基于GPS9808的智能定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

     摘要： 提出了一種以O(shè)EM模塊GPS9808和MSP430F169單片機(jī)為核心器件的智能定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)介紹了GPS9808和MSP430F169的主要功能及特點(diǎn)， 給出了由GPS9808和MSP430F169單片機(jī)、GSM短消息模塊TC35i所組成的物體智能定位系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)過測試， 該系統(tǒng)的性能得到驗(yàn)證， 也取得了良好的效果。

　　0 引言

　　在移動(dòng)物體監(jiān)控系統(tǒng)中， 通常需要將移動(dòng)物體的定位數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)回傳到監(jiān)控中心。常用的無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)分為公網(wǎng)和專網(wǎng)兩大類。其中公網(wǎng)指的是GPRS、CDPD、GSM等無線數(shù)據(jù)網(wǎng)； 專網(wǎng)則是指為監(jiān)控系統(tǒng)專門建立的無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。采用公網(wǎng)的無線監(jiān)控系統(tǒng)一般具有投資小、覆蓋面大、系統(tǒng)維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)， 但其實(shí)時(shí)性較差， 不能進(jìn)行GPS差分定位。而用GPS等專網(wǎng)系統(tǒng)不但可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控， 而且可采用時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)， GPS等專網(wǎng)系統(tǒng)還可充分利用無線頻率資源， 而且其傳輸速度快、實(shí)時(shí)性好， 并可進(jìn)行GPS差分定位， 定位精度很高。因此， 專網(wǎng)的GPS移動(dòng)物體監(jiān)控系統(tǒng)尤其適合于軍事以及公安、消防、公交、金融運(yùn)鈔等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場合。

　　GPS等專網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)傳終端在系統(tǒng)中的主要作用是實(shí)現(xiàn)GPS差分定位與無線通信。本文將介紹Leadtek公司的OEM模塊GPS9808在智能定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。該定位系統(tǒng)采用超低功耗MSP430單片機(jī)與GSM通訊模塊TC35i結(jié)合， 并具有功耗低， 體積小， 便于隱蔽安裝， 同時(shí)又可滿足用戶在很遠(yuǎn)距離也能及時(shí)掌握監(jiān)控物體狀況等多功能的需要。

　　1 定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　該智能定位系統(tǒng)采用GPS9808模塊來搜索物體的位置、速度等狀態(tài)信息， 通過MSP430F169單片機(jī)來處理這些信息和檢測物體中安裝的傳感器狀態(tài)， 并利用GSM模塊TC35i和用戶建立通訊和控制聯(lián)系。圖1所示是本智能定位系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)組成圖。該系統(tǒng)包括GPS定位模塊、CPU控制模塊、通訊模塊、傳感器檢測模塊、聲光告警模塊、電源管理模塊等， 具有體積小， 功耗低，功能多等特點(diǎn)， 是一種性價(jià)比較高的智能定位系統(tǒng)。

圖1 智能定位系統(tǒng)的硬件框圖

　　本系統(tǒng)中的GSM通信模塊采用SIENENS的TC35i。TC35i是SIEMENS公司專為GSM通信設(shè)計(jì)的專用模塊， 具有語音、數(shù)據(jù)、傳真和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短信功能， 可工作于EGSM 900和GSM 1800頻段，其重量僅10 g， 可在3.5～4.8 V的電壓范圍內(nèi)正常工作， 并可輸入8～20 V/500 mA的直流電。該模塊內(nèi)部有自動(dòng)充電控制電路， 通信速率為19.2kbps； 光報(bào)警電路采用ISD4004集成語音芯片和發(fā)光LED， 同時(shí)結(jié)合驅(qū)動(dòng)和功放電路來實(shí)現(xiàn)， 因而可方便地實(shí)現(xiàn)語音錄放和燈光閃爍， 用于給監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行安全提示和報(bào)警； 傳感器檢測電路用來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體信號(hào)的檢測， 同時(shí)按指令進(jìn)行電源控制； 電源管理電路主要由LP3966和TC1017完成， 這兩款電源管理芯片可分別提供3.6 V和3.3V的供電電壓， 他們在節(jié)能關(guān)斷模式下的電流都僅為0.05 μA左右， 使用備用電池供電即可滿足系統(tǒng)長期需要， 故可有效防止人為對(duì)物體電源的破壞， 提高系統(tǒng)的安全系數(shù)。

　　2 主要器件選擇

　　2.1 MSP430F169的主要特點(diǎn)

　　MSP430F169 是一種采用16-Bit RISC 架構(gòu)，最高運(yùn)算速度可達(dá)8MIPS 的單芯片微控制器， 是專為低功耗應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的一種微控制器?？蓮V泛應(yīng)用在要求待機(jī)時(shí)間超常的便攜式產(chǎn)品和系統(tǒng)中。[!--empirenews.page--]

　　MSP430F169有五種省電工作模式， 從LPM3待機(jī)模式（消耗2.6 μA@Vcc=3） 恢復(fù)到正常工作模式（消耗500 μA@Vcc = 3， 1 MIPS ） 時(shí)， 其喚醒時(shí)間小于6 μs， 而且允許雙外部工作頻率輸入， 內(nèi)部還整合了多款低功耗外圍模塊。

　　MSP430F169的主要特點(diǎn)如下：

　　◇ 內(nèi)含60 kB+256 Byte的低電壓Flash模塊，可用于存儲(chǔ)控制器的程序代碼和數(shù)據(jù)。其中2 kB隨機(jī)存取內(nèi)存（RAM） 可在LPM4待機(jī)模式下儲(chǔ)存在RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)；

　　◇ 內(nèi)建一組基本RC振蕩頻率DCO， 當(dāng)外部供應(yīng)芯片的電源電壓為3.6 V時(shí)， 其最大工作頻率為8 MHz， 并允許兩個(gè)獨(dú)立的外部工作頻率輸入，同時(shí)也可串接一組外接低/高頻振蕩源；

　　◇ 計(jì)時(shí)模塊可提供一組看門狗定時(shí)器， 并可由其將系統(tǒng)重置在一組基本定時(shí)器、兩組完整功能的16位定時(shí)器， 具有上數(shù)、上下數(shù)、連續(xù)、暫停計(jì)時(shí)等模式可選；

　　◇ 內(nèi)含12位8通道連續(xù)逼近式（SAR） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 最大轉(zhuǎn)換速度可達(dá)200 kHz， 同時(shí)內(nèi)建1.5 V和2.5 V的參考電壓和取樣保持電路， 并具有自動(dòng)掃瞄功能；

　　◇ 具有2組12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓輸出， 兩組D/A可由程控同步輸出；

　　◇ 內(nèi)有一組模擬電壓比較器， 可直接將輸出信號(hào)提供給計(jì)時(shí)模塊， 以便其抓??；

　　◇ 可提供兩組USART， 可做為異步、同步傳輸（支持SPI 3Pin、4Pin傳輸） 以及I2C接口；

　　◇ 內(nèi)含硬件乘法器， 使用時(shí)， 只需將操作數(shù)放到特定緩存器內(nèi)， 就可在下一個(gè)機(jī)器周期將結(jié)果取回， 而且運(yùn)算過程不需處理器的參與?？蛇M(jìn)行無符號(hào)（+、-號(hào)） 相乘、有符號(hào)相乘、無符號(hào)相乘累加、有符號(hào)相乘累加等四種模式的運(yùn)算；

　　◇ 具有3個(gè)內(nèi)部DMA控制器， 可方便地將數(shù)據(jù)在兩個(gè)內(nèi)存地址之間移動(dòng)。[!--empirenews.page--]

　　2.2 GPS9808的功能與特點(diǎn)

　　GPS9808是Leadtek （麗臺(tái)） 公司推出的一款功能強(qiáng)大、性能卓越的OEM模塊。GPS 9808在保持以前OEM 模塊優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 又進(jìn)行了改良，是具有結(jié)構(gòu)小巧、性能優(yōu)良等特點(diǎn)的低功耗12通道模塊。它的熱啟動(dòng)時(shí)間小于8 s， 重捕時(shí)間小于0.1 s； 定位精度在差分模式（DGPS） 下小于5 m；接口采用串行TTL電平， 數(shù)據(jù)格式可支持標(biāo)準(zhǔn)的NMEA-0183， SiRF二進(jìn)制協(xié)議。該模塊的外部射頻金屬保護(hù)， 可保證在嘈雜環(huán)境下保證最佳性能。GPS 9808的外形尺寸為24×20×2.6 mm， 功耗僅為215 mW， 非常適合在對(duì)功耗、體積要求較高的系統(tǒng)中應(yīng)用。GPS9808的引腳排列如圖2所示， 各引腳的功能如表1所列。

圖2 GPS9808的引腳排列圖

表1 GPS9808的引腳功能描述

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　　3 MSP430F169和GPS9808的接口電路

　　本系統(tǒng)的CPU采用超低功耗16位處理器MSP430F169， 采用1.8～3.6 V低電壓供電， RAM數(shù)據(jù)保持方式下， 其耗電僅0.2 μA， 活動(dòng)模式耗電330 μA /MIPS， 在8MHz晶振工作時(shí)， 其指令速度可達(dá)8 MIPS， 同時(shí)具有強(qiáng)大的處理能力。圖3所示是MSP430F169單片機(jī)和GPS9808的接口電路。

圖3 GPS9808與MSP430F169的接口電路圖

　　4 軟件協(xié)議實(shí)現(xiàn)

　　GPS9808與單片機(jī)的通訊協(xié)議采用模塊支持的NMEA-0183通訊協(xié)議， 該協(xié)議能提供GGA、GSA、GSV、RMC、VTG、GLL等多種可選格式。

　　在和GPS通訊時(shí)， 考慮到實(shí)際需要和功耗等問題，系統(tǒng)可每5 s更新一次經(jīng)緯度和時(shí)間數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選擇模塊默認(rèn)的輸出RMC數(shù)據(jù)格式， 在和衛(wèi)星的通訊正常時(shí)， 其接收到的數(shù)據(jù)格式如下：

　　$GPRMC， 204700， A， 3403.868， N，11709.432， W， 001.9， 336.9， 170698， 013.6， E*6E用戶與定位系統(tǒng)間的通訊協(xié)議主要用于提供控制物體狀態(tài)以及查詢物體位置信息等功能， 本系統(tǒng)需要GPS9808提供的數(shù)據(jù)功能主要有： 物體定位信息查詢、物體正常區(qū)域范圍設(shè)置、物體跟蹤設(shè)置等。因此， 一般不需要NMEA 0183通訊協(xié)議所能提供的全部信息， 而只需要從中挑選出本設(shè)計(jì)用得著的時(shí)間、經(jīng)緯度、速度等數(shù)據(jù)位信息。

　　整個(gè)定位系統(tǒng)的軟件采用C語言實(shí)現(xiàn)， 由于功能較多， 協(xié)議非常復(fù)雜， 本文僅給出需要GPS9808數(shù)據(jù)位較多的物體定位信息， 本系統(tǒng)的發(fā)送協(xié)議的數(shù)據(jù)格式如表2所列。

表2 定位信息的發(fā)送數(shù)據(jù)格式(定位系統(tǒng)—>用戶）

　　5 結(jié)束語

　　本文闡述了Leadtek公司的定位模塊GPS9808應(yīng)用于物體智能防盜系統(tǒng)的方法和實(shí)現(xiàn)。拓寬了物體防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新思路， 采用它所設(shè)計(jì)的新型智能定位系統(tǒng)不僅具有技術(shù)先進(jìn)、方便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)， 而且具有低功耗、體積小便于隱蔽安裝、采用獨(dú)立電源系統(tǒng)不易破壞、用戶可遠(yuǎn)程控制物體狀態(tài)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。是目前一種非常實(shí)用的智能型物體防盜系統(tǒng)， 其可靠的性能經(jīng)過測試和實(shí)際應(yīng)用， 取得了良好的效果。