GPS傳感器中數(shù)據(jù)解析電路的設(shè)計(jì)

賈海云，余 庚

(1.合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院，安徽合肥 230601；2.福州理工學(xué)院，福建福州 350506)

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，無人機(jī)正以獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)在民用以及軍用領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色。比如，當(dāng)前興起的共享電動(dòng)汽車和共享單車產(chǎn)業(yè)，出于防盜考慮，對(duì)移動(dòng)目標(biāo)即時(shí)導(dǎo)航定位越來越受到廠家的關(guān)注；當(dāng)下旅游業(yè)盛行的無人航拍機(jī)等實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位技術(shù)也受到消費(fèi)者的青睞。解決GPS的通信問題并使導(dǎo)航信息更加精準(zhǔn)可靠已然成為研究熱點(diǎn)。GPS因可提供定位、時(shí)間、高度、速度等豐富信息而成為無人機(jī)不可或缺的部分。無人機(jī)需要數(shù)據(jù)采集模塊與GPS接收機(jī)進(jìn)行通信,以完成導(dǎo)航信息的采集，而單片機(jī)便是扮演數(shù)據(jù)采集模塊的角色。本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)解析電路采用的是異步串行通信的方式，利用單片機(jī)與GPS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信并解析出所導(dǎo)航的信息。

1 系統(tǒng)原理

圖1 無人機(jī)GPS導(dǎo)航結(jié)構(gòu)

圖1為無人機(jī)GPS導(dǎo)航結(jié)構(gòu)圖。GPS即本次設(shè)計(jì)所指的GPS接收機(jī)傳感器，PIC16F877A單片機(jī)則對(duì)應(yīng)圖中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集模塊。將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給飛控CPU，飛控CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后再發(fā)給地面站。地面站的數(shù)據(jù)傳輸模塊收到信號(hào)后傳給MCU模塊。PC機(jī)通過RS232串行接口不斷采集MCU模塊數(shù)據(jù)并顯示同時(shí)判斷對(duì)比接收到的數(shù)據(jù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的導(dǎo)航。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

GPS通信系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的耗電僅50mA。本次設(shè)計(jì)采用PIC16F877A單片機(jī)[1]基于9600bps的波特率與GPS接收機(jī)進(jìn)行串行通信。其電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

2.1 GPS模塊

GPS接收機(jī)記錄GPS信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，再求出信號(hào)在無人機(jī)與衛(wèi)星間傳播的時(shí)間和載波相位差，進(jìn)而實(shí)時(shí)獲得導(dǎo)航數(shù)據(jù)，同時(shí)還可通過兩個(gè)串口與外部通信。如圖3所示，串口1為主串口(對(duì)應(yīng)TXA和RXA)全雙工模式，串口2為輔助串口(提供修正量，對(duì)應(yīng)TXB和RXB)半雙工模式。通過這兩個(gè)串口同外設(shè)連接,也可用軟件編程或硬件設(shè)置來配置串口特性。通過軟件編程配置串口的波特率為9600bps,利用串口1與單片機(jī)進(jìn)行通信。其6個(gè)管腳分別為TXB、GND、RXA、TXA、VDD、RXB。將GND、VDD分別接電源地和5V電壓，將TXA與單片機(jī)的RX相連,以建立GPS[2]接收機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊間的數(shù)據(jù)通信。

圖3 GPS模塊圖

圖4 單片機(jī)模塊圖

2.2 單片機(jī)模塊

為了使異步通信時(shí)獲得更穩(wěn)定的波特率9600bps，便于與GPS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，選擇11.0592MHz作為晶振。端口MCLR/VPP/TWV具有系統(tǒng)復(fù)位功能，如圖4所示。當(dāng)其為低電平時(shí)系統(tǒng)復(fù)位，R1為上拉電阻，使單片機(jī)在正常工作時(shí)，MCLR/VPP/TWV端口為高電平。按鍵S1為系統(tǒng)的復(fù)位鍵，按下時(shí)MCLR/VPP/TWV端口為低電平,即對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，R1、S1為單片機(jī)復(fù)位電路。VDD、VSS管腳分別接電源的正(+5)負(fù)(GND)極。

2.3 電源模塊

GPS接收機(jī)和PIC16F877A單片機(jī)的工作電壓均為5V，因此本設(shè)計(jì)的電源模塊采用LM7805集成穩(wěn)壓器，如圖5所示。LM7805具有三個(gè)管腳，分別為輸入端、公共端和輸出端。輸入端可接大于等于5V的直流電壓的正極，公共端接GND，輸出端便可得到穩(wěn)定的5V電壓。電容C3用于抵消導(dǎo)線傳輸引起的電感效應(yīng)。電容C4可改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。C4較大，在穩(wěn)壓器輸入端斷開時(shí)，C4會(huì)通過穩(wěn)壓器放電，易造成穩(wěn)壓器損壞。為此，接一只1N4007續(xù)流二極管起保護(hù)作用。電源開關(guān)鎖住時(shí)電源接通，反之電源斷開。LED燈是上電指示燈，當(dāng)它亮?xí)r說明已上電，電源接通；反之則電源模塊沒有提供工作電壓。

圖5 電源模塊圖

圖6 調(diào)試模塊圖

2.4 調(diào)試模塊

PIC16F877A單片機(jī)將接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后通過TX口輸出到PC調(diào)試，在PC上打開串口調(diào)試工具軟件即可顯示無人機(jī)導(dǎo)航到的GPS數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行驗(yàn)證。如圖6所示，單片機(jī)串口輸出的是TTL電平,而PC的串口電平是RS232標(biāo)準(zhǔn)電平：TTL電平是邏輯“0”為0V，邏輯“1”為5V或3.3V；RS232電平是邏輯“0”為3～15V，邏輯“1”為-3～-15V。為了使兩者的電平相匹配，采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平。MAX232接上所需的外圍器件：T1in腳與單片機(jī)的TX管腳相連，T1out接到串口座的第2管腳,串口座的第5管腳接電源地。

3 GPS數(shù)據(jù)解析格式

無人機(jī)需要的GPS數(shù)據(jù)有：經(jīng)緯度、速度、高度、時(shí)間、可用衛(wèi)星數(shù)。GPS接收機(jī)可提供$GPRMC、$GPGGA、$GPVTG等格式的GPS數(shù)據(jù)，從GPRMC數(shù)據(jù)中解析出經(jīng)緯度、時(shí)間數(shù)據(jù)；從GPVTG數(shù)據(jù)中解析出速度數(shù)據(jù)(公里/小時(shí))；從GPGGA數(shù)據(jù)中解析出可用衛(wèi)星數(shù)和高度數(shù)據(jù)(米)，然后從PIC單片機(jī)輸出三種GPS數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

3.1 C數(shù)據(jù)幀格式

C,<1>時(shí)<2>分<3>秒,<4>,<5>度<6>分,<7>,<8>度<9>分,<10>,<11>日<12>月<13>年<14>

各數(shù)據(jù)區(qū)的含義如下：

字母C為起始標(biāo)志符

<1>時(shí)間hh(GPS接收的是UTC時(shí)間。北京時(shí)間比UTC時(shí)間早8小時(shí)，此處是經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的北京時(shí)間)

<2>時(shí)間mm

<3>時(shí)間ss

<4>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位

<5>緯度dd

<6>緯度mm.mmm

<7>緯度半球N(北半球)或S(南半球)

<8>經(jīng)度ddd

<9>經(jīng)度mm.mmm

<10>經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))

<11>日期dd

<12>日期mm

<13>日期yy

<14>回車換行

3.2 S數(shù)據(jù)幀格式

S,<1>km/h<2>

各數(shù)據(jù)區(qū)的含義如下：

<1>速度(公里/小時(shí))

<2>回車換行

3.3 H數(shù)據(jù)幀格式

H,<1>個(gè),<2>m<3>

各數(shù)據(jù)區(qū)的含義如下：

<1>可用衛(wèi)星數(shù)

<2>高度(米)

<3>回車換行

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

圖7 數(shù)據(jù)解析流程圖

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)程序包括串口初始化程序、串口收發(fā)程序、數(shù)據(jù)處理程序。串口初始化程序?qū)IC16F877A的串口[3]通信相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置。串口收發(fā)程序以9600bps的波特率接收來自GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)并將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理程序處理的數(shù)據(jù)以同樣的波特率發(fā)送出去。數(shù)據(jù)處理程序指PIC16F877A把接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,獲得相應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù),并以新的格式封裝起來。相應(yīng)流程如圖7所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

本次測(cè)試點(diǎn)的經(jīng)緯度是東經(jīng)119度28分，北緯26度08分，平均海拔高度為幾十米。使用轎車模擬無人機(jī)進(jìn)行調(diào)試，除了無法效仿無人機(jī)變化的飛行高度外，其他數(shù)據(jù)參數(shù)的變化性均可高度模擬無人機(jī)。在轎車內(nèi)將設(shè)計(jì)的電路設(shè)備與PC[4]連接后，打開串口調(diào)試工具軟件,顯示來自PIC16F877A單片機(jī)發(fā)送的解析后的GPS數(shù)據(jù)。分別記錄同一時(shí)刻電子手表上的北京時(shí)間(精確到秒)與調(diào)試所得的北京時(shí)間(精確到0.001秒)，如表1所示。

轎車加速或以某個(gè)速度勻速行駛。選取表1的時(shí)刻對(duì)轎車儀表上顯示的速度值進(jìn)行記錄，如表2所示。調(diào)試所得數(shù)據(jù)如圖8所示。

表1 時(shí)間對(duì)照表

表2 時(shí)間與行速信息表

圖8 測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1相關(guān)數(shù)據(jù)可知，經(jīng)PIC16F877A解析得到的時(shí)間與調(diào)試所用的電子手表上的實(shí)際時(shí)間相符，驗(yàn)證了時(shí)間的正確性。表2里的5個(gè)時(shí)刻的速度值與圖8的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的速度值也非常接近，這說明PIC16F 877A單片機(jī)從GPS接收機(jī)上采集到的速度是準(zhǔn)確的。

從圖8可知，時(shí)間為11點(diǎn)15分43秒到11點(diǎn)15分53秒，調(diào)試地點(diǎn)的經(jīng)緯度為：北緯26度01分左右；東經(jīng)119度25分左右。可用衛(wèi)星數(shù)為9個(gè)，海拔高度為32～38米，速度為26～31km/h。其中，時(shí)間和經(jīng)緯度屬于C數(shù)據(jù)，可用衛(wèi)星數(shù)和海拔高度屬于H數(shù)據(jù)，速度屬于S數(shù)據(jù)。

根據(jù)調(diào)試地點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔高度信息及表1和表2所記錄的時(shí)間和速度數(shù)據(jù)，與圖8所示數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知調(diào)試值與實(shí)際值接近。

6 結(jié)語

在電路設(shè)計(jì)中，將PIC16F877A作為數(shù)據(jù)采集模塊，通過異步串行通信方式對(duì)無人機(jī)GPS導(dǎo)航到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。經(jīng)過實(shí)地測(cè)驗(yàn)，將收集到的幾組動(dòng)態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)解析后與實(shí)際數(shù)值比對(duì)均保持了高度的近似，證實(shí)了本次電路設(shè)計(jì)的正確性。該解析電路的GPS數(shù)據(jù)通信技術(shù)除了應(yīng)用在無人機(jī)[5]上,也可應(yīng)用到任何基于空間的作業(yè),如野外采樣、物流管理、智慧交通、公安巡邏等領(lǐng)域。

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