基于GPS的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計

O 引言
    GPS(Global Positioning System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))以其高精度、全天候、全天時的特點，在定位、導(dǎo)航、測距、授時遙感等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并得到了快速的發(fā)展。設(shè)計一種基于嵌入式系統(tǒng)的GPS定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)GPS信號接收原理和嵌入式技術(shù)，該設(shè)計完成了基于單片機(jī)和計算機(jī)實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的采集，并以良好的人機(jī)界面顯示出系統(tǒng)所處的經(jīng)緯度、海拔高度、X，Y坐標(biāo)以及日期等信息，該系統(tǒng)已應(yīng)用于某外場的車載定位試驗中，代替了以前人工記錄定位數(shù)據(jù)的煩瑣，提高了效率。

1 系統(tǒng)描述
    本設(shè)計利用TI的低功耗MSP430F149單片機(jī)的雙串行接口，一路將GPS接收模塊接收的定位信息數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，由單片機(jī)對GPS定位信息中需要的信息進(jìn)行采集、解析，最后將需要的信息發(fā)送至外接的液晶顯示其經(jīng)、緯度、海拔高度和時間；同時將解析的數(shù)據(jù)經(jīng)外部的串口轉(zhuǎn)USB接口電路傳送至計算機(jī)，計算機(jī)將接收到的經(jīng)緯度坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成本地的高斯平面坐標(biāo)，并一同將經(jīng)緯度、海拔高度、高斯平面坐標(biāo)值等顯示給用戶，其整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 GPS數(shù)據(jù)格式類型及定位信息提取
    GPS模塊上電后，會每隔一定的時間返回一定格式的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為：“$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x”，每幀的起始字符都是“$”，接著是信息類型，后面是定位參數(shù)，以逗號分隔開。一幀完整的數(shù)據(jù)格式如下所示：
    $GPRMC，080655．00，A，4546．40891，N，12639．65641，E，1．045，328．42，170809，，，A*60
    以上幀數(shù)據(jù)表示的意義：其中信息類型GPRMC表示為推薦最小定位；080655．00表示當(dāng)前時間為08時06分55秒；A表示有效定位；4546．4 0891表示緯度；N表示北緯；12639．65641表示經(jīng)度；E表示東經(jīng)；1．045表示速率，其單位為節(jié)(海里／h)；328．42表示航向，指的是偏離正北的角度；170809表示日期等，具體參數(shù)見文獻(xiàn)。除了GPRMC信息類型外，還有GPGGA信息類型，它里面包括GPS定位信息，其中海拔參數(shù)即
在此信息類型內(nèi)，其他的信息類型可參考文獻(xiàn)。
    設(shè)計中數(shù)據(jù)信息提取、解析是通過TI公司的低功耗單片機(jī)MSP430F149完成，其方法首先通過搜尋ASCII碼“$”來判斷是否是一幀數(shù)據(jù)的開始，然后通過接收到的五個字符來判斷當(dāng)前所接收到的信息類型，對幀的信息類型識別正確后，通過搜尋的“，”的個數(shù)來確定GPS模塊當(dāng)前所接收到的是哪個定位參數(shù)，從中提取出需要的定位信息。本設(shè)計中僅解析GPRMC和GPGGA的信息中的經(jīng)、緯度、海拔高度、時間信息等。

3 GPS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計
3．1 MSP430F149單片機(jī)與GPS模塊接口電路
    MSP430F149單片機(jī)是TI公司推出的一款16位的單片機(jī)，其具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點。本設(shè)計中利用MSP430F149單片機(jī)實現(xiàn)將GPS模塊中的定位信息通過串行接口采集單片機(jī)內(nèi)完成對定位信息的提取、解析，從中選擇需要的信息，這里所需要的信息僅包括經(jīng)、緯度、海拔高度、時間信息等。
    GPS模塊采用瑞士u-blox公司的NEO-5Q主芯片，此芯片為多功能獨立型GPS模組，以ROM為基礎(chǔ)架構(gòu)，采用u-blox最新的KickStart微弱信號攫取技術(shù)，能確保在任何可接收到信號的位置及任何天線尺寸都能夠有最佳的初始定位性能，并進(jìn)行快速定位。并且其外部有UART，USB，SPI，I2C等多種接口，可方便地與單片機(jī)或ARM等微控制器實現(xiàn)無縫連接，電路簡單，其具體電路如圖2所示。

3．2 串口轉(zhuǎn)換USB接口電路
    利用單片機(jī)完成定位信息的采集、解析、選擇，獲得需要的信息一路經(jīng)12864液晶顯示，另一路信息傳送至計算機(jī)顯示。為解決現(xiàn)今許多計算機(jī)無串口的問題，在設(shè)計中利用PL2302芯舟實現(xiàn)將USB接口虛擬一個串口，來完成數(shù)據(jù)信息的傳輸。PL2302用于實現(xiàn)USB和標(biāo)準(zhǔn)RS 232串行端口之間，的轉(zhuǎn)換，其完全遵從USB 1．1協(xié)議，滿足速度傳輸要求，其硬件電路如圖3所示。

4 GPS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計
    該設(shè)計的軟件系統(tǒng)主要完成接收MSP430F149單片機(jī)通過虛擬USB接口傳送來的包括經(jīng)、緯度、海拔高度、時間信息定位參數(shù)信息，并在計算機(jī)內(nèi)部完成將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成本地的高斯平面坐標(biāo)。數(shù)據(jù)記錄處理軟件主要完成數(shù)據(jù)格式的解析、采樣速率設(shè)定、原始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果顯示和打包存儲為txt文本文件和數(shù)據(jù)處理等功能。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)圖形化用戶界面以及詳細(xì)的聯(lián)機(jī)幫助功能，漢化界面，簡單直觀，操作方便。各功能模塊可根據(jù)實際需要進(jìn)行靈活配置和管理，能夠進(jìn)行多任務(wù)操作，實時數(shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢、計算結(jié)果顯示和打印互不影響。這些工作均由上位機(jī)軟件來完成，編程語言采用VC++。其中采集到的數(shù)據(jù)分別在“X”，“Y”，“H”、“經(jīng)度”和“緯度”顯示，“計算結(jié)果”顯示處理后的數(shù)據(jù)，此外還有端口選擇、采用速率設(shè)置及數(shù)據(jù)計算周期設(shè)置，以便使用更加方便、靈活。
    運行結(jié)果如圖4所示。

5 結(jié)語
    該設(shè)計利用TI公司的MSP430F149單片機(jī)實現(xiàn)對GPS定位信息的采集、提取。系統(tǒng)已應(yīng)用在外場車載定位系統(tǒng)試驗中，該系統(tǒng)可在全天候工作，定位精度高，自主定位精度優(yōu)于10 m，若采用差分定位，精度可達(dá)厘米級和毫米級，并具有功耗低等優(yōu)點，滿足外場試驗要求。