基于MSP430單片機的GPS定位系統設計

李 斌，賈 巍，趙 奇

（遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105）

基于MSP430單片機的GPS定位系統設計

李 斌，賈 巍，趙 奇

（遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105）

0 引言

隨著社會的發展和科學技術的進步，使得我們判別方向和確定距離的能力有了劃時代的進步。全球衛星定位系統GPS便是近年以來開發的最具有開創意義的高新技術之一，其全球性、全能性、全天候性的導航定位、定時、測速優勢必然會在諸多領域中得到越來越廣泛的應用。目前，GPS技術在中國道路工程和交通管理中的應用還剛剛起步，隨著中國經濟的發展，高等級公路的快速修建和GPS技術的應用研究的逐步深入，其在道路工程中的應用也會更加廣泛和深入，并發揮更大的作用[1]。

1 GPS系統組成

整個GPS系統分為三個基本部分:空間部分-GPS衛星星座；地面控制部分-地面監控系統;用戶設備部分-GPS信號接收機[2]。

1.1 空間部分

空間部分由21顆工作衛星和3顆在軌道備用衛星組成。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度。對于地面觀測者來說，位于地平線以上的衛星顆數隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆，最多可以見到11顆。

1.2 地面控制部分

GPS工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。主控站的任務是收集、處理本站和監測站的全部資料，編算出每顆衛星的星歷和GPS時間系統。注入站的任務是將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器。監測站的主要任務是對每顆衛星進行觀測，并向主控站提供衛星的觀測數據。監測站是一個無人值守的數據采集中心，受主控站的控制，定時將觀測數據傳送到主控站。

1.3 用戶設備部分

用戶設備是滿足用戶定位精度和動態特性要求的GPS接收機，其功能是接收衛星播發的信號，獲取定位觀測值，提取導航電文中的廣播衛星星歷、衛星時鐘鐘差及電離層延遲修正參數等，并經過數據處理，已完成導航和定位任務。圖1是GPS用戶接收機的基本結構圖。

圖1 GPS用戶接受機的基本結構圖

2 GPS接收機結構原理

GPS信號接收機的任務是能夠捕獲到按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，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理[3]。如圖2所示。

圖2 GPS接收機示意圖

1）天線單元:它是由接收天線和前置放大器組成。GPS接收機天線有:定向天線、偶極子天線、微帶天線、螺旋天線等。

2）接收單元:接收單元包括通道單元及計算和顯示單元兩部分。通道單元的主要功能是接收來自天線單元的信號，經過變頻放大、濾波等一系列處理過程，實現對GPS信號的跟蹤、鎖定、測量，提供計算位置的數據信息。

3 系統硬件設計

對整個GPS定位系統的硬件進行模塊化設計，主要關于GPS應用方面，能夠接收GPS信號，并能對接收信號進行處理顯示，可以提供完備的外部接口，方便智能儀器與其它設備連接，要能對誤差進行有效的控制，有提高精度的作用，系統要求體積小，移動方便，功耗低。

由于MSP430F449是具有強大處理能力的16位單片機，采用了精簡指令集結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns，這些特點保證了可編制出高效率的源程序。所以設計主要以MSP430F449微控制器為中心，利用GR-89 GPS接收模塊接收GPS信號，其可以同時追蹤二十顆星，由于在某些情況下，GPS接收模塊無法良好接收信號，以至系統無法處理顯示出方位的準確三維信息，所以再使用SCP1000壓力傳感器來定位出高度信息，這樣就能提高系統的整體精度。由于MSP430微控制器具有高達160段液晶驅動能力和超低功耗，適用于手持式智能儀器儀表的設計[4]。

圖3 系統結構圖

系統集成了USB、GPS、Temperature Sense和Pressure Sense的智能儀器。系統的結構框圖如圖3所示。其中，MSP430為中央處理器，POWER MANAGE為電源管理模塊，Flash是系統存儲模塊，USB和Bluetooth為信息傳輸模塊，KEY為鍵盤輸入模塊，LCM液晶顯示模塊，PS為壓力傳感器模塊，TS為溫度傳感器模塊。

由于本系統中對速度的要求不高，而且開發完整的USB與微控制器的接口需要大量的時間，在這里我們將簡化USB接口的設計，將UART中的數據利用轉換芯片轉換成USB的數據類型。采用FT8U232AM芯片，其提供了單片集成多功能數據傳輸解決方案。電路原理如圖4所示。

圖4 FT8U232AM電路原理圖

USB接口采用mini-B接口，電源VCC-BAR為4.75-5.25V,晶振為6MHz,芯片93C46是微芯（Microchip）公司產的1K串行EEPROM,操作電壓為5V。

GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。全球定位系統的主要特點：1）全天候；2）全球覆蓋；3）三維定速定時高精度；4）快速省時高效率：5）應用廣泛多功能[5]。

本設計采用GR-89 GPS接收模塊，該模塊采用SiRF GSC3F芯片技術，模塊功能圖如圖5所示。GR-89是一高性能的、低功耗、小尺寸的易集成的GPS模塊，非常適合于導航與定位服務，GR-89在減少體積和功耗時采用BGA封裝及高度集成化的電路達到優異的性能，系統可通過兩個RS-232進行雙向通信。

圖5 GR-89功能圖

依據GR-89模塊的引腳功能，且系統可通過兩個RS-232進行雙向通信。而且MSP430F449有兩個UART口。各個引腳接法如下：17（RF-IN）引腳接GPS天線，NRESET引腳接MSP430F449，作為GR-89的復位信號；兩個串行通信口分別接相應的UART；GPIO作為信號燈輸出端口；電源端應接小容量的獨立電容，以提高系統的抗干擾能力，未用到的接口懸空即可。這樣，GR-89模塊的電路原理圖如圖6所示。

圖6 GR-89電路原理圖

4 SCP1000壓力傳感器接口設計

壓力傳感器用來測定高度信息，以彌補GPS接收機在某些情況下，高度信息誤差較大的缺陷。這里我們采用SCP1000壓力傳感器，高精度氣壓傳感器，精確測量大氣壓，可適用于高度計等場合，全部高精度的數字輸出，可以應用于手表，無人機等需要測氣壓或者高度的場合。SCP1000-D01提供了高精度、高速、低功耗和超低功耗四種測量模式。其內部結構如圖7所示。

圖7 SCP1000-D01內部結構

SCP1000-D01采用了貼片式設計和ASIC封裝，功耗相當小，其工作電壓為2.4 V～3.3 V。電流最大僅為50μA，近乎于可以忽略不計。SCP1000-D01為圓形結構，直徑僅為6 mm。高度僅為1.7 mm。SCP1000-D01共有16個引腳.其中I/O型引腳7個，電源型引腳9個，與MSP430接口電路如圖8所示。

圖8 SCP1000-D01接口電路

5 電源管理模塊設計

電源管理模塊采用AME8801芯片，該系列AME8801/8840擁有很低的靜態電流和轉化電壓，從而使其很適合應用于電池電壓轉換，很節省空間的SOT-23-5封裝方式也很適合便攜的要求，AME8801/8840擁有電流過載保護和溫度過熱保護，從而使其在惡劣的環境下不至于損壞[6]。如圖9所示。

6 系統軟件設計

圖9 系統電源電路

隨著電子技術的日益發展，系統中軟件的作用在增加，系統功能的實現、性能的提升越來越依賴于軟件方面了，VHDL和Verilog HDL語言在EDA領域中的作用表明了這點。

圖10 GPS處理流程圖

在系統中我們采用模塊化設計的方法，其主要優點是提高代碼重復利用率、便于調試排錯和易于擴展。GR-89接口協議基于NMEA（National Marine Electronics Association），國際海洋電子協會）00183（Version 2.2），ASCII接口說明. GPS子程序的流程圖如圖10所示。

7 結論

本文設計了GPS定位系統，主要用于地點的三維定位，系統擁有的功能有目標的坐標定位，并通過壓力傳感器矯正高度坐標，帶有時間和溫度的顯示和存儲，并提供了流行的USB接口，方便了系統和其它設備相連，擴展了系統的功能和應用范圍，也可進行軟件的升級。系統分為硬件和軟件設計兩部分，硬件采用高度集成化的芯片和當今流行的SMT(貼片封裝)，使系統能減少體積.通過采用壓力傳感器SCP-1000改善了系統的精度，優化了結構。由于時間關系，系統中的USB芯片FT8U232AM是將串口轉換為USB數據格式，這也在一定程度上限制了系統的功能擴展。軟件方面，系統采用模塊化的設計方法，容易編寫和改寫，升級。

[1]付華,郭虹,徐耀松.智能儀器設計[M].國防工業出版社,2007.

[2]劉大杰,釋一民.全球定位系統(GPS)的原理與數據處理[M].同濟大學出版社,2003.

[3]張鳳舉,王寶山.GPS定位技術[M].煤炭工業出版社,1997.

[4]張念淮,江浩.USB總線接口開發指南[M].國防工業出版社,2002.

[5]干國強,邱致和.導航與定位-現代戰爭的北斗星[M].國防工業出版社,2000,5.

[6]Shyu.Automatic Working Vehicular System[M].US Patent,1990.

Design of global positioning system based on MSP430

LI Bin, JIA Wei, ZHAO Qi

本文介紹了全球衛星定位系統GPS的概念，設計了基于MSP430單片機的GPS定位系統，主要用于地點的三維定位，系統擁有的功能有目標的坐標定位，并通過壓力傳感器矯正高度坐標，帶有時間和溫度的顯示和存儲，并提供了流行的USB接口，方便了系統和其它設備相連，擴展了系統的功能和應用范圍，也可進行軟件的升級。

GPS；MSP430單片機；壓力傳感器

李斌（1979－），男，遼寧大連人，講師，博士研究生，主要從事新型電氣傳動技術方面的研究工作。

TP392

A

1009-0134(2010)06-0061-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.21

2009-08-18

國家自然科學基金項目（50874059）；國家自然科學基金項目（50677027）；教育部留學回國人員科研啟動基金（教外司留 [2005]383號）