GPS全球定位系统的开发及数据通信在手机中的应用

GPS 全球定位系统的开发及数据通信在手机中的应用GPS 全球定位系统的开发及数据通信在手机中的应用 GPS 全球定位系统的开发及数据通信 在手机中的应用 周 峰 (苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104) 【摘 要】文章介绍了 GPS 系统在手机中的实际开发应用，以及 GPS 的数据通信的关键算法。 【关键词】GPS;数据通信;NMEA 【中图分类号】TN914.3 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)11-0038-02 (一)引言 完整的解决方案。该公司成立于 1995 年，2001 年的销售额 为了满足军事应用和民间用户提出的更高要求，美国于为 1500 万美元，2005 年增长到 16520 万美元，2006 年上半 1973 年开始研制一种新的卫星导航系统，叫做导航性全球定年则比 2005 年同期增长 69%，预计 2006 年销售额达到 2.8 亿位系统(Navstar Global Positioning System),简称 GPS 美元，5 年间销售额增长近 20 倍。代表产品:基于系统或者导航星(Navstar)。 Navstar 是 Navigation SiRFstarIII 架构的芯片 GSC3e/LP 与 GSC3f/LP、GSC3LT 与 Satellite Timing and Ranging 的缩写，其含义是用导航卫 GSC3LTf、GSC3LTi and GSC3Ltif，基于SiRF Instant 架构星来进行计时和测距。1978 年以来，一些北大西洋公约组织的GSCi-5000。 的国家和澳大利亚也参加了 GPS 计划。 基于 SiRF starIII 架构的新芯片组配备 20 万个相关器 GPS 可以在全球范围内，全天候为海上，陆上，空中，空等，具有-159dBm 顶尖的接收灵敏度和低功耗，为便携式和间的用户连续地提供高精度的位置，速度和时间信息。并且无线产品制造商提供了低功耗的 GPS 解决方案。针对不同的有良好的抗干扰和保密性能。对导航定位，交通管制，大地应用，SiRF starIII 产品在尺寸、功耗、性能上做了不同的测量。以及精密授时等均有重要的意义。美国把发展 GPS 系优化，带有“f“标号的产品集成了闪存。 统作为促进整个无线电导航现代化的核心，把建成 GPS 系统这些新产品是 SiRF 在 2004 年 2 月推出的“GSC3f“与“GSC3“作为无线电导航领域进入二十一世纪的重要标准。 的低功耗升级产品。 GPS 系统能在全球范围内提供高精度的位置，速度和时间 信息，所以在军事和民间方面应用非常广泛。在我国，GPS 的应用得到的大量的发展，特别是在民用方面，这几年，GPS 嵌入在便携设备特别是手机中，由于其便携性和手机系统的 普及和快速发展，得到了大量的普及，本文也是在这样的背 景下产生的。 (二)GPS 的系统结构 1.GPS 方案选择 GPS 系统最初定位于军事、航空、航海等专业领域，但 近年来随着技术的发展，体积、功耗和成本都得到极大改善， 同时也受到消费者需求和政府法规的推动，GPS 系统在民用 市场开始显山露水，已在汽车导航系统和手持设备中得到了 广泛的应用。 一台 GPS 设备关键的元件有天线、低噪音放大器(LNA)、 射频接收转换(RF Section)、数字部分(也称数字基带， Digital Baseband)、微处理器(Microprocessor)、微处理器 周边外设(Processor Peripherals)、输入输出和驱动 (I/OandDriver)等几个部分。芯片提供商也强手如云，包括 SiRF、u-blox、Ti、AnalogDevices、NXP、高通、英飞凌、 索尼、意法半导体、Trimble(天宝)、Atmel、SiGe、u-Nav 等 等。本文采用主流供应商 SiRF 公司的芯片，下面就 sirf 公司 的方案，进行简单介绍: SiRF 是 GPS 芯片的龙头供应商，产品线完整，能够提供图 1 sirf 芯片图 2.GPS 的体系结构 图 2 Sirf GPS 方案模块图 Sirf GPS 多模引擎模块如上图所示，在手机应用中，sirf GPS 模块的协议栈是工作在基带芯片上的，GPS 模组接受 GPS从基带芯片接收的辅助信息，同时处理所有的信号信息并计算卫星的相关信息，GPS 模组提供一组串口与基带芯片通信，基带芯片负责提供串口的通信协议和,通讯，接受定位数据，发送命令给 GPS 模块并接受响应。 【收稿日期】2010-08-13 【作者简介】周峰(1979,)，苏州工业职业技术学院教师，从事电子、电路的教学和研究。 - 38 - (三)GPS 的模块电路设计 图 3 Sirf GPS 模组主要控制电路接口 其中: GPSRST:在 module 上电期间置低，最小 300ms。 GPSANT:天线信号输入。 GPSBS: GPS 上电期间，置高则启动，置低进入 download 模式。 GPS 串口通信。 GPSTX,GPSRX:(四)GPS 的数据通信 1.GPS 的数据通信的数据格式 所有的 Sirf 方案的 GPS 的模组遵循 NEMA-0183 的标准， 图 4 NMEA 的基本数据的定义格式 图 5 数据格式的详细定义实例 2.GPS 的数据算法 流程图讲解: 首先启动 GPS，判断当前 GPS 是否已经启动，如已经启动，则不执行 GPS 启动程序，如果当前 GPS 处于未启动状态，则执行 GPS 上电控制程序，同时配置基带芯片的串口通信协议，GPS 上电后，串口便于数据输出，从串口读取数据放入数据 Buffer，读入数据后，需要判断 GPS 数据的有效性，进行简 单判断是否符合 NMEA 协议格式。判断数据合法后，便可以进行 GPS 的数据处理,读取一条完整的定位数据包(以“$”开头，以 0x0a 结束)，同时根据数据包的头判断数据包的类型，根据不同的类型调用响应的解析程序，解析出有效数据，将有效数据上报给 GPS 的地图等应用使用。 (五)GPS 在手机设计中的调试方法 1.GPS 在手机设计中的调试分为硬件部分调试和软件部分调试 硬件部分的调试包括 GPS 上电时序是否正确，GPS 电路部分的设计可以参考sirf 公司提供的公共板设计图，同时根据本机电路的实际情况进行适当的裁剪。在电路设计完毕后就可以，可以编写一个简单的上电驱动就可以进行 GPS 启动的调试。通过示波器可以查看是否 GPS 的上电时序满足要求，如不满足可以适当调节驱动程序。 当上电时序满足要求，GPS 一般就能够顺利启动，这是 GPS 的 NMEA 格式的数据就会从 GPSmoule 中通过串口发出，可以通过示波器查看 GPSTX 管脚的波形，以判断是否有数据输出。当 GPS 的上电时序和 GPSTX 管脚数据有数据输出这两个条件满足，便可以进入软件部分的调试。 软件部分的调试主要是 GPS 串口数据通信的实现，可以通过两种方法实现，一种是自己编写测试程序，从串口读取数据，解析后从 LCD 输出，另外一种方法可以使用 SIRF DEMO 软件来进行数据的检查，如下图所示。建议在开发过程中两种方法都实现，第一中方法方便快捷，同时是和驱动程序紧密结合的。第二中方法在硬件设计的时候，需要引出 GPSTX 和 GPSRX 管脚到手机的 18Pin 上，或者测试时临时飞线到串口的 connector 上。 图 1 GPS 的数据通信软件工具 2.工厂测试步骤以及数据需求 工厂测试以及检验的步骤是保证 GPS 手机的质量保证以及合格供应的一个有效工具和步骤，GPS 模块因为其应用的重要性以及设计的复杂性，因此其合格的测试流程，是质量的重要保证。GPS 的测试分室内和室外两种(主要是 GPS 的信号源来区分)，室内部分主要是使用 GPS 信号模拟发生器来发出固定信号强度和地理数据的 GPS 信号，手机接受模拟 GPS 信号，通过 GPS 接受到的信号来检验 GPS 的性能。室外部分主要通过从外部引入实际的 GPS 信号(GPS 在室内无法接受到信号)，通过GPS 设备接受信号，来检验,性能。下面是 GPS 测试时的技术需求: ?针对 GPS 手机工厂测试的主要技术参数 关机电流 待机电流 定位电流 C/N0 ?OQC 测试需求 (下转第 37 页) - 39 - 图 3 录/放音电路图 段时间的一个音符的声音。若一个音符的频率为 f 音(Hz)，单片机系统的晶体振荡器的振荡频率为 fosc，则定时器的定时时间=1/2f 音，定时器的初值为=216-(1/f 音)/(12/fosc)。设计程序时，给各音符编码，由编码查表，得到要放音音符的定时器的初值，从而控制方波信号的频率就可让喇叭放出各音符的声音。 (四)节拍的产生 用作音乐盒时，曲目中各音符的节拍用延时时间产生。例如，1 拍=0.4s,1/4拍=0.1s，从此类推;假设 1/4 拍执行一次延时程序，则 1/2 拍就执行两次延时程序，所以只要求出 1/4 延时时间，其余的节拍就是它的倍数。由于不同的音乐每小节的拍数不同，可以适当调节一个延时时间的长度。 用作演凑器时，由敲击键盘的时间来产生各音符的节拍。 (三)音符频率 1.音符频率 对应不同的音调，音符的频率有所不同。同一音调下，各音符的频率值的数学关系是等比级数关系，公比为 2=1.059463094。 不同的音调，音符的频率见表 1 所示。 表 1 对应不同音调的音符频率表 (五)系统软件设计 在主程序中进行音乐演奏器的功能，当按下外部中断 0 的按键时，单片机响应中断，在中断服务程序中完成播放乐曲的功能。由单片机内部定时器 T0、T1 完成对音频脉冲信号进行定时的功能，时间一到，P2.0 取反输出，就获得了对应音符的特定频率的方波信号，通过 TDA2030 推动喇叭，发出音符的声音。 主程序流程图如图 4 所示，外部中断服务流程图如图 5 所示，定时器中断服务程序流程图如图 6 所示。 由单片机的一个 I/O 引脚输出音符的脉冲信号，通过 TDA2030 推动喇叭，就能发出一个音符的声音。通过单片机内部定时器定时来控制单片机的 I/O引脚输出信号的变化频率，实现音频脉冲信号的频率要求。 系统中利用单片机的内部定时器/计数器，设它工作在方式 1，定时中断，控制P2.0 引脚的输出信号在定时时间一到就取反，就可以在 P2.0 的引脚输出相应的方波频率信号，改变计数初值就可以改变频率。定时器的定时值为某一音频的周期(1/频率)的 1/2，定时时间到就将输出脉冲取反，就可在 P2.0 脚上得某一音频的脉冲，根据音符节拍重复此过程，就可得到维持一定时间的某一音频的脉冲，喇叭就能发出一 (上接第 39 页) 耦合 C/N0 真实信号定位(从室外引进信号) ?PQC 抽检 抽取一定比例的手机在外部开放地带实际测试定位能力 ?设备需求 单通道 GPS 信号模拟器 多通道 GPS 信号模拟器 GPS 信号放大器 信号衰減器 屏蔽室 图 4 主程序流程图 图 5 外部中断服务流程图 图 6 定时器中断服务程序 系统利用单片机、TDA2030、ISD1760 芯片，将传统与当代技术进行结合，完成了多功能的音乐演奏器的功能，还可对 ISD1760 芯片的功能加深应用，使系统更具有更智能化的功能。 【参考文献】 1 韩志军,沈晋源,王振源.单片机应用系统设计-入门向导与 设计实例M.北京:机械工业出版社,2005. 输和交通工程。目前，GPS 全球定位系统的开发及数据通信在手机中的应用还刚刚起步，随着中国经济的发展和 GPS技术的应用研究的逐步深入，其在手机中的应用也会更加广泛和深入，并发