffer)；判斷GPRMC語(yǔ)句中數(shù)據(jù)格式是否正確函數(shù)；
bool VeriTimeForm(char*szBuffer2)；判斷時(shí)間格式函數(shù)；
bool VeriLonForm(char*szBuffer2)；判斷經(jīng)度格式函數(shù)；
bool VeriLatForm(char*szBuffer2)；判斷緯度格式函數(shù)；
bool VeriDayForm(char*szBuffer2)；判斷日期格式函數(shù)；
如果語(yǔ)句為正確的GPRMC語(yǔ)句，接下來(lái)就可以提取所需信息，提取時(shí)間、經(jīng)緯度和日期信息的部分程序如下：
void PrintTime(char*szBuffer2)；打印時(shí)間函數(shù)，在此要將UTC時(shí)間轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間；
void PrintLonLat (char*szBuffer2，int n)；打印經(jīng)緯度函數(shù)；
void PrintDay (char*szBuffer2)；打印日期函數(shù)，以年／月／日形式打印。
3 結(jié)束語(yǔ)
全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣等特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，以及硬件和軟件的不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地開(kāi)拓。目前，GPS應(yīng)用已開(kāi)始逐步深入人們的日常生活。GARMIN的GPS接收機(jī)功耗非常小，數(shù)據(jù)更新很快，而且，其優(yōu)良的性能既能滿足陸地導(dǎo)航的靈敏度要求，也能滿足飛行器的動(dòng)態(tài)要求。
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