摘 要：本文根據(jù)地理信息數(shù)據(jù)采集的需求，以單片機(jī)MSP430F149為核心，集成GPS模塊、LCD模塊，詳細(xì)論述了便攜式地理信息采集儀的設(shè)計(jì)，包括硬件方案和軟件方案的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以分別記錄并且存儲(chǔ)各個(gè)需要采集點(diǎn)的地理位置信息，并且可以將采集到的信息傳送到上位機(jī)，以便研究人員對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析研究。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī);GPS模塊;LCD模塊

　　0.引言

　　隨著數(shù)字化社會(huì)的快速發(fā)展，地理位置信息的采集分析越來越重要，如何使數(shù)據(jù)的采集分析更加簡便易行，是每個(gè)地理信息研究機(jī)構(gòu)最關(guān)心的問題。地理位置信息數(shù)據(jù)的采集是地理分析研究機(jī)構(gòu)的分析研究基礎(chǔ)，但是以往的數(shù)據(jù)只限于人工采集，采集記錄的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間存在較大的誤差，對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及地理環(huán)境的分析等都會(huì)造成了很大的影響。便攜式地理信息采集儀可以方便快捷地采集相應(yīng)位置的地理信息，并且可以全天候工作，真實(shí)可靠地記錄數(shù)據(jù)，從而可以避免人為誤差。

　　1.地理信息采集儀的功能

　　為了真實(shí)有效的采集記錄采樣點(diǎn)的地理位置的信息，以便地理信息研究機(jī)構(gòu)對(duì)采集數(shù)據(jù)的正確分析，便攜式地理信息采集儀的功能如下：

　　1)信息采集功能

　　對(duì)需要測(cè)控采集的采樣點(diǎn)的地理信息(如經(jīng)度、維度、海拔等)能進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的采集。

　　2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

　　每個(gè)地理位置采集點(diǎn)的地理信息一對(duì)一記錄保存，以便工作人員分析各采集點(diǎn)的地理位置信息。

　　3)數(shù)據(jù)傳輸功能

　　地理信息采集儀可以將各個(gè)位置采集點(diǎn)的采集到的數(shù)據(jù)通過RS232傳輸給上位機(jī)。

　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為核心控制器[1]，集成GPS模塊、LCD顯示模塊、串行存儲(chǔ)器模塊、RS232接口模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)框圖見圖1。

　　圖1系統(tǒng)框圖

　　Fig.1Systemdiagram

　　2.1單片機(jī)單元

　　系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為核心控制器[2]，此款單片機(jī)具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)最大化的代碼效率;集成JTAG，支持在線編程;兩個(gè)通用全雙工串行同步/異步通信接口;6個(gè)8位I/O口;外部中斷輸入接口。單片機(jī)串口0負(fù)責(zé)接收GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，分析并且提取接收到的有效地理信息數(shù)據(jù)，一方面送到LCD顯示模塊顯示，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且可以將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。

　　2.2GPS模塊

　　2.2.1GPS概述

　　GPS(GlobalPositioningSystem)是美國研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。它是目前世界上精度高的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，已被廣泛用于軍事、經(jīng)濟(jì)、地理信息測(cè)控及其他領(lǐng)域。GPS定位系統(tǒng)由以下三個(gè)部分組成：

　　(1)GPS衛(wèi)星星座(空間部分)：24顆衛(wèi)星(其中三顆備用)，分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面均勻布設(shè)4顆衛(wèi)星，從而保障了地球上任何地點(diǎn)和時(shí)刻都能觀察到4顆衛(wèi)星。它能發(fā)射L1和L2波段的信號(hào)。

　　(2)地面監(jiān)控系統(tǒng)(地面控制部分)：中央控制系統(tǒng)，跟蹤衛(wèi)星定軌，用來監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的狀態(tài)，對(duì)衛(wèi)星軌道信息進(jìn)行修正。

　　(3)GPS信號(hào)接收機(jī)(用戶設(shè)備部分)：接收設(shè)備，主要由天線、電源、數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成。其基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元，天線單元主要作用是捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。接收單元主要作用是記錄GPS信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，以獲得有用的定位信息。

　　2.2.2GPS模塊介紹

　　圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　Fig.2Systemdiagram

　　GPS采用GS-87模塊[3]，它是一個(gè)高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊或稱作衛(wèi)星接收引擎，它采用美國瑟孚SiRFstarIII公司所設(shè)計(jì)的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，GPSAntenna(GPS天線)接收衛(wèi)星信號(hào)，將微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電流。電流經(jīng)過LNA(低噪音放大器)被放大，在通過filter濾波器將其變頻處理，送入SIRFStarIII(由GRF3W和GSP3組成)進(jìn)行處理，將處理后的信號(hào)通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接。用戶通過對(duì)單片機(jī)的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進(jìn)行處理，提取出對(duì)用戶有用的信息。

　　2.2.3GPS模塊接口電路的設(shè)計(jì)

　　GS-87模塊共有6個(gè)引腳，它與單片機(jī)主要進(jìn)行串口通信，故它們之間連接時(shí)可通過GS-87的數(shù)據(jù)接收引腳RXA與數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXA分別與單片機(jī)的串口UART0(TXD0和RXD0)相連。GS-87的TXA引腳為串行數(shù)據(jù)輸出端口A，是主要的數(shù)據(jù)傳輸通道，用于輸出導(dǎo)航和測(cè)量的數(shù)據(jù);RXA為串行數(shù)據(jù)接收端口A，是主要的接收通道，用于接收來自單片機(jī)的控制命令;VCC外接+3.3~5.5的電源輸入端口，為保證模塊工作時(shí)不受外界電磁噪聲的干擾，在電源端VCC與地端GND之間安裝旁路電容，旁路電容C19主要用來去除高頻電磁脈沖，電解電容C33主要用來去除低頻干擾以及儲(chǔ)存電荷功能;RXB為輔助串行數(shù)據(jù)接收端口B，用于差分定位;TimeMark默認(rèn)為從GS-87提供1脈沖每秒輸出信號(hào)，用于同步一微秒的時(shí)間。在車載終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只需用到VCC、RXA、TXA、GND即可滿足功能要求。GPS模塊電路連接圖如圖3所示：

　　圖3 GS-87電路連接原理圖

　　Fig.3GS-87Connectiondiagram

　　2.3LCD顯示模塊電路設(shè)計(jì)

　　車載終端設(shè)備采用的顯示器為HG12864液晶模塊，它有串行和并行兩種接法，本設(shè)計(jì)中采用并行接口與單片機(jī)的P6口相連。如圖4所示為它的并行連接時(shí)序圖

　　圖4LCD時(shí)序圖

　　Fig.4LCDsequencediagram

　　它與單片機(jī)的具體連線圖如圖5所示：

　　圖5LCD與MSP430F149的連接原理圖

　　Fig.5ConnectiondiagrambetweenLCDandMSP430F149

　　單片機(jī)P6數(shù)據(jù)輸入輸出接口連接HG12864的數(shù)據(jù)端DB0～DB7，RS引腳為指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào)端口，RS為高電平時(shí)單片機(jī)向LCD寫入數(shù)據(jù)，RS為低電平時(shí)單片機(jī)向LCD寫入指令;R/W引腳為LCD的讀寫選擇信號(hào)端口，R/W高電平時(shí)單片機(jī)讀出LCD端口數(shù)據(jù)，R/W低電平時(shí)單片機(jī)向LCD端口寫入數(shù)據(jù);E引腳為LCD模塊的使能信號(hào)，高電平有效。分別通過單片機(jī)的P5.5、P5.6、P5.7引腳進(jìn)行控制。

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1主程序功能

　　主程序負(fù)責(zé)初始化、開中斷、分析解析GPS數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入各種相應(yīng)的工作狀態(tài)。主程序流程圖見圖6a。

　　圖6程序流程圖

　　Fig.6ProgramFlowDiagram

　　3.1GPS數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)

　　車載終端的設(shè)計(jì)需要從GPS定位信息中提取出有用的信息并且顯示出來，所以也需要了解各種NMEA數(shù)據(jù)的含義。下面僅列出GPS固定數(shù)據(jù)輸出語句(GPGGA)輸出范例，各數(shù)據(jù)代表的意義如表1所示。輸出范例：

　　$GPGGA,025812.487,3752.5236,N,11229.1768,E,1,07,1.0,9.0,M,,,,0000*18

　　表1GPGGA數(shù)據(jù)含義

　　Tab.1GPGGAdatameaning

　　當(dāng)GPS模塊有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入串口中斷程序。程序首先判斷是否為數(shù)據(jù)頭標(biāo)志即“$GPGGA”，若判斷到數(shù)據(jù)正確則程序進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模式，直到接收到“*”表示數(shù)據(jù)接收成功，否則退出中斷程序等待下次數(shù)據(jù)的到來。以下為部分中斷程序代碼。

　　While((IFG1&URXIFG0)==1);

　　{UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;

　　if(UART0_RX_BUF[0]!='$')num=0;

　　if(num==5)

　　{if(UART0_RX_BUF[2]!='P')num=0;

　　if(UART0_RX_BUF[3]!='G')num=0;

　　if(UART0_RX_BUF[4]!='G')num=0;

　　}

　　if(num==90)

　　{for(i=70;i<90;i++)

　　{if(UART0_RX_BUF[i]!='*')num=0;

　　elsek=i;}

　　}

　　}

　　}

　　3.3顯示程序設(shè)計(jì)

　　信息采集儀具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能，可以將采集到的地理信息顯示出來，工作人員可以更直觀的掌握地理信息數(shù)據(jù)。單片機(jī)接收到GPS數(shù)據(jù)并且解析完成后，將需要顯示的信息(經(jīng)緯度、海拔等)存儲(chǔ)到顯示緩沖器內(nèi)，以便顯示時(shí)調(diào)用。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)定時(shí)器溢出中斷時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示程序，顯示程序調(diào)用顯示緩沖器內(nèi)數(shù)據(jù)，通過P6端口送到LCD顯示模塊進(jìn)行顯示。顯示程序流程圖如圖6b：

　　4.結(jié)論

　　地理信息分析研究一門發(fā)展迅速的學(xué)科，是氣候變化，地理地貌的研究的基礎(chǔ)，其應(yīng)用涉及到民用、軍用各個(gè)行業(yè)，所以信息的采集精確程度一直備受各方面關(guān)注。便攜式地理信息采集儀硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，易于升級(jí)與維護(hù)。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為地理信息研究部門提供了第一手資料。避免了以往人工記錄存在較大誤差的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]薛小鈴,劉志群,賈俊榮.單片機(jī)接口模塊應(yīng)用與開發(fā)實(shí)例詳解[M].1版.北京:北京航空航天出版社,2010.

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　　[3]廣州鑫圖科技發(fā)展有限公司.GS-87數(shù)據(jù)手冊(cè)