基于MC20模塊的GPS/北斗定位系統的實驗設計

朱克武，林金妹，袁小放

（廣東食品藥品職業學院，廣州 510520）

0 引言

全球衛星導航系統主要有美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO。GPS導航系統是以全球24顆定位人造衛星為基礎，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統。中國的北斗衛星導航系統和美國的GPS導航系統一樣，同樣能夠在全球范圍內全天候為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具有短報文通信能力。GPS和北斗衛星導航系統除了應用在軍事方面以外，還廣泛應用于民用方面，如個人位置服務、氣象應用、道路交通管理、鐵路智能交通、海運和水運、航空運輸等方面，帶來了巨大的社會和經濟效益。

MC20模塊集成了GSM和GNSS（GPS+北斗）雙系統，在該模塊上進行AT指令的實驗教學，學生能夠加深對AT指令的理解，體驗GPS和北斗信息的采集過程，熟練掌握GPS和北斗信息采集和信息分析的方法，為GPS和北斗技術的廣泛應用和技術普及打下良好的基礎。

1 MC20模塊硬件組成

MC20模塊支持GSM和GNSS（GPS+北斗）雙系統定位，在網絡交互的同時，可使用的衛星數量更多，搜星的時間更短，加快GNSS系統的定位速度，提高定位精確。

圖1 MC20模塊硬件組成

MC20模塊如圖1所示，主要包括：電源、STM32微處理器、串口、SIM卡、MC20核心芯片、有源天線或無源天線幾個部分組成。

外接電源，電源（5V-12V），通過模塊內部的穩壓電路將外接電源降為5V，供模塊使用。上位機通過串口對模塊進行各種參數設置，主要是使用AT指令，完成GNSS數據的接收。SIM卡是一個裝有微處理器的芯片卡，用來連接中國移動或中國電信的無線網絡，如果沒有插入SIM卡，MC20模塊是連不上移動或電信的無線網絡的，MC20不能通過無線網絡接收或發送數據的，無法正常工作，因此，必須插入SIM卡，這樣才能夠將MC20采集的衛星信號通過無線網絡傳遞到指定的數據服務器。有源天線內部集成了接收天線模塊、低噪聲放大模塊、電源供給模塊，有源天線必須放在戶外或窗戶上，接收GPS或北斗的衛星信號，放在室內是不能接收GPS或北斗信號的。無源天線只包含接收天線模塊，優點是不需要外加電源將可以工作，結構簡單，成本低廉，技術成熟，占空體積小，適合于緊湊型空間的GPS導航產品、藍牙GPS、手機GPS等產品。如果設備與GPS接收模塊之間有一定的距離，如距離超過1米，這種情況下，只能選擇有源GPS天線。本模塊集成了有源天線和無源天線，便于用戶選擇其中的一個使用。單片機STM32微處理器是MC20模塊的核心控件之一，通過串口與上位機通訊，通過串口與MC20模塊進行通訊，接收GPS或北斗信號。MC20芯片是整個模塊的核心組件之一，采用聯發科最新推出的多功能通信定位芯片研制而成，內嵌豐富的網絡協議（如TCP、UDP、FTP、HTTP 等），還集成了多星座衛星系統（如GPS、北斗等），支持語言、短信、通話等功能，支持藍牙功能，能夠提供無線移動通信以及精準的導航定位功能。

2 MC20模塊的串口設計

本系統主要是通過串口來串聯上位機和下位機的。上位機和下位機使用串口連接，上位機向下位機發送AT指令，對MC20進行各種參數設置和控制，下位機將采集的數據發給上位機，供上位機使用。下位機的STM32 F103E微處理器使用一個串口和MC20的主串口相連，用于AT指令的發送、GPRS數據的傳輸、GNSS數據的傳輸。還可以使用MC20的輔助串口與微處理器相連，用于發送GNSS數據。

2.1 串口

單片機STM32 F103E微處理器內部有5路串口，在本系統的通信過程中，至少需要使用兩個串口，第三個串口可以使用，也可以不使用。第一個串口連接上位機，上位機通過串口，發送AT指令到STM32 F103E，上位機接收下位機的數據，用戶能夠及時判斷MC20模塊當前的狀態；第二路串口連接MC20的串口，這個串口是MC20的主串口，用于AT命令傳送、GPRS數據

2.2 串口助手和AATT指令

本系統使用串口進行通訊，因此，上位機必須要有一個串口模塊，負責串口通訊。串口通信有很多成熟的軟件，如SSCOM、XCOM等串口助手軟件。

SSCOM 3.3串口助手如圖2所示，左上角的區域為接收數據區，用來顯示串口接收的數據。右上角為“多條字符串定義”選項卡區域，由多個獨立的文本框組成，一個文本框存放一個字符串，文本框的后面的“數字”是按鈕，單擊“數字”，將文本框里面的字符串以字符的形式發送出去，文本框的前面是一個復選框，選中復選框，則文本框里面的數據以16進制的形式發送。“隱藏”按鈕是打開和關閉“多條字符串定義”選項卡窗口的。COM1是串口號，用戶根據實際連接的串口進行選擇。串口連接以后，一定要打開串口，才可以使用，否則，串口是不能使用的。串口一定要設置參數，默認數據位是8位，停止位是1位，無奇偶校驗位，串口參數的設置主要是波特率的設置，本模塊使用的波特率是115200。單擊“發送”按鈕，將下面的細長條文本框中的數據發送出去。最下面是串口發送、接收、串口是否打開等狀態信息。

將AT指令事先在“多條字符串定義”選項卡中填好，發送的時候，只需要單擊“數字”按鈕，就完成文本框中數據的發送，下次打開串口助手的時候，文本框中的數據會被保存，不用一條一條輸入，方便用戶使用。

AT指令的使用，MC20接收AT指令后，會對指令進行響應的處理，并返回處理的結果，如果返回“OK”，則表明沒有錯誤。傳輸，具有自適應波特率，多路復用等功能，通過主串口將AT指令傳送到MC20，由MC20進行解析，MC20采集的GNSS數據通過主串口傳輸到STM32 F103E。主串口還可以將TCP命令、UDP命令等網絡命令傳送給MC20模塊，MC20模塊通過移動網絡或聯通網絡，與遠程服務器連接，通過主串口進行數據傳輸，既能夠接收遠程服務器的數據，也可以發送數據到服務器，這樣，MC20模塊就具有和無線網絡通信的功能。第三路串口，這個串口可以使用，也可以不使用，MC20模塊有一個輔助串口，用于傳輸MC20采集的GPS和北斗信號的，主串口也是可以傳輸GPS和北斗信號的，將這個輔助串口和STM32 F103E的串口相連，可以實時傳輸GPS和北斗信號。

圖2 SSCOM 3.3串口助手

第一條指令必須是“AT”，如果返回“OK”，表明串口通訊正常，否則，需要檢查串口的設置，直到返回“OK”。“AT+QGNSSC=1”指令，開啟 GNSS 功能，PPS 指示燈點亮，開始定位工作。該命令只需要輸入一次，打開GNSS模塊電源，不需要反復輸入，否則，會反復給GNSS模塊供電，影響模塊的使用。“AT+CSQ”指令查詢當前網絡的信號強度。“AT+CPIN?”指令查詢是否有SIM卡，如果沒有SIM卡，則不能使用移動或聯通網絡。“AT+CREG?”指令查詢是否注冊GSM網絡，“AT+CGREG?”指令查詢是否注冊GPRS網絡，返回字符串中，有1，表明SIM卡是本地卡，有5，表明SIM卡是漫游卡。“AT+QICSGP=1,“CMNET””指令表明SIM卡使用的是移動網絡。“AT+QGNSSRD”指令是獲取GPS和北斗衛星信息的指令。如果前面的AT指令沒有返回錯誤，執行本條指令，就會采集到GPS和北斗信號。需要使用循環語句不斷發送這條AT指令，開始的一段時間，采集的GPS和北斗信號數據都是0，因為，天線還沒有接收到衛星信號，當衛星定位成功后，就能夠采集到數據，這個過程可能要幾十秒到幾分鐘，跟所處的環境、天線有關。

3 GNSS數據的分析

通過“AT+QGNSSRD”指令，獲取GPS和北斗衛星信息，包括：GNGGA（GPS定位信息）、GNRMC（推薦定位信息）、GPGSA（當前衛星信息）、GPGSV（可見GPS衛星信息）、BDGSV（可見北斗衛星信息）、GNGLL（定位地理信息）、GPVTG（地面速度信息）。

GPS和北斗的數據主要是經度、緯度、高度、速度、航向等。因此，主要分析GNGGA（GPS/北斗定位信息）、GNRMC（推薦定位信息）這兩條數據。

3.1 GNGGA 數據分析

GNGGA是GPS定位信息。數據格式為：$GNG?GA,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,（9）,（10）,（11）,（12）*hh。其中：$是接收數據的開始標記。GNGGA是GPS定位信息，各個數據之間使用逗號分割。后面的數據分別是：UTC時間、緯度、緯度半球（N為北緯，S為南緯）、經度、經度半球（E為東經，W為西經）、定位質量指示、使用衛星數量、水平精確度、天線離海平面的高度（海拔高度）、大地水準面高度、差分時間、差分參考基站標號。*是接收數據的結束標記。hh是校驗碼。

通過分割逗號，取出對應的數據。從GNGGA數據類型中，需要取出UTC時間、緯度、緯度半球、經度、經度半球、海拔高度。

3.2 GNRMC數據分析

GNRMC是推薦定位信息。數據格式：$GNRMC,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,（9）,（10）,（11）,（12）*hh。其中：$是接收數據的開始標記。GNRMC是推薦定位信息，各個數據之間使用逗號分割。后面的數據分別是：UTC時間、定位狀態（A為有效，V為無效定位）、緯度、緯度半球（N為北緯，S為南緯）、經度、經度半球（E為東經，W為西經）、地面速度、地面航向、UTC日期、磁偏角、磁偏角方向、模式指示。*是接收數據的結束標記。hh是校驗碼。

通過分割逗號，取出對應的數據。從GNRMC數據類型中，需要取出UTC時間、緯度、緯度半球、經度、經度半球、地面速度、UCT日期。

通過對GPS定位信息和推薦定位信息的分析，可以得到當前位置所在的緯度、經度、高度、速度、地面航向、日期、時間等關鍵數據，將這些數據應用到地圖服務器上，就可以在地圖上看見MC20模塊所在的位置，方向、速度等信息。

4 結語

隨著GPS、北斗衛星定位系統的廣泛使用和普及，培養學生掌握和運用衛星定位系統，顯得非常重要。通過對小車GPS定位系統的學習，讓學生能夠自己動手連接MC20模塊，掌握串口在GPS定位系統中的作用，通過串口助手的使用，讓學生熟練掌握AT指令，并能夠理解每一條AT指令的含義，根據AT指令的返回信息，判斷MC20模塊當前的工作狀態。通過對GPS和北斗數據的分析，加深對GPS和北斗數據的理解，通過程序設計，在一堆數據中，取出自己需要的數據，并能夠將這些數據應用到地圖服務器上，鍛煉了學生的編程能力。通過GPS定位系統的實踐教學，讓學生能夠掌握GPS的使用，達到了預期的教學目標，為社會培養大批GPS和北斗應用人才，推動了GPS和北斗衛星信息在各行各業的廣泛應用。