GPS接收机的单片机通讯接口

文章编号: 1005- 9490 (1999) 03- 0182- 187 GPS 接收机的单片机通讯接口① 徐　进　　周　宁 (南京大学天文系. 南京市, 210093) 　　摘要　本文介绍了M icroT rackerTML P GPS 接收机的特点与结构, 采用 80C51 单片机作为扩展直接与 接收机进行数据通讯, 并提供了R S232C 协议 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 串口与微机进行直接通讯, 并开发了W indow s 下的通讯 接口软件。 关键词: 单片机　R S232C　通讯接口 中图分类法: TN. 8, T P334　　文献标识码: A 1　引　言 　　全球卫星定位系统 (Global Po sit ion ing System , 以下简称 GPS) , 由美国国防部研究并 控制, 开始主要应用在军事领域方面。在海湾战争期之后, GPS 开始走向民用研究及开发。 在 GPS 系统中, 分布在 6 个轨道面上的 24 颗 GPS 卫星连续的全天候、覆盖全球的发 射定位、时间信息, 地面上任何地点、任何时间的 GPS 接收机都至少可以同时接收到 4 颗以 上 GPS 卫星的定位信息。只要有 4 颗卫星的定位信息, GPS 接收机就能向用户提供三维坐 标、时间及移动速度等信息参数。因此, 接收机是 GPS 系统中重要的组成部分, 它接收 GPS 卫星的定位信息, 进行处理计算, 直接为用户服务。目前, 世界市场上已经出现了许多性能优 良的便携式 GPS 接收机, 尤其是美国、日本公司的 GPS 接收机已经被广泛使用在车载导 航、大地测量、远洋船舶导航等领域中。 在 GPS 接收机的二次开发过程中, 我们采用了单片机扩展的方式, 并利用单片机作为 中间媒介向微机提供信息服务。我们采用了型号为 80C51 的单片机与美国M icroT racker 公 司的L P GPS 接收机相连接, 80C51 接收 GPS 接收机发送的数据, 进行计算处理后, 控制显 示模块将当前时间、经度、纬度等信息用L ED 显示出来; 扩展模块还提供了信息数据的以 R S232C 协议为标准的串口接口, 供与计算机串口通信使用; 相应的, 在W indow s95 操作系 统平台下, 我们用V isua l C+ + 开发了运行在COM 1öCOM 2 上的该系统的计算机接口软件 《GPS W indow s 95 In terface》。 2　GPS 接收机的性能与结构 GPS 卫星的发射信号采用展频技术, 两个载频发射 (L 1 波长 19 cm , 频率 f = 154× 10. 23 M H z; L 2 波长 24 cm , 频率 f = 120×10. 23 M H z) , 信号由二相键控 (BPSK) 调制在伪 第 22 卷　第 3 期 　1999 年 9 月 　　　　　　　　　　 　　电 子 器 件 Jou rnal of E lectron D evices 　　　　　　　　　 V o l. 22,N o. 3 Sep. , 1999 ① 来稿日期: 199923223. © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 随机码上, 传输的速率为 50 H z, GPS 的伪随机码分三种: ①P 码。也称精码, 用于精密定位服务。其周期长 7 d, 码频率 10. 23 M H z, 由美国军方 控制。定位精度 16 m , 时间精度 100 p s, 速度精度可优于 0. 1 m ös。 ②CöA 码。粗码, 也叫标准定位服务码。它周期短, 仅为 1 m s; 码的频率低, 仅有 1. 023 M H z, 一个周期中有 1 023 个码位。搜捕时间短, 适用于快速提供精度不高的定位信息。定位 精度 40 m。 ③Y 码。和 P 码类似, 为精密定位服务。其编码较 P 码更复杂。 美国军方对 GPS 的使用范围进行了控制, 只有CöA 码和广播星历向全世界公开。对 CöA 码又采用了 SA (选择性可用) 方式, 限制CöA 码精度, 使得水平定位精度为 100 m 的 概率为 95%。美国在 GPS 中采用 SA 措施, 对用户是个很大的危险, 针对这种限制, 发展了 称为D GPS 的差分 GPS 技术。采用差分技术, 极大的提高了测量定位精度, 在大地测量中获 得了广泛的应用。　　 图 1　卫星发射来的时钟信号 　　GPS 定位的基本原理是比较简单的。如图 1 所示, GPS 接收机收到 4 颗卫星发射来的时钟信号D t, 将之与自身的 标准时钟对比, 分别得出的时钟偏差即为卫星信号传播的 时间, 将它乘以电磁波的传播速度——光速, 即为信号传播 的距离。于是我们得到一简单的多元方程组: (X i - U x ) L + (Y i - U y )L + (Z i - U z )L = (R i - C b)L 　　这里 X i, Y i, Z i 为四颗卫星的位置参数, 由 GPS 卫星 以 50 H z 的速率向全球不间断广播。U x ,U y ,U z 为接收机的 位置。R i 即为传播距离R i= c×D ti。而C b 为用户的标准时钟偏差参数。于是四个方程, 四个 未知数U x ,U y ,U z , C b。一般来说都有唯一的解, 由此我们得到了准确的位置参数信息。 作为 GPS 用户主要部件的 GPS 接收机, 用来接收处理 GPS 卫星送来的卫星位置信 息。接收机由主机天线、运算 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 、输出通道等部分组成。主机的核心是由低噪放大器、信道 电路、中央处理器、存储器等组成。在软件的操作下, 接收机将卫星信息接收、采集、放大、识 别、存储、处理、输出有用的定位信息、速度信息和时间信息。 M icroT rackerTML P GPS 接收机是美国洛克威尔公司生产的一种单板五路并行通道结 构的 GPS 接收机。它最多能跟踪 9 颗卫星 (最多能同时跟踪 5 颗卫星) 发射的信号进行定 位, 并提供精确的卫星位置数据、时间、速度等参数。该型号的接收机不仅性能优良, 而且有 许多独特的设计。它设计支持有源和无源天线以减小系统功耗; 支持的最大速度为 950 m ös 和最大加速度为 4 g n; 支持两种数据输出格式RockW ell 二进制和N EM A (美国国家海洋电 子协会) 格式; 快速的 T T FF (即初始快速定位 T im e2To2F irst2F ix) 并可接收外部初始化数 据加速初始化过程; 用户可对可见的 GPS 卫星进行选择; 直接输入 R TCM SC2104 格式的 差分GPS 的辅助定位数据可将GPS 接收机的测量精度从 100 m 提高到 5 m ; 甚至提供了至 少微秒级的高精度秒脉冲信号 TM A R K. (如图 2 所示为该接收机的原理示意图) 另外该接 收机体积非常的小, 只有 51 mm ×71 mm ×9. 1 mm , 并且提供两种接口方式: 26 脚 Z IF 连 接口和 2×10 脚 P IN 连接口, 因此很容易将它嵌入二次开发的应用系统中。 381第 3 期　　　　　　　　　　徐　进、周　宁: GPS 接收机的单片机通讯接口　　　　　　　　　　　　 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 2　M icroT racker L P GPS 接收机的结构原理图　　图 3　GPS 接收机的单片机扩展结构图 3　80C51 单片机的扩展结构与实现 80C51 是美国 In tel 公司的产品, 也是国内使用较早的单片机系列之一。80C51 属于 8 位高档单片微机, 拥有强大的指令集、多种寻址功能, 含有并行 IöO 口和全双工串行 IöO 口, 支持中断操作和中断优先级, 直接指令级支持乘除和位运算操作。众多的优点和强大的 功能使得 80C15 得到了广泛的应用。 3. 1　扩展结构与原理 在我们的 GPS 接收机扩展系统中, 我们使用了M icroT racker L P GPS 接收机的 26 脚 Z IF 连接输出口作为与接收机的通讯接口, 从中引出了一些重要的数据信号、控制信号、脉 冲信号, 输入到单片机中, 这些信号数据由单片机处理计算后, 将计算出来的时间、经度、纬 度信息显示在L ED 显示屏上, 并可由键盘进行显示页控制 (因为我们使用的是双行的显示 屏, 不能同时显示所有的时间和经纬度信息) ; 另外该扩展系统还有一个 9 芯的R S232C 标 准串口输出接口, 高端开发系统可以通过该串口获取GPS 接收机的数据。在后面的小节中, 我们会看到一个通过该串口进行通讯的W indow s 95 版的演示软件。 下面是我们开发的扩展系统的主要功能: ①动态获取本地的位置信息 (经度, 纬度, 高度) ②给出准确的时间信息 (时间和日期) ③支持世界时区的动态变换 (缺省是北京时间) ④提供 10- 6高精度的秒脉冲信号 ⑤提供标准的R S2232C 数据通讯接口和计算机通讯 ⑥提供给用户W indow s 95 版 32 位的微机接口演示软件 3. 2　软件的工作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 M icroT racker L P GPS 接收机的输出信息以 9600 baud 速率, 接R S2232C 协议, 以二进 制数据包的形式, 向外发送有关定位和时间的各种信息; 甚至包括卫星位置角度、数据可靠 程度等各类参数信息, 为此我们将该信息流连入 80C51 的串行口输入端脚。如图 4 所示, 从 接收机传送来的数据包有很多类型, 每种数据包长度大约是 200 byte 左右, 长度不一。 为了不影响系统的整体效率, 我们对于传输过来的数据流采用了中断方式, 而不是简单 的查询方式; 另外, 因为并不是每一个传输过来的数据包都是我们需要的, 所以还需要准确 481　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电 子 器 件　　　　　　　　　　　　　　　　第 22 卷 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 区分各个数举包之间的界限, 因此对于这些连续不断的高频率中断数据流的处理的逻辑顺 序是比较复杂的。我们处理的过程主要分四步进行: 首先要确定当前传送过来的数据字节是 否合法, 即该数据字节是否是属于我们所需要的数据包中的数据; 然后要准确的定出传来的 数据字节在这个数据包中的位置, 由于数据包的具体长度是在数据包传输开始后, 才由第 3 部分给出的, 所以数据处理的逻辑顺序上要非常严格; 接着对采集到的数据字节进行保存; 最后当整个数举包传送结束时, 交由处理程序部分进行计算处理, 并控制L ED 显示。我们设 计了一个复杂的串行口中断服务程序, 来识别这些随机的不同类型的数据包, 并把数据放在 内存中约定的缓冲区 (串口通讯缓冲区) 里, 给出一个全避标志说明缓冲区的数据已经可以 处理了, 由主程序识别该标志, 并处理数据。 扩展模块中的用户接口部分主要有两个, 由一个键盘面板来控制: 第一是显示控制键, 用来在显示日期、经度、纬度之间切换; 第二是时区控制键, 用来控制显示世界哪个时区的时 间 (缺省北京时间)。 软件程序主要由三个模块组成。模块之间用串口通讯缓冲区和当前显示状态值两个全 局变量进行通讯, 交换信息。如图 5 所示为该软件系统的原理结构图。 图 4　GPS 数据包的典型格式　　图 5　GPS 接收机扩展系统软件结构原理图 ①串行口中断程序: 负责填写串口通讯缓冲区并置缓冲区数据合法可用位变量, 以 通知 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 主程序进行计算显示。 图 6　M icro T racker L P GPS 接收机浮点数据格式 ②键盘中断程序: 负责接收用户的输入, 改变当前显 示状态值变量, 以改变L ED 的显示页。 ③主程序部分: 反复查询两个全局变量。如缓冲区数 据合法可用, 就进行计算并刷新显示: 如用户改变了显示 状态, 则切换L ED 的显示页。 另外我们需要提到的是, 该类型的 GPS 接收机输出 的大多数参数, 如经度、纬度、时间、速度等等, 均是浮点 数格式, 但却不是标准 IEEE 754 浮点格式 (如图 6 所示) , 而且浮点数的底数经过规格化处 理, 其最高位始终为 1, 并被隐含了。我们知道 80C51 本身并没有直接处理浮点数的能力, 因 此对于浮点数的处理最终还需要转化为整数甚至是单字节进行计算。限于篇幅问题, 用 8 位 的 80C51 汇编语言处理这种浮点数的源程序就不列出了。 581第 3 期　　　　　　　　　　徐　进、周　宁: GPS 接收机的单片机通讯接口　　　　　　　　　　　　 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 4　R S232C 串口的实现和微机通讯软件接口 为了方便 GPS 接收机与计算机之间的通讯, 该扩展系统根据 R S2232C 的通讯协议提 供了标准 9 芯的串行接口。数据编码格式是: 9600 baud, 1 位起始位, 8 位数据, 1 位奇校验 位, 1 位停止位。 图 8　软件 GPS W indow s 95 的主界面 图 7　R S232C9 芯通讯接口的实现 我们知道最简单的R S232C 的数据通 信只需要使用 3 根连接线就可以了, 分别 是发送数据 (2 教)、接收数据 (3 教)和保护 地 (1 教)。因此我们只要将输出数据端口 连入 2 脚, 将输入数据线端口 (用于差分 GPS 的差分数据的输入) 连入 3 脚就可以 了。如图 7 所示。配合该接口, 我们在微机 W indow s 95 平台下使用V isua l C + + 开发了 32 位的计算机的接口演示软件 GPS W in2 dow s 95 In terface。图 8 是该软件的主要界面。通过该软件我们可以监视 GPS 接收机的工 作状态、卫星参数、时间、经纬度等等重要信息。 5　结束语 随着 GPS 由军用逐渐转向民用, GPS 在车载导航、大地测量、远洋船舶导航、远程监视 等领域得到了广泛的运用。我们研制的 GPS 接收机扩展系统只是应用的基础和开端; 在实 际运用中, 我们要结合各领域的特殊情况和功能技术需求, 进行针对性的处理和设计。 参 考 文 献 [1 ]　M icroT rackerTML P D esigner′s Gu ide, Am erican Rockw ell Company, (M ) 1995 [2 ]　M icroT rackerTML P U ser′s Gu ide, Am erican Rockw ell Company, (M ) 1995 [3 ]　何利民。单片机应用系统设计。 (M ) 北京航空航天大学出版社, 1995 681　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电 子 器 件　　　　　　　　　　　　　　　　第 22 卷 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. GPS Rece iver′s Comm un ica tion In terface w ith Singlech ip and PC X U J in　　ZH OU N ing (N anj ing U niversity ,N anj ing 210093) Abstract　T h is art icle in troduces the character and arch itectu re of the Rockw ell M icro T rackerTM L P GPS receiver, w h ich is u sed to loca te the coo rd ina te acu te and fast on Earth by receiving sa tellite′s loca t ion info rm at ion, and analyzes the rela t ive test resu lt. W e w ill d iscu ss som e basic know ledge of GPS and the som e funct ion s of app lica t ion m odu le, w h ich is designed by au tho r based on Single2Board2Com pu ter ca lled 80C51. In art icle, w e p rovide ou r app lica t ion m odu le′s w ho le w o rk flow 2chart and its PC W indow 95′s softw are in terface w h ich comm un ica tes w ith the app lica t ion m odu le by stan2 dard R S232 p ro toco l. Key words: 　sing lech ip comm un ica t ion in terface R S232 Comm un ica t ion P ro toco l EEACC: 　6210L , 6250F 781第 3 期　　　　　　　　　　徐　进、周　宁: GPS 接收机的单片机通讯接口　　　　　　　　　　　　 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.