基于Proteus的GPS定位仿真實訓教學系統設計

朱志偉

（長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南長沙410004）

基于Proteus的GPS定位仿真實訓教學系統設計

朱志偉

（長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南長沙410004）

根據GPS定位原理和NMEA-0183協議，利用虛擬串口VSPD和虛擬GPS軟件，從教學的角度出發，在單片機仿真環境Proteus中實現了GPS定位系統。詳細地描述了系統的硬件電路、“$GPRMC”語句的解釋流程及仿真操作過程。

Proteus；GPS；仿真；NMEA-0183

GPS（Global Positioning System）全球定位系統已在實時導航、定位、授時等方面廣泛應用。在GPS原理與應用教學過程中，利用單片機仿真環境Proteus、虛擬串口VSPD以及虛擬GPS模塊共同構成GPS定位仿真實訓教學系統。不僅節約了傳統實驗教學過程中使用的設備和工具，而且可以仿真出一些在實際中很難得到的數據，從而加深對GPS原理的理解，提高了GPS仿真實訓教學系統的推廣價值。

1 GPS定位原理

GPS系統由3部分組成：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信號接收器）。每顆GPS衛星時刻發布其位置和時間數據信號，用戶接收器測量每顆衛星信號到接收器的時間延遲，根據信號傳輸速度就可以計算出接收器與不同衛星之間的距離。GPS定位原理如圖1所示，圖中的GPS接收器為當前要確定位置的設備。利用三顆以上衛星的已知空間位置，用空間距離交會法，可求得地面待定點（接收器）的位置。公式如下：

圖1 GPS定位原理示意圖

根據這些距離值，就可以推算出GPS接收器的定位信息，如經度、緯度、高度、速度、方向等。考慮到各種誤差的影響，為了達到定位精度要求，至少需要同步觀測4顆以上的衛星。

2 GPS定位系統仿真電路

GPS定位仿真實訓教學系統主要是基于51單片機、虛擬 GPS軟件Virtual GPS和虛擬串口軟件VSPD。系統仿真電路如圖2所示。在VSPD的作用下，GPS定位信息通過單片機串口接收，所接收的信息可來自帶串口輸出的GPS實物模塊，也可以來自Virtual GPS。單片機程序通過解析接收到的GPS信息，將當前時間、經度、緯度、速度及航向信息顯示在液晶屏上。圖2中顯示當前時間為12月8日3點46分41秒；當前位置為東經136度49.6541分，北緯79度5.0695分；當前速度為513千米/時；當前方位為偏正北26.79度。

圖2 GPS定位仿真電路

3 GPS定位信息的接收和解析

所設計的GPS定位仿真實訓教學系統暫不考慮與地圖數據庫連接，只對GPS接收模塊所輸出的定位信息進行解析，然后將時間、經度、緯度、速度與航向實時刷新顯示在液晶屏上，達到GPS定位初步應用的目的。

以帶串口輸出的GPS模塊ATK-NEO-6M為例，它遵守NMEA-0183協議。NMEA協議是為了在不同的GPS導航設備中建立統一的標準，由美國國家海洋電子協會制定。GPS接收模塊根據NMEA-0183協議的標準規范，將位置、速度等信息通過串口傳送出去。

NMEA-0183定義的協議語句比較多，本仿真實訓系統的主程序僅對“$GPRMC”協議語句進行解析。“$GPRMC”的所有數據均采用ASCII字符表示，數據傳輸以“$”開頭，以回車換行符（十六進制的0D和0A）結束；數據字段以逗號分隔識別；空字段保留逗號。

例 如 ：$GPRMC,034641.656,A,7905.069500,N, 13649.654167,E,277.06,26.79,081214,0,E,A*25。其中，$GPRMC為數據串頭，表示此協議語句為最簡定位語句；“034641.656”為UTC時間，格式為“時時分分秒秒.毫秒”；“A”表示接收正常，“V”則表示與衛星通信不正常；“7905.069500”表示緯度值；“N”表示北緯，“S”表示南緯；“13649.654167”表示經度值；“E”表示東經，“W”表示西經；“277.06”表示速度（單位為節，1節=1.852千米/小時）；“26.79”表示方位角，它的范圍為000.0-359.9度（相當于二維羅盤）；“081214”表示UTC日期，格式為“日日月月年年”；“0”表示磁偏角，范圍為000.0-180.0度；“E”表示地磁變化方向為東，“W”表示地磁變化方向為西；“A”表示自動模式，“D”表示差分模式，“N”表示數據無效；“25”是“$”和“*”之間的所有字符ASCII碼的異或結果的十六進制值。

解釋“$GPRMC”協議語句對應的程序代碼由串口中斷函數完成。首先將接收的字符與字符串“$GPRMC”中的字符逐一進行比對，如果完全相同，則繼續后面的解析操作，否則忽略本次解析，等待下一“$GPRMC”消息頭部的到來。串口中斷函數的處理流程如圖3所示。

圖3 串口中斷函數的處理流程圖

在實際的GPS應用中，可能并不會用到協議語句的全部信息，而是根據具體的需要，從中選取感興趣的信息。由于語句的長度是不固定的，因而分離有用的信息時，不能單純按照該信息在語句中所處的字符位置來查找，還要依據逗號個數來提取。

4 GPS定位仿真調試過程

Proteus目前還沒有GPS模塊的仿真模型，但可以利用自身的串口仿真功能來實現MCU與虛擬GPS軟件通信的仿真調試。詳細仿真電路如圖1所示。首先在計算機上利用虛擬串口軟件VSPD設置出2個互連的虛擬串口COM3和COM4，再啟動虛擬GPS軟件，將其串口設置為COM4，然后將Proteus中的串行接口仿真器件COMPIM設置為COM3。把它們的波特率都設置成9600bit/s后，仿真運行時，虛擬GPS軟件向單片機串口連續發送符合NMEA-0183協議的語句，如圖4所示。單片機的串口接收中斷函數對“$GPRMC”協議語句進行解釋，所解析出的定位信息等由液晶模塊顯示。

圖4 虛擬GPS軟件Virtual GPS發送定位信息

5 結束語

GPS定位仿真系統完整地展示了GPS定位數據的格式和應用開發過程，系統基本滿足了教學實踐的需要，為GPS定位仿真系統的研究與應用做出了積極的探索。

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[5]謝杰，侯博，石陽，等．GPS信號仿真器方案設計與實現[J]．計算機仿真，2012,(2)：36-39．

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TP274.2

A

1671-5136(2015)03-0139-03

2015-09-06

2015年度湖南省高等學校科學研究項目（編號：15C0079）.

朱志偉（1976-），男，湖南衡山人，長沙民政職業技術學院電子信息工程學院副教授、碩士。研究方向：嵌入式系統和電力電子技術。