基于GPS的計算機數據采集處理系統設計

賈鑫

摘? 要： 針對GPS數據收集龐雜，數據處理繁復且不精準的問題，提出通過采用MSP430F149型號單片機，并且以PL2302芯片模塊設置虛擬串口，完成基于GPS的計算機數據采集處理系統設計。以GPS為基礎，通過計算機進行進一步的數據采集，系統克服了以往GPS系統數據處理慢、分析不夠準確的特點，同時進行了相應的實驗研究，證明通過該計算機系統進行的GPS數據信息處理更為精確迅捷，能夠廣泛應用于對GPS定位系統數據分析精準度要求較高的產品以及企業當中，對具體的生活生產具有實際意義。

關鍵詞： GPS導航系統; 計算機信息處理; MSP430F149單片機; 數據采集; 硬件設計; 虛擬串口

中圖分類號： TN967?34; TN915.04? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）21?0147?04

Design of computer data acquisition and processing system based on GPS

JIA Xin

（Changzhi University， Changzhi 046000， China）

Abstract： In view of the complicated and inaccurate GPS （global positioning system） data collection and data processing， a GPS based computer data acquisition and processing system is designed by using SCM MSP430F149 and setting the virtual serial port with chip module PL2302. On the basis of GPS， the data acquisition system designed with the computer system overcomes the deficiencies of slow data processing and inaccurate analysis of the previous GPS system. At the same time， corresponding experiments were conducted. The experimental results show that the GPS data information processing by using the computer system is more accurate and faster， can be widely used in products and enterprises that require high accuracy in GPS positioning system data analysis. Therefore， the design has practical significance to life and production.

Keywords： GPS navigation system; computer information processing; SCM MSP430F149; data acquisition; hardware design; virtual serial port

0? 引? 言

GPS（Global Positionging System）系統是一種通過空中衛星進行無線電式高精度化的全球性定位系統。GPS定位系統的特點是其能夠進行全方位、全天候、高精度的工作，工作性能不受天氣影響。由于上述優點，GPS定位系統普遍應用于遙感、導航、定位以及測距等各種領域。在科學技術不斷發展進步的過程當中，人們對GPS也有了更高的要求和期許。怎樣對GPS進行相應的優化，使GPS可進行更為復雜、精確的地形測量，并且對通過GPS收集的數據進行有效分析，成為具有極大研究意義的課題。通過嵌入式系統進行GPS相應的數據采集和地形測量工作，以MSP430F149單片機以及計算機為硬件基礎，同時進行相應人機交互界面的設計，對相關地理信息進行詳細顯示，以實現更好的計算機數據信息采集。

1? 系統總述

1.1? 整體系統介紹

設計采用德州儀器（TI）生產的MSP430系列的單片機，其具體型號為MSP430F149。該單片機具有功耗超低且硬件兼容性突出的優點。在系統具體設計當中，GPS對應的接收模塊負責接收相應的定位信息。信息接收完畢之后，相關的信息數據向單片機當中傳送。單片機接收數據，并對相應的數據信息進行分析和處理，而后在外接液晶屏上顯示相關信息，如海拔高度、經度、緯度以及時間等。同時，單片機的解析數據通過外部串口轉接至USB，與計算機進行連接并完成傳送。計算機將單片機收到的數據信息進行處理得到相應的高斯平面坐標。計算機處理完成后，將相應的高斯平面坐標、海拔高度以及經緯度進行顯示，方便用戶進行分析和處理。系統的整體流程圖如圖1所示。

1.2? GPS簡述及其工作原理

全球定位系統（GPS）主要由用戶部分、地面部分以及監控部分三個部分組成。其中，空間部分主要為GPS衛星，通常GPS衛星按照工作分工不同可以分為工作衛星以及試驗衛星兩大類。工作衛星能夠進行相互間的通信，同時具備進行AS以及SA的能力。試驗衛星是為了進行對應的實驗論證，為衛星系統能夠做出進一步的改進而發射的衛星。地面部分也是GPS衛星的控制部分，按其職能種類不同可以分為主控站、注入站以及監測站三種類型。主控站負責對地面監控系統的協調以及相關數據資料的分析，同時負責衛星軌道調整;注入站負責將主控站發出的指令通過天線發射到衛星;監測站負責GPS衛星信號的監測。用戶部分主要由四部分組成，包括微處理機、GPS接收機、用于數據處理的軟硬件以及相應的終端設備。

用戶通過其終端設備進行GPS信號的接收，同時按設備通過其軟硬件進行信號信息處理，以一定的精確度獲取用戶當前所在位置以及用戶移動速度，實現通過GPS為其導航的功能。利用GPS進行定位，其基本原理是依據衛星在高速運動時的瞬間位置為參考數據而計算的。對于用戶待測位置的確定，依據空間后方交匯的方式進行計算?？臻g后方交匯的方式通過3個以上非同一直線上的衛星點進行共線方程的計算，以確定對應待測點方位，其示意圖如圖2所示。

在圖2當中，地面用戶所持中斷的待測點設為[O（x，y，z）]，4個非同一直線的衛星點a，b，c，d的坐標分別為[xa，ya，za，xb，yb，zb，xc，yc，zc，xd，yd，zd]，設接收機收到GPS信號的時間為[Δt]，同時借助衛星對應的兩行軌道數據，不難得出以下方程式組：

[（xa-x）2+（ya-y）2+（za-z）2+c（vta-vt0）=da] （1）

[（xb-x）2+（yb-y）2+（zb-z）2+c（vtb-vt0）=db] （2）

[（xc-x）2+（yc-y）2+（zc-z）2+c（vtc-vt0）=dc] （3）

[（xd-x）2+（yd-y）2+（zd-z）2+c（vtd-vt0）=dd] （4）

式中：[da]，[db]，[dc]，[dd]分別表示衛星a、衛星b、衛星c、衛星d與接收機的空間距離，且：

[da=cΔta] （5）

[db=cΔtb] （6）

[dc=cΔtc] （7）

[dd=cΔtd] （8）

式中：[Δta，Δtb，Δtc，Δtd]分別表示接收機收到衛星a、衛星b、衛星c、衛星d所需要的時間;[vta，vtb，vtc，vtd]以及[vt0]分別表示衛星a、衛星b、衛星c、衛星d以及接收機所對應的鐘差，通過兩行軌道數據獲得;c表示光速，也即GPS的信號傳播速度。由以上方程組可以得出用戶待測點對應的坐標以及終端接收機對應的鐘差[vt0]。

1.3? NMEA 0183協議簡述

NMEA 0183協議是針對GPS全球衛星定位系統的一種標準RTCM協議，此協議對電子信號傳輸數據所需時間、傳輸過程的傳輸協議做出規范。其數據幀格式有以下幾種：RMC（最簡特性）、LCGLL（對應的地理信息當中含有LORAN ID）、PGRMT（狀態信息）、VTG（VTG速度對應的方向正北）、UTC（時間輸出）、PGRMV（對應的3D定位信息）、GGA（對應的位置信息）、GSA（對應的衛星活動以及GPS DOP）、LCVTG（對應的速度及軌道信息當中含有LORAN ID）、GSV（GPS衛星當前所處的狀態）。

在GPS全球衛星定位系統當中，將NMEA 0183協議作為特定的通信協議，同時對其串行口對應的通信參數做出以下要求：停止位應為1位，波特率應為4 800，沒有奇偶校驗位，且數據位應為8位。當GPS終端接收機開始工作時，GPS衛星將對應的定位導航數據傳送到GPS終端接收機，接收機接收數據后經由串口將其傳送到相關的計算機當中。這些傳送信息是不能直接使用的，需要對其進行分類并做出相關處理之后才能得到相應的信息。具體上，首先應當借助電腦程序對緩存字節流當中各個字段的信息進行提取，而后將所提取的信息轉化為可供使用的具有實際意義的導航定位數據。在對GPS做出信息數據的提取之前，首先應當明確對應的幀結構，而后以幀結構為依據提取出對應的定位信息。

在相應幀數據的確定上，通過ASCII碼“$”進行判斷，而后通過終端機接收字符進行信息類型的甄別與判斷。在進行相應的甄別之后，得到對應的定位信息和相關數據。設計中對以下數據信息包括海拔高度、經度、緯度以及時間進行分析處理，針對GPGGA以及GPRMC兩種情況。

2? GPS計算機數據采集系統硬件設計

2.1? GPS模塊電路以及MSP430F149單片機

GPS模塊電路采用NEO?5Q型號芯片作為主芯片。NEO?5Q芯片是由瑞士的u?blox公司生產的一款芯片模組，芯片是具有獨立性、多功能化的一種GPS模組。該芯片以ROM作為其基本架構，具備體積小、成本低等優點，同時由于其使用u?blox公司最新的相關技術，也即KickStart微弱信號攫取。因此無論是何種天線尺寸、天線位置，都能夠最大程度地保證最優的初始定位功能，且能夠做出相應的快速衛星定位處理。NEO?5Q芯片具有超過100萬個相關引擎，同時能夠接收50個相關通道衛星的數據信息，能夠對Galileo衛星導航系統以及GPS衛星導航系統進行同步追蹤。NEO?5Q芯片的外部接口較多，其中包括[I2C]，USB，UART以及SPI等各種接口，因此，在與ARM以及MSP430F149單片機等微型控制器的連接當中可以實現無縫對接，電路相對簡單。

MSP430F149單片機是由TI推出的新型單片機，其帶有FLASH且包含16位總線。MSP430F149單片機集成度高且極具性價比，是進行GPS計算機數據采集系統設計的合適選擇。由于其包含16位總線，同時內存與外設能夠進行統一的編址工作，因此尋址范圍能夠達到64 KB。MSP430F149單片機可以進行兩個儲存器位的外擴展，能夠實現中斷管理的統一化，且單片機的外圍模塊十分豐富。片內包含一個看門狗（watchdog）定時器，16位的定時器有2個，1個12位14路的模數轉換器（ADC），精密的硬件乘法器，P口有6個，USART的通信端口有2路，比較器有1個，DOC內部振蕩器有1個，外部時鐘有1個，同時能夠對8 MHz的時鐘進行支持。由于其帶有FLASH，因此單片機能夠執行在線下載以及調試，并且不需要借助其他仿真工具，JTAG口能夠直接與場效應晶體管（FET）進行連接，相對其他型號單片機更為方便實用。同時，單片機具有超低功耗的工作模式，能在最大程度上減少對人體以及工作環境的輻射，具有極強的抗電干擾性，具有工業化運行的普適性。

在設計當中，通過MSP430F149單片機對GPS模塊當中的導航定位信息數據進行提取和分析。通過串行接口進行相關信息的采集，信息采集后進行所需信息的選取。設計中需要采集的信息主要包括海拔高度、經度、緯度以及時間信息。NEO?5Q芯片模塊與單片機的硬件電路如圖3所示。

2.2? 串行口到USB接口的轉換電路

在MSP430F149單片機上對衛星導航信息進行采集、解析以及選取過后，最終選定的信息一部分傳送到計算機中進行顯示，另一部分在屏顯成本較低的12864液晶屏當中進行顯示。由于當下多數計算機沒有與之對應的串口，因此選擇通過設計虛擬串口的方式進行信息數據的傳輸。具體上，采用PL2302對USB接口進行對應的串口虛擬工作，PL2302對于USB 1.1協議完全遵從，能夠實現標準的RS 232串行口與USB接口之間的相互轉換。同時，PL2302芯片具備相對較快的信息數據傳輸速度，能夠使信息數據的傳輸效率得到大幅提升。串行口到USB接口之間的轉換電路圖如圖4所示。

3? GPS計算機數據采集處理系統軟件設計

3.1? GPS計算機數據采集處理系統簡述

GPS計算機數據采集處理系統在能夠對其采集的數據信息進行分析解析的同時，也能夠識別HDOP以及PDOP等各種誤差。同時，系統能夠評估衛星信號對應的強弱狀態，從而實現實時監控衛星實際運行狀況的功能。GPS數據采集處理系統輸出NEMA 0183協議的數據類型。其實現的具體過程可以表述如下：首先應當通過計算機串口（或通過PL2302芯片轉換的虛擬串口）進行已采集導航定位數據采集文件的接收。在數據文件完成接收之后，GPS數據采集處理系統對接收的數據文件進行相應的信息讀取，并且對已讀信息進行分析與篩選，然后將選取的信息文件傳輸到對應的顯示屏，用戶能夠通過顯示屏進行相應導航定位信息的讀取和使用。GPS計算機數據采集處理信息的流程圖如圖5所示。

3.2? 系統相關細節分析

GPS終端接收機主要負責將GPS衛星收集傳送到終端的信息做出處理與加工，并將對應的處理結果傳送到計算機。其具體的數據傳輸過程需要對應的串行口實現，同時GPS終端接收機的數據傳送也需要相關的串行口完成。但是在GPS終端接收機當中借助串行口傳輸數據時，信息數據還沒有進行進一步的加工處理，數據仍然是字節流的表現形式。通過串行口進行數據儲存時，數據信息儲存在特定的位置，但是此時無法對數據信息進行讀取。因此在進行GPS終端接收機向計算機傳送導航定位信息數據時，需要先對信息數據加工處理，待信息解析后可被讀取時才能夠向計算機傳輸信息數據。與此同時，對信息數據進行相應的甄別和篩選，在計算機當中呈現相應所需信息數據。在GPS數據處理信息系統當中，還應當注意在串行口執行數據提取時，要保證數據相匹配，從而保障信息的有效提取，以及高效性和準確性。

3.3? GPS計算機數據采集處理系統的實現

設計完成的GPS計算機數據采集處理系統對于MSP430F149單片機與計算機之間的傳輸方式主要采用通過PL2302芯片轉換完成后的虛擬串口進行傳輸。系統將MSP430F149單片機當中收集到的海拔高度、經度、緯度以及時間信息通過虛擬串口傳輸到計算機當中。計算機在收到信息之后，將其所得經度、緯度的參數值進行轉換，得到用戶待測點所在位置的高斯平面坐標。然后將數據信息傳送到對應的數據處理軟件，軟件需要設定相應的采樣速率，并且對數據做出解析，顯示原始數據與相應的轉換結果。同時，軟件還應當將所得數據進行打包儲存，通常儲存的文件格式為txt文本格式的文件。系統采用的用戶界面為標準化的圖形界面，同時顯示相應的聯機幫助選項。界面進行漢化處理，做直觀簡單的數據顯示，并給出相應的操作按鈕，方便用戶操作。功能模塊之間具備管理與配置的靈活性，能夠完成查詢相應的歷史記錄、信息數據的實時監控、信息結果的顯示與打印等功能。系統可以進行相關的采樣速率設置、端口的選擇以及周期性的數據分析功能。

4? GPS數據系統運行及結果分析

關于GPS計算機數據采集處理系統實驗主要通過虛擬數值輸入的方式進行。通過向單片機發送虛擬GPS空間衛星數值，驗證系統的可行性與精確性，其運行后的用戶界面如圖6所示。

運行結果表明，系統能夠準確分析GPS空間衛星傳輸的數據，并進行準確的數值顯示和相應結果實現。

5? 結? 語

本文通過對基于GPS的計算機信息處理系統的研究設計，實現了通過GPS的地面測量定位以及信息整合的功能，進一步提高了GPS定位的準確性、高效性以及普適性。研究主要對GPS導航定位做出進一步的優化，以保證能夠獲得更加直觀、快捷、實時的定位導航信息。

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