基于51單片機簡易GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計

高書陽

摘 要 GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，中文簡稱為“球位系”。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用十分廣泛，成為了人們生活中不可或缺的一部分。同時因其具有全球覆蓋以及精度高、定位速度快、實時性好、抗干擾能力強等特點，使其成為了迄今為止最好的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。本文詳細介紹了采用STC12C5A60S2單片機、GPS接收模塊、12864液晶顯示模塊等器件進行簡易GPS定位系統(tǒng)設(shè)計。首先介紹了此系統(tǒng)的研究前景和不同設(shè)計方案的優(yōu)缺點，具體闡述了系統(tǒng)的軟件設(shè)計、硬件設(shè)計等。

關(guān)鍵詞 GPS 單片機 定位系統(tǒng) 12864液晶屏 STC12C5A60S2

中圖分類號：TN8;TN2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）07-0001-18

1 緒論

1.1 課題背景及意義

人類首顆GPS試驗衛(wèi)星于1978年2月22日發(fā)射入軌，無線導(dǎo)航定位時代在導(dǎo)航衛(wèi)星這個動態(tài)已知點的基礎(chǔ)上就此開創(chuàng)。來自GPS衛(wèi)星的定位導(dǎo)航信號這類空間信息資源已成一種公共資源，能為全部用戶共享[1]。結(jié)合硬件的特點，對GPS接收模塊和STC12C5A60S2單片機之間串行通信實現(xiàn)的途徑進行了分析，GPS模塊發(fā)出數(shù)據(jù)經(jīng)由串口接收，且把所需數(shù)據(jù)從中過濾獲得，在經(jīng)過相應(yīng)處理后顯示特定的數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)可以在LCD顯示屏準(zhǔn)確顯示出時間、日期和用戶所在位置的經(jīng)緯度、速度等多種數(shù)據(jù)信息的效果。本文還通過硬件和軟件調(diào)試以及實驗仿真分析，進一步驗證了此系統(tǒng)的可靠性和精確性。它是一臺體積小巧、攜帶方便、可以獨立使用的全天候?qū)崟r的定位導(dǎo)航設(shè)備，具有非常強可擴展功能的實際應(yīng)用價值。在空中、海洋、陸地任一領(lǐng)域內(nèi)，僅需某種可測量、變換、跟蹤和接收GPS信號的一部接收機，運動平臺的3維、7維狀態(tài)參數(shù)便會被24小時全球全天候不間斷測量。其影響之大，用途之廣，把其它類型的無線接收設(shè)備遠遠甩在身后。而且，入軌運行的GPS衛(wèi)星同樣能提供全天候、全天時、高精度測量技術(shù)，并且可以進行全球氣象學(xué)、全球海洋學(xué)、載人航天學(xué)、天體力學(xué)、地球物理學(xué)、地球動力學(xué)、大地測量學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域?qū)嵺`。縱觀現(xiàn)狀，GPS技術(shù)有如下用途。

1.1.1 GPS技術(shù)的陸地應(yīng)用

該技術(shù)于電力工程勘測中和土地管理、林區(qū)生態(tài)工程的應(yīng)用;行政區(qū)域勘界、高精度時間比對和頻率控制、冷鏈物流運輸過程的應(yīng)用;智能交通系統(tǒng)應(yīng)用;地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用;建筑物變形監(jiān)測中的應(yīng)用;地表物質(zhì)遷移的時變重力場反演方法及其應(yīng)用;工程建設(shè)施工放樣測量等陸地上的諸多領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用極為廣泛。

1.1.2 GPS技術(shù)的海洋應(yīng)用

GPS技術(shù)在海洋方面有著非常重要的作用，對人類研究海洋提供了便利條件，比如：管制港口交通;測量無驗潮水深;檢測海洋災(zāi)難;測定海洋油氣田平臺復(fù)位與就位;建立海洋大地控制網(wǎng)，遠洋船舶的最佳航線測定及實時調(diào)度和監(jiān)測;測量海底管道鋪設(shè);無人監(jiān)測船遠程控制系統(tǒng);光電掃描式成像跟蹤系統(tǒng)GPS定位;高頻地波雷達海洋動力學(xué)參數(shù)反演與應(yīng)用;布測海底大地測量控制網(wǎng);小型多參數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng);精細測量海底地形;港口工程施工定位技術(shù)應(yīng)用;定點測定海損事故或海洋糾紛;海洋救援及海底沉船位置的精確探測;鋼板樁施打作業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用GPS定位技術(shù)等。

1.1.3 GPS技術(shù)的航空航天應(yīng)用

GPS技術(shù)在航空航天方面應(yīng)用有著非常重要地位，具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在：測量對地觀測衛(wèi)星3維、7維狀態(tài)參數(shù);自主導(dǎo)航民用航空器;星載GPS遮掩天體體積以及大氣參數(shù)測量;測量重力與航空攝影參數(shù);載入航天器在軌防護探測;航空護林;航天航空飛行器精密著陸;測量衛(wèi)星回收與衛(wèi)星入軌實時點位;飛行器空中加油控制;地面數(shù)據(jù)處理技術(shù)、方法與應(yīng)用（航空遙感數(shù)字傳感器）;飛行器探測災(zāi)區(qū)范圍與標(biāo)定測量;戰(zhàn)隊機軍事作戰(zhàn)控制;航空救援搜索及其定位測量;低軌道通訊衛(wèi)星群的實時軌道測量;GPS時鐘同步機制及其民航空管系統(tǒng);機載地球物理勘探[2]。

由此可見，GPS技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域，對人類的進步發(fā)展探索起到巨大作用。但是前述最基本應(yīng)運條件的實現(xiàn)必須要有可以進行GPS信號接收且同時可以進行調(diào)制輸出的設(shè)施，把UTC標(biāo)準(zhǔn)時間、當(dāng)時所處位置經(jīng)緯度顯示出來是此類設(shè)備的最基本功能，如何準(zhǔn)確接收、調(diào)制輸出GPS信號，是此項技術(shù)的關(guān)鍵，同時，當(dāng)時所處部位的時間、緯度、經(jīng)度能否精確的顯示同樣事關(guān)此類技術(shù)的實用價值大小。當(dāng)前，以此類GPS技術(shù)及其基本功能為前提而研發(fā)的GPS導(dǎo)航設(shè)備、GPS手持機等產(chǎn)品種類眾多。這項技術(shù)的優(yōu)勢表現(xiàn)在可擴展性好、功能強大等，不足之處表現(xiàn)在電路復(fù)雜、費用過高等。課題論文擬把以單片機為基礎(chǔ)的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計成功。具備實用價值、廉價、基本性能完備等是本次課題的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 論文主要內(nèi)容

以單片機、GPS理論為前提，把相應(yīng)的單片機選擇出來，進行GPS接收模塊接收數(shù)據(jù)的提取，且把所需特定的數(shù)據(jù)從中過濾獲得、適當(dāng)處理，直至能夠?qū)⒂脩羲幉课凰俣取⒔?jīng)緯度數(shù)據(jù)以及日期、時間準(zhǔn)確顯示出來。這就是本次課題論文的主要設(shè)計目標(biāo)。

本次設(shè)計除對所選LCD顯示功能、單片機基本引腳功能、GPS接收模塊性能指標(biāo)要求研發(fā)人員熟悉以外，NMEA封包同樣需要把握，而且NMEA輸出命令的使用技術(shù)也要掌握，以此和單片機的有關(guān)知識結(jié)合，實現(xiàn)GPS捕獲的衛(wèi)星信息提取，且選擇性的在液晶顯示器進行相關(guān)數(shù)據(jù)顯示。完成設(shè)計之后，通過Proteus軟件來對其性能展開仿真測試。

2 GPS定位系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 GPS全球定位系統(tǒng)簡介

基于對民用實時連續(xù)三維導(dǎo)航、軍事用途等現(xiàn)代社會發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)的滿足所需，在“午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)基礎(chǔ)上，美國于1973年組織其軍事機構(gòu)進一步共同研究和建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[3]，具有全球性、全能性、全天時性優(yōu)勢的導(dǎo)航定位、定時、測速系統(tǒng)，即通常所說的“全球定位系統(tǒng)”（Global Positioning System），簡稱GPS定位系統(tǒng)。情報收集是GPS技術(shù)研發(fā)的初始意圖，無漏洞、實時、全天候的把有關(guān)導(dǎo)航服務(wù)提供給空中、海上以及陸地等各個領(lǐng)域是其當(dāng)前基本目標(biāo)。同時，應(yīng)急通訊、核爆監(jiān)測、情報收集以及應(yīng)急通信、實時監(jiān)測核武器動向等軍事目標(biāo)同樣是其服務(wù)范疇。

以下就是GPS（全球定位系統(tǒng)）的基本組成部分：

1.由均勻散布于3大洋的美軍基地及美國本土的監(jiān)控站（5個）、在主控站控制下把尋電文注入衛(wèi)星的注入站-地面天線（3個）、主要對地面綜合控制系統(tǒng)司職協(xié)調(diào)和管理的工作主控站（1個）構(gòu)成的地面監(jiān)控系統(tǒng)[4]。

2.由3顆備用衛(wèi)星、21顆工作衛(wèi)星構(gòu)建而成的空間衛(wèi)星系統(tǒng)。在六個軌道面中的各軌道面均勻分布著3至4顆工作衛(wèi)星。地球赤道平面和各軌道平面二者之間有55度傾角，其中各軌道平面中的每個衛(wèi)星升交角存在90度距差。各個軌道面升交點赤徑之間有60度相差。而軌道高度均值在20200公里左右。對比西邊毗鄰軌道衛(wèi)星來說，每個軌道衛(wèi)星會有30度超前，11小時58分是各個衛(wèi)星的循環(huán)運行周期[5]。該系統(tǒng)事實上有24顆以上衛(wèi)星，這讓損壞、老化衛(wèi)星能及時、便利的更換，以此來確保系統(tǒng)可以運行平穩(wěn)。任意地點或任一時刻，該系統(tǒng)均能通過至少四顆衛(wèi)星來服務(wù)使用者，有時甚而至于會有多達十一顆，就此把實時、連續(xù)定位與導(dǎo)航實現(xiàn)[6]。

3.由計算設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件、衛(wèi)星天線、GPS衛(wèi)星接收機構(gòu)成的用戶接收系統(tǒng)。衛(wèi)星射電干涉測量、多普勒測量、載波相位測量、偽距測量等是GPS定位的基本辦法（GPS用戶接收系統(tǒng)如圖1所示）。

GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)三大部分之間的相互關(guān)系如圖2所示。全球GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)其主要特點如下：

（1）全天候;

（2）全球性覆蓋;

（3）三維定時定速高精度、自動化高效益;

（4）快速省時高效率，觀測時間短;

（5）全能性、操作簡便。

2.2 GPS信號接收方案選擇

要在液晶顯示屏顯示出GPS定位數(shù)據(jù)信息，關(guān)鍵技術(shù)問題就是要實現(xiàn)GPS信號的接收，目前有兩種選擇方案來實現(xiàn)GPS信號的接收：

方案一：GPS接收芯片先行確定完成，隨之以芯片有關(guān)設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，進行安裝天線、外圍電路等的設(shè)計，把1個獨立模塊做成。對GPS芯片原理的了解、設(shè)計該系統(tǒng)接收部分硬件電路技術(shù)的把握等是選擇此方案的基本出發(fā)點，不過其缺點也是顯而易見的，首先自己動手焊接設(shè)計它的外圍電路麻煩，實現(xiàn)難度大，易出現(xiàn)引腳脫焊虛焊問題，其次由于GPS接收芯片一般都是廠商直接供貨，單獨采購價格會很高。

方案二：選擇市場上口碑較好的GPS集成模塊，選擇此方案的優(yōu)點就是在這個信息現(xiàn)代化的時代的GPS接收模塊的制造技術(shù)已經(jīng)相非常成熟，并且性能穩(wěn)定，使用也十分方便，定位成功接收到衛(wèi)星信號后就可以直接通過模塊輸出GPS相關(guān)信息，并通過單片機解析和封包數(shù)據(jù)成功的可以顯示在LCD顯示屏上。并且在經(jīng)過大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)后，它價格已經(jīng)可以被我們所接受，一般幾十到一百多元不等，這樣的模塊在市面上也能夠很容易的購買到。

分析上面兩種方案的優(yōu)缺點，選擇合適的GPS接收模塊就能夠比較好的作為本次設(shè)計簡易單片機GPS定位系統(tǒng)的解決方案，因此我選擇第二種方案來完成本次GPS定位系統(tǒng)設(shè)計。

2.3 GPS接收模塊的研究

系統(tǒng)重點在于GPS接收模塊，其性能、功能都不相同，型號也有許多種，通常都是由外置和內(nèi)置天線、儲存器、CPU（處理器）、低噪聲下變頻器、并行信號通道等設(shè)備構(gòu)成其基本架構(gòu)。

GPS接收模塊通過它的接收天線捕捉到衛(wèi)星信號后，再經(jīng)過變頻、放大、濾波、載波相位、混頻、測量偽距等一系列處理，便可以實現(xiàn)在保證天線接收范圍內(nèi)對衛(wèi)星的信號進行跟蹤、鎖定和測量、解調(diào)，并將這些電信號轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航電文。衛(wèi)星有關(guān)位置信息獲取以及信號的傳播時間測算完成后，便能以有關(guān)理論公式為依據(jù)把天線的位置計算出來。此時用戶可以通過輸入和輸出、I/O串行接口，與GPS接收模塊之間進行數(shù)據(jù)信息傳送，從而實現(xiàn)預(yù)期功能-GPS定位顯示功能。GPS接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

經(jīng)由單片機對于GPS定位系統(tǒng)內(nèi)接收模塊的控制，來把簡單的定位功能實現(xiàn)，這是課題設(shè)計的基本標(biāo)準(zhǔn)。因此，編程控制采用的是STC12C5A60S2單片機，采用SiRF StarII GPS芯片為核心的接收模塊來接收GPS衛(wèi)星信號，且所需定位數(shù)據(jù)方面的相關(guān)信息主要是經(jīng)由軟件編程keil c51來進行篩選、解析，最終再經(jīng)由單片機上的并行接口來把其向液晶顯示屏進行傳輸，就此把有關(guān)的定位信息顯示出來。該單片機GPS定位系統(tǒng)硬件部分主要由以下幾個部分組成：

（1）接收部分：以SiRF StarII GPS芯片接收模塊為核心的GPSOEM模塊;

（2）控制電路：由STC12C5A60S2單片機來編程控制;

（3）顯示部分：LCD12864液晶顯示模塊;

（4）電源電路部分：采用USB供電，大約5V左右可以保證系統(tǒng)正常供電。

外圍電路：由以下2部分構(gòu)成：其一，液晶顯示模塊（LCD12864）內(nèi)的顯示電路、電源電路;其二，GPS定位系統(tǒng)內(nèi)的接收模塊、其它電路。SiRF StarII GPS接收模塊主要由變頻器、信號通道、存儲器、CPU和I/O接口構(gòu)成。它通過天線接收獲取GPS衛(wèi)星信號，再經(jīng)過變頻、放大、濾波、載波相位、混頻、測量偽距等一系列處理，便可以實現(xiàn)對在保證天線接收范圍內(nèi)對衛(wèi)星的信號進行跟蹤、鎖定和測量、解調(diào)。

單片機控制部分：經(jīng)由NMEA-0183語句數(shù)據(jù)（來自GPS接收模塊）來選擇、處理所收到的GPS數(shù)據(jù)，進行程序編寫，初始化單片機控制系統(tǒng)，對GPS接收模塊進行控制，把采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息的工作完成，處理有關(guān)信號，且將時間、經(jīng)緯度、相關(guān)位置等數(shù)據(jù)信息經(jīng)由單片機的輸出接口向LCD顯示模塊輸送，并進行顯示。

由此以上可知：SiRF StarII GPS接收模塊將獲取到的GPS衛(wèi)星電信號轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航電文，進行解碼調(diào)制，且向標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183格式轉(zhuǎn)換完成，再向單片機傳送，由其展示處理，如果導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)信息（來自GPS）被單片機收到，其將會就上進行識別性的篩選，且把篩選所獲數(shù)據(jù)向LCD顯示模塊傳送，并把預(yù)設(shè)的定位信息顯示出來。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)

以總體設(shè)計規(guī)劃為依據(jù)，顯示部分（LCD12864液晶顯示模塊）、控制部分（STC12C5A60S2單片機）、以SiRF StarII芯片基礎(chǔ)的GPS接收模塊和外置車載天線的GPS信號接收部分這三大部分構(gòu)成了硬件電路，其大體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3.2 硬件電路功能設(shè)計介紹

3.2.1 STC12C5A60S2簡介

STC制造的機器周期（1T）/單時鐘單片機——STC12C5A 60S2系列單片機屬于8051增強型新型單片機，這種增強型新型單片機具有超強抗干擾、低功耗、高速等特征，傳統(tǒng)的8051指令代碼其能夠全面兼容，而且速度是其8-12倍。其內(nèi)部集成MAX810特有的復(fù)位電路（外部晶體12MHZ以上時，復(fù)位腳可接1000歐姆電阻接地）。且將八路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（25萬次/秒，即250K/s）、PWM（2路）、MAX810專用復(fù)位電路集于一體，可過用于控制電機及其它強干擾場合。在Keil C51開發(fā)環(huán)境中，選擇Intel 8052編譯，頭文件包含即可。

STC12C5A60S2系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。外部晶體振蕩電路、片內(nèi)R/C振蕩器、PCA、SPI接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、串口2、I/O接口、UART串口、定時/計數(shù)器、SRAM（數(shù)據(jù)存儲器）、Flash（程序存儲器）、CPU（中央處理器）等是STC12C5A60S2單片機中的基本模塊。采集、控制數(shù)據(jù)方面的全部單元模塊基本上全涵蓋于這個系列單片機內(nèi)，因而也能將其當(dāng)成片上系統(tǒng)。

STC12C5A60S2引腳如圖6所示。

3.2.2 STC12C5A60S2主要性能

· 高速：1個時鐘/機器周期，增型8051內(nèi)核，速度比普通8051快6～12倍。

· 寬電壓：5.5～4.0V，2.1～3.6V（STC12LE5A60S2系列）。

· 增添P4.6（極為可靠的復(fù)位，能對復(fù)位門檻電壓進行調(diào)整，如果頻率不足12MHz，這個功能并不需要）/第2復(fù)位功能腳。

· 增加外部掉電檢測電路/P4.6，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)存進EEPROM，低功耗設(shè)計：空閑模式（可由任一個中斷喚醒）。

· 支持掉電喚醒的引腳：P3.2/，P3.3/，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，P1.3/CCP0（或P4.2/CCP0），P1.4/CCP1（或P4.3/CCP1），EX_LVD/P4.6。

· 工作頻率：0～35MHz，相當(dāng)于普通8051：0～420MHz。

· 時鐘：可選擇的R/C振蕩器（內(nèi)部）、外部晶體，于ISP下載編程用戶程序過程中進行設(shè)計。

· 8/16/32/40/48/56/60/62K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上。

· 1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器。

· 獨立波特率發(fā)生器。

· SPI高速同步串行通信接口。

· 可編程時鐘輸出功能（在P1.0，WDT（時鐘硬件看門狗）被BRT輸出;在P3.5，T把時鐘輸出;在P3.4，T0把時鐘輸出）。

· 通用I/O口（36/40/44個），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置為只是高阻/輸入，各I/O口驅(qū)動能力開漏都能實現(xiàn)20毫安，強上拉/強推免，弱上拉/準(zhǔn)雙向口這幾種模式。芯片整體控制在120毫安內(nèi)為宜。

（1）時鐘電路

外部晶體時鐘、內(nèi)部R/C振蕩時鐘是STC12C5A60S2系列單片機的2個時鐘源，外部晶體時鐘是當(dāng)前產(chǎn)品的出廠標(biāo)配。8MHz-12MHz是3V單片機的常溫頻率，11-17MHz是5V單片機芯片內(nèi)的R/C振蕩器常溫頻率，因為隨著溫度的變化，內(nèi)部溫度的變化，內(nèi)部R/C振蕩器的頻率會有一些溫飄，再加上制造誤差，故內(nèi)部R/C振蕩器只適用于對時鐘頻率要對不敏感的場合。

圖7所示即為內(nèi)部時鐘電路。定時元件（大多由電容、石英晶體構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路充當(dāng)）外接于TXD、RXD引腳，自激振蕩就此在內(nèi)部振蕩器中形成。宜于5pF-30pF區(qū)間內(nèi)挑選電容值，于1.2MHz-12MHz區(qū)間內(nèi)挑選晶體振蕩頻率，頻率將會因為電容值的大小而被其微調(diào)。

圖8所示即為外部時鐘電路。其中TXD引腳接外部振蕩器、RXD引腳接地。只要保持住脈沖的寬度就行，并無特殊的外部振蕩信號標(biāo)準(zhǔn)，方波信號通常控制在12MHz內(nèi)。振蕩頻率被片中的時鐘發(fā)生器2分頻，P1、P2兩相時鐘會就此形成，且服務(wù)單片機運行。

（2）復(fù)位功能

單片初始化操作就是此處所說的復(fù)位涵義。將PC初始化成0000H，讓單片機的程序執(zhí)行由0000H單元開始，這是復(fù)位的主要功能。正常的系統(tǒng)初始化操作之外，如果因為操作錯誤、程序運行出錯等讓系統(tǒng)死鎖，基于困境擺脫所需，同樣必須通過復(fù)位鍵來進行重新啟動[7]。看門狗復(fù)位，MAX810專用復(fù)位電路或者掉電復(fù)位/上電復(fù)位（并可選擇200毫秒延時復(fù)位增加額外，即于上電復(fù)位之后再進行一次復(fù)位延時200毫秒增加操作），軟件復(fù)位，外部低壓檢測復(fù)位（增設(shè)第2復(fù)位功能腳RST2復(fù)位，實現(xiàn)外部可調(diào)復(fù)位門檻電壓復(fù)位），外部RST引腳復(fù)位等屬于STC12C5A60S2系列單片機的幾類復(fù)位形式。

（3）復(fù)位電路

當(dāng)時鐘頻率高于12MHZ時，建議使用第二復(fù)位功能引腳（RST2/EX_LVD/P4.6口），這樣可利用增加的外部低壓檢測LVD功能作為外部低壓復(fù)位腳（如電路圖9和典型線路圖10所示）。

7805（穩(wěn)壓塊）后端有5V直流電壓，當(dāng)其降至約4V（如圖10所示），R1、R2這2個電阻會把4V附近電壓向不足1.33V（低壓檢測門檻電壓）周圍分壓，此時，CPU將會被RST2這個第2復(fù)位功能腳置于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)穩(wěn)壓塊7805后端的直流電壓高于4V時，圖中的電阻R1和R2將4V的電壓分壓到高于低壓檢測門檻電壓（1.33V附近），單片機就解除復(fù)位狀態(tài)，恢復(fù)到正常工作狀態(tài)上，典型線路如圖11所示。

3.2.2 SiRFStarIIGPS信號接收模塊

該設(shè)計中GPS信號接收模塊是以SiRF StarII GPS芯片為核心的模塊，該芯片是由美國瑟孚科技有限公司所生產(chǎn)的第二代芯片。它具有12通道并行接收能力，其所接收的GPS信號屬于民用頻段的L1信號，大約為1575.42MHz，在沒有Selective Availability干擾的情況下，它的動態(tài)速度誤差是每秒0.1米，其平均定位誤差為10m，信號靈敏度能至-142dBm，熱啟動時間是38秒，冷啟動定位時間是42秒，即使是二次定位，時間方面同樣只需8秒，該模塊主要引腳如圖12所示。

引腳備注：TXD端口是2號管腳，一般連接外振蕩器;電源輸入端是3號管腳，外接電壓通常約是+5V;GND端口是1號管腳，用于接地。該GPS信號接收模塊的正常工作電流約為75mA。其正常工作電壓約為3V左右。

GSP2e把2個UART、GPS接收機外部設(shè)備、高精度實時時鐘、1MbEDODRAM、內(nèi)外部獨立總線、ARM7CPU（50MHz1個）、增強型GPS內(nèi)核（1個）集于一體;數(shù)字接口、集成LNA、IF（集成中頻濾波器）、基準(zhǔn)振蕩器、片內(nèi)壓控振蕩器等則構(gòu)成了GRF2i。當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)很方便集成進GSW2模塊化軟件，且可以進行功能強大的開發(fā)條件保障。

WGS-84為地圖坐標(biāo)系，地理信息采集更新速率是1次/2s，NMEA-0183是GPS輸出數(shù)據(jù)的格式標(biāo)準(zhǔn)[8]。SiRF StarII主要特征如表1所示。

為了有更好的信號接收效果，本設(shè)計采用ROHS認證通過的車載天線，該天線接收信號好，穩(wěn)定性好，模塊和天線實物圖如圖13所示，GPS天線參數(shù)如下表2所示。

3.2.3 LCD12864液晶顯示模塊介紹

（1）液晶顯示模塊

本設(shè)計采用LCD12864液晶顯示模，具有多種功能，通過液晶顯示模塊中引腳4、5、6分別與單片機引腳P25、26、27相連，進行數(shù)據(jù)信息傳送，接收單片機控制器傳送的信息，顯示在顯示屏上面，展現(xiàn)出GPS定位信息。并且本設(shè)計中R2是可調(diào)節(jié)電阻，可以實現(xiàn)對顯示屏的亮度進行調(diào)節(jié)，以便滿足用戶需要，12864液晶顯示模塊引腳電路圖和實物圖如圖14所示。

（2）LCD12864有20個引腳，說明如表3所示

液晶硬件接口：

1.邏輯工作電壓（VDD）：4.5～5.5V;

2.電源地（GND）：0V;

3.工作溫度（Ta）：0～60℃（常溫）/-20～75℃（寬溫）;

4.模塊有并行和串行兩種接法。

3.2.4 硬件外圍電路構(gòu)造

（1）電源電路

系統(tǒng)采用+5V電壓供電，可接USB或者電池夾，S1為自鎖開關(guān)。P1為DC電源口，電源部分電路圖和實物圖如圖15所示。

（2）復(fù)位電路

本設(shè)計采用10uF電容、10K電阻構(gòu)成，接單片機引腳9RST，構(gòu)成復(fù)位電路，當(dāng)按下開關(guān)時，電容被短路，電容開始放電，R1端電壓變高，RST處于高電平，松開開關(guān)時，電容開始充電，R1端電壓為0，RST處于低電平狀態(tài)，正常工作，實現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位電路圖和實物圖如16所示。

（3）串口通訊

本設(shè)計配有串口數(shù)據(jù)通信口，可實現(xiàn)串口通信，實現(xiàn)I/O功能，支持修改程序，采用ISP下載工具燒錄，引腳3接單片RXD腳，為數(shù)據(jù)接收端，引腳2接TXD腳，為數(shù)據(jù)發(fā)送端（電路圖和實物圖如圖17所示）。

（3）時鐘電路

本設(shè)計采用12M晶振，兩個20uF電容，構(gòu)成時鐘電路，接單片機XTAL1、XTAL2腳，構(gòu)成時鐘電路，保證時序穩(wěn)定，單片機正常工作（時鐘電路圖和實物圖如圖18所示）。

（4）濾波電路

濾波電路由一個104電容連接單片機電源引腳VCC組成，作用是濾出外界輻射的高頻干擾和濾出單片機工作時自身產(chǎn)生的脈沖干擾，因為開和關(guān)瞬間會產(chǎn)生一個很高的尖峰，如果沒有一個電容，則這個信號會傳送到整個板子上，干擾其他器件工作（電路圖和實物圖如圖19所示）。

3.3 硬件連接圖

整個硬件設(shè)計由單片機STC12C5A60S2、GPS信號接收模塊、LCD12864液晶顯示模塊、電源和一些外圍電路組成。

4 基于單片機的GPS軟件設(shè)計

4.1 NMEA-0183數(shù)據(jù)格式

本文采用NMEA對GPS導(dǎo)航信息進行封包，NMEA-0183是海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。0180、0182這兩個既有的標(biāo)準(zhǔn)格式是其制定的基礎(chǔ)，GPS接收機所輸出的相關(guān)內(nèi)容是NMEA-0183的增加內(nèi)容部分，目前的GPS接收機領(lǐng)域內(nèi)，除了早期的一小部分GPS接收機之外，差不多已經(jīng)全部運用了這一格式。把RTCM的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建立于各種GPS導(dǎo)航設(shè)備內(nèi)是這個協(xié)議的功能。全面運用此類格式能顯著提升GPS接收模塊互換性、通用性。

基本命令格式如下：

（1）“$”：幀命令起始位;

（2）地址域：aaccc，aa是識別符，ccc是語句名;

（3）ddd…ddd：數(shù)據(jù);

（4）“*”：校驗和前綴;

（5）hh：check sum（校驗和），也即*、$二者之間的全部字符ASCII碼校驗和（異或運算所有字節(jié)之后，就此把校驗和獲得，隨后就此進行十六進制格式ASCII字符轉(zhuǎn)換。）

（6）：CR（Carriage Return）+LF（Line Feed）幀結(jié)束，回車和換行。

4.1.1 輸入語句

這些語句是GPS接收機可以接受的語句。一般情況下初始化信息語句為PGRMI，其結(jié)構(gòu)為：$GPRMI，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>*hh。

<1>緯度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）;

<2>緯度半球N（北半球）或S（南半球）;

<3>經(jīng)度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也將被傳輸）;

<4>經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）;

<5>UTC日期，ddmmyy（日月年）格式;

<6>UTC時間，hhmmss（時分秒）格式;

<7>接收機命令，A=自動定位，R=機器重新啟動。

4.1.2 輸出語句

SiRF StarII的輸出語句有很多種，經(jīng)由GPS串口調(diào)試軟件，SiRF StarII芯片將會收到其所發(fā)送而來的有關(guān)命令語句，芯片也將會隨之以命令語句為基礎(chǔ)來進行參數(shù)設(shè)置。幾種常用的數(shù)據(jù)格式如下：

（1）GPS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（GPGGA），其結(jié)構(gòu)為：$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>，<13>，<14>*<15>。

<1>UTC時間，格式為hhmmss.sss;

<2>緯度，格式為ddmm.mmmm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）;

<3>緯度半球，N或S（北緯或南緯）;

<4>經(jīng)度，格式為dddmm.mmmm（前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）;

<5>經(jīng)度半球，E或W（東經(jīng)或西經(jīng)）;

<6>定位質(zhì)量指示，0=定位無效，1=定位有效;

<7>接收到的衛(wèi)星數(shù)量，從00到12（前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）;

<8>水平精確度，0.5到99.9;

<9>天線離海平面的高度，-9999.9到9999.9米;

<10>高度單位，M表示單位米;

<11>大地橢球面相對海平面的高度，-999.9到9999.9米;

<12>高度單位，M表示單位米;

<13>GPS差分數(shù)據(jù)期限（RTCMSC-104），最后設(shè)立RTCM傳送的秒數(shù)量;

<14>差分參考基站標(biāo)號，從0000到1023（前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）;

<15>校驗和。

（2）可視衛(wèi)星狀態(tài)輸出語句（GPGSV），其結(jié)構(gòu)為：$GPGSV，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，...，<4>，<5>，<6>，<7>*<8>。

<1>總的GSV語句電文數(shù);

<2>當(dāng)前GSV語句號;

<3>可視衛(wèi)星總數(shù)，00至12;

<4>衛(wèi)星編號，01至32;

<5>衛(wèi)星仰角，00至90度;

<6>衛(wèi)星方位角，000至359度，實際值;

<7>信噪比（C/No），00至99dB;無表未接收到訊號;

<8>校驗和。

（3）推薦最小GPS/TRANSIT數(shù)據(jù)（GPRMC），其結(jié)構(gòu)為：

$GPRMC，<1>，<2>，<2>，<4>，<5>，<6>，<7>， <8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh。

其中的語句識別符是RMC;交談識別符是GP;校驗和是hh（即除*、$本身這兩個字符之外，*、$二者之間的全部字符按位異或值）。

$GPRMC語句數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容為：

<1>世界時間（UTC），hhmmss（時分秒）格式;

<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位;

<3>定位點緯度，ddmm.mmmm（度分）格式;

<4>緯度，N（北半球）或S（南半球）;

<5>定位點經(jīng)度，dddmm.mmmm（度分）格式;

<6>經(jīng)度半球，E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）;

<7>地面速率，000.0～999.9節(jié);

<8>地面航向，000.0～359.9度;

<9>UTC日期，ddmmyy（日月年）格式;

<10>磁偏角，000.0～180度;

<11>磁偏角方向，E（東）或W（西）;

<12>工作模式：A=自主，D=差分，E=評估，N=數(shù)據(jù)無效[9]。

4.2 基于單片機的GPS定位系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境-Ke il uVision4

相比匯編來說，美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)Keil uVision4，具有明顯的可維護性、可讀性、架構(gòu)性以及功能等方面的優(yōu)勢，匯編中同樣可以在關(guān)鍵部位嵌入C語言。目前最新的版本是C51Version9.00Release，也就是所謂的μVision4。uVision4集成開發(fā)環(huán)境內(nèi)已經(jīng)全面集成了C51、調(diào)試器、項目管理器、實時操作系統(tǒng)、匯編器以及編譯器等均已處于該集成開發(fā)環(huán)境之中。uVision4IDE能把靈活、單一開發(fā)環(huán)境提供給它們[10]。

KeilC51 μVision4較之前的版本，新增?下面幾個功能：

· 多重的監(jiān)控和彈性的窗口管?系統(tǒng)。

· 系統(tǒng)查看器（System Viewer）-顯示設(shè)備周邊緩存器的訊息。

· 除錯恢?檢視（Debug Restore Views）-建?和儲存多重除錯窗口設(shè)計。

· 多項目工作區(qū)（Multi-Project Workspace）-與許多項目簡化工作。

· 源碼和解組譯?結(jié)（Sourceand Disassembly Linking）-解組譯窗口和源碼窗口完全同步使程序除錯和光標(biāo)導(dǎo)航較容?。

· 內(nèi)存窗口固定（Memory Window Freeze）-儲存目前內(nèi)存窗口檢視允許容易在不同的點及時比較。

· 設(shè)備模擬-更新支持很多新設(shè)備（例如InfineonXC88x，SiLABSC8051Fxx，AtmelSAM7/9和從Luminary，NXP，andToshi ba來的CortexM3MCUs）。

· 支持硬件除錯轉(zhuǎn)接器（Support for Hardware debugad apters）-包括ADI。miDAS-Link，AtmelSAM-ICE，InfineonD AS，和ST-Link。

· 新資料和指令追蹤（New Data and instruction trace）-對ARM和Cortex MCUs。

· 基于XML的項目文件（XML based Project files）-建立，檢視和修改項目如同容易可讀的XML本文檔案一樣。

· 串列的窗口-擴充到提供一個基本的100-VT終端機，ASCII模式，混合模式，和十六進制模式檢視。

· 拖放檔案開啟（Drag & Drop File Opening）-檔案拖進μVision4項目空間自動會被開啟。

· 監(jiān)控點和邏輯分析儀（Watchpoints and Logic Analyzer）- 現(xiàn)在更容易設(shè)定。

4.3 基于單片機的GPS軟件設(shè)計思路

單片機主程序、初始化LCD12864液晶顯示模塊、GPS數(shù)據(jù)接收處理是這個設(shè)計軟件的基本設(shè)計模塊思路。這樣的設(shè)計理念好處是，模塊功能清楚明朗，容易調(diào)試程序，具有可移殖性，適應(yīng)不同的單片機環(huán)境[11-12]。軟件的程序流程圖如圖20所示，相關(guān)的程序詳細代碼見附錄。

4.3.1 LCD12864顯示初始化

顯示模塊顯示初始化設(shè)計在設(shè)計中是重要部分，是正常顯示出GPS信息的準(zhǔn)備工作，初始化流程圖如圖21所示。

初始化部分清零代碼如下：

voidLCD_Init（void）

{LCD_Write_Command（0x34）;//一次送8位數(shù)據(jù)

LCD_Write_Command（0x30）;//基本操作指令

LCD_Write_Command（0x0C）;//整體顯示，游標(biāo)off

LCD_Write_Command（0x01）;//清屏

delay（10）;}

voidLCD_Clear（）

{LCD_Write_Command（0x01）;//清屏delay（10）;}

4.3.2 定時器T0設(shè)置

定時器中斷設(shè)置是單片機編程中關(guān)鍵部分，在不影響CPU正常工作情況下，保證其他程序正常高效率運行，流程圖如圖22所示。

定時器超時判斷程序代碼：

chartimer_expired（structtimer*t）

{charflag;

ENTER_TIMER_CRITICAL;

flag=（unsignedlong）（Timer0_Count-t->start）>= （unsignedlong）t->interval？1：0;

EXIT_TIMER_CRITICAL;

returnflag;}

4.3.3 GPS數(shù)據(jù)接收隊列模塊

對于1HZ輸出的GPS模塊，由于其數(shù)據(jù)包格式有GPRMC，GPCGA等，如果不用數(shù)據(jù)包緩沖，實時讀取解析，會丟失數(shù)據(jù)包導(dǎo)致顯示異常，因而數(shù)據(jù)接收隊列模塊很重要，保證及時數(shù)據(jù)及時傳遞[13-14]。設(shè)計框圖如如圖23，部分代碼如下。

初始化接收緩沖區(qū)：

voidGPS_PacketInit（）

{memset（GPS_Packet，0，sizeof（GPS_Packet））;

Count=0;

WritePacket=0;

ReadPacket=0;}

判隊滿：

unsignedcharGPS_EmptyPacket（）

{if（（Count>0）&&（WritePacket==ReadPacket））

{return0;}

else

{return1;}

}

5 系統(tǒng)調(diào)試、仿真與實驗結(jié)果

系統(tǒng)軟件編程、實物制作以及硬件設(shè)計完成之后，必須要調(diào)試系統(tǒng)的軟件、硬件，這樣才能夠讓系統(tǒng)可以依據(jù)相應(yīng)的設(shè)計目標(biāo)進行平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

5.1 硬件調(diào)試

把工藝故障、設(shè)計錯誤這類不同的硬件故障排除屬于調(diào)試硬件的基本目的。

第一步：對硬件電路板中所設(shè)計的全部引腳、器件準(zhǔn)確與否進行檢查。通過萬用表（數(shù)字）來進行逐一的對點檢測，對不同的導(dǎo)線相互之間有沒有存在開路、短路這些故障現(xiàn)象進行檢測。

第二步：測輸入5V電源（0V地）線是否與電路中的對應(yīng)點的電源（地）線相連接是否正確;及檢查開關(guān)是否正常，是否連接正確。

對于通過導(dǎo)線連接而成的芯片管座相互之間的對應(yīng)腳截止與否、導(dǎo)通與否等進行檢測。

5.2 軟件調(diào)試

通過開發(fā)工具來全面展開在線仿真調(diào)試，以此對程序中的錯誤加以發(fā)現(xiàn)與糾正，把硬件方面存在的故障同步獲得，這是調(diào)試軟件的主要目的。軟件調(diào)試時，必須要按模塊來逐一展開：其一，對于每個子程序可不可以依據(jù)預(yù)期目標(biāo)運行進行單獨的調(diào)試;其二，對可不可以正常的控制接口電路進行調(diào)試;其三，對整個程序進行調(diào)試，特別是要對每一個模塊相互之間可不可以進行參數(shù)的準(zhǔn)確傳遞來進行調(diào)試。

將程序代碼經(jīng)過Keil軟件編譯生成的（.hex）文件，讓然后用STC-ISP下載到單片機中。看是否符合設(shè)計要求，正常顯示出正確的經(jīng)緯度、時間日期等相關(guān)參數(shù)。

5.3 實驗結(jié)果

調(diào)試硬件以及軟件部分讓其預(yù)期功能最終實現(xiàn)。圖24為時間信息，圖25是經(jīng)緯度信息。

5.4 實驗結(jié)果分析

由以上實驗結(jié)果圖分析可以知道，此單片機GPS定位系統(tǒng)設(shè)計，時間日期、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)十分精確，與實際基本很吻合。其中海拔高度，數(shù)據(jù)顯示83米，但地圖系統(tǒng)顯示42米，這是因為測量地點在21樓，加上實際地理位置可能處于當(dāng)前地勢地方，所以有些偏差。綜合考慮，此設(shè)計基本上達到了預(yù)期效果，實現(xiàn)了簡易GPS定位功能

5.5 仿真測試

由于Proteus里面沒有是STC單片機，這里用AT89C51代替，不影響主要性能;由于我是筆記本沒有COM串口，這里我使用虛擬串口軟件設(shè)置Configure Virtual Serial PortDriver，至于衛(wèi)星GPS接收模塊采用VirtualGPS（虛擬GPS軟件）作為信號接收[15]。

6 總結(jié)

本次設(shè)計，主要講解單片機、GPS相關(guān)接收原理，GPS信號接收處理模塊由SiRF StarII實現(xiàn)，通過SiRF StarII與STC12C5A60S2兼容系列單片機相連，配備了所需的外圍電路，同時LCD12864液晶顯示屏，可以顯示相關(guān)定位信息，并詳細介紹了該GPS設(shè)計的硬件和軟件設(shè)計[16]。

參考文獻：

[1] 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2] 劉基余，李征航.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，1993.

[3] 王權(quán).全球定位系統(tǒng)（GPS）定位原理及應(yīng)用[J].中國計算機用戶，1996，07：5-8.

[4] 陳次穎.全球定位系統(tǒng)（GPS）簡介[J].漁業(yè)機械儀器， 1991，01：30-31.

[5] 劉美生.全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用綜述（二）——GPS[J].中國測試技術(shù)，2006，06：5-11.

[6] 姚艷.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的應(yīng)用[J].交通世界（運輸·車輛），2011，07：108-109.

[7] 張立科.單片機典型模塊設(shè)計實例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2000.

[8] 劉曉，伍小東，姚軍光，等.基于單片機采集GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計[J].青島科技大學(xué)學(xué)報，2006，27（02）：172-175.

[9] 李勇軍，楊青，龐樹杰，等.基于OEM板的GPS接收機設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2006，05（12）：109-111.

[10] 王丙祥，李建海.基于89C52的GPS板電路設(shè)計與實現(xiàn)[J].西安文理學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，10（03）：98-101.

[11] 許進，周寧.GPS接收機的單片機通訊接口[J].電子器件，1999，22（03）：23-26.

[12] 索明何，饒運濤，邢海霞，等.基于單片機的液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].科技廣場，2008，07（02）：22-24.

[13] 李洪濤.GPS應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社， 1999.

[14] 孟明明.基于51單片機的簡易GPS定位系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)設(shè)計，2011，06：135.

[15] 李云溪，韓濤，項劍峰.基于單片機的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計[J].四川兵工學(xué)報，2012，11：111-113.

[16] 黃少鋒，張尊泉，鄧斌，黃斌.基于單片機采集與顯示GPS定位信息系統(tǒng)的設(shè)計[J].空軍雷達學(xué)院學(xué)報，2007，01：37-39.