远程定位系统的设计方案.docx

远程定位系统的设计方案1.1 课题的研究背景及研究意义曾经风靡全球的定位系统1（Global Positioning System）,缩写GPS。现在定位技术发展相当成熟的年代，GPS定位技术2仍然是一块不朽的丰碑，其研究意义仍然具有代表性。对GPS定位系统的不断研究可以使定位系统不断的向小型化，智能化与多功能化发展。1.1.1 研究背景信息革命时代，高精度的卫星导航定位技术3发展迅速，应用范围愈来愈广。GPS定位系统可以比比喻成一个在太空中的设置的无线导航台，该系统是由24颗定位卫星组成4，无论在什么时候，都可为地球上的各种客户确定其所在地的地理位置的经纬度以及海拔高度等数据信息。全球卫星定位系统，即一个按相应分布原理分布在地球上空的24颗卫星组成的卫星系统。这样的卫星系统，保证了在地球上任何一个地面位置上在同一时刻都可以同时检测到4颗或4颗以上的卫星,从而保证卫星可以准确采集到该观测点的经度、纬度、高度、速度等信息,迅速实现卫星导航、定位、授时等功能5。还可用于飞机、船舶、车辆以及个人导航，按指定路线精确抵达目的地。有效的降低了用户为了寻找目的地而付出的资源浪费，从一定程度上提高了作业效率、科学水平以及人们的生活质量2。1.1.2 研究意义课题研究的基于GPS与GPRS的定位系统的应用领域相当广泛，基于不同的领域都是有其相适应的研究意义，下面简单的介绍一下课题研究的几点意义： 车船防盗系统：GPS定位技术可以应用于汽车、轮船等交通设备的防盗系统6。安装该防盗系统终端在汽车、船只等设备上面，该终端能够自由的获取GPS的定位信息，在该设备被盗的情况下就可以向终端发送定位请求，这样就可以通过接收到由终端传来的GPS定位信息，寻找丢失的车辆与船只等。 导航系统：凭借GPS的定位系统具有全球、全天候工作、高精度定位、观测时间短等特点，在海上作业、陆路运输、野外勘测等其他行业都承担着导航定位的重任。 其他领域：除了防盗系统，导航定位系统在其他的领域也同样扮演者重要的角色。例如，该定位系统为游客们在出门旅游时也提供了相当的便捷与安全。在测绘领域也大有作为7，为工程师们提供便捷服务。 市场价值：随着互联网技术8的不断发展，人们对高品质生活质量的不断提高，高精度的定位电子产品以及相关技术将不断应用在人们的日常生活必需的产品中。随着相关电子产品（例如：智能手机）的普及，该技术也将拥有巨大的市场价值。1.2 国内外发展状况美国GPS：GPS是由美国国防部在1970年代初开始设计与研发，直到1993年才基本全部建成9。美国政府在1994年宣布在未来10年内会免费向世界各国提供GPS使用权限，由于军事原因，美国也只会提供精度相对较低的定位信息10。这样的定位系统也等价于为美国设计了一个退路，如果发生了军事战争，美国军方为了自己的安全，完全可以关闭对该地区的使用权。GPS导航定位技术的研究，国内外的水平都是参差不齐,下面简单的从国内、国外两个方面进行介绍。1.2.1 国内发展状况我国的卫星定位技术相对于一些发达国家来说起步较晚，从上个世纪八十年代初期才开始从国外引进卫星导航技术，但我国的卫星定位技术发展却非常的迅速。现基本已经处于国际领先水平。初期的时候，我们引进的定位技术主要用于工程测量，石油勘测等大型项目上面11。在80年代末期的时候我国又再次的引进GPS定位技术，并开始自己研发基于GPS的定位系统，该技术还只是作用于小部分部分产业，但是带来相当可观的经济效益。到上个世纪末期，中国就开始研发属于中国人自己的卫星定位系统，并在2003年6月份，已经成功发射了覆盖整个亚洲的3个同步卫星，该定位卫星主要用于国家安全领域，还没有发展到民用领域。这三颗卫星就标着属于中国人自己的卫星定位系统的诞生，“北斗”导航系统12的诞生。发展中国自己的导航定位系统，2000年10月31日和同年的12月21日，我国成功的发射了两颗北斗一号卫星，由这两颗北斗卫星构成的独特的“双星有源定位系统”。第三颗北斗卫星成功发射与2003年5月25日。它是北斗导航定位系统的备用卫星，这三颗卫星组成了具有我国自主知识产权的第一代卫星导航系统。1.2.2 国外发展状况世界上第一个实用的卫星导航系统,是美国研制的子午仪(Transit)卫星导航系统,又称为海军导航卫星系统(Navy Nva1gation Satellite System13),于1964年正式投入使用,主要为美国海军服务,子午仪系统有4-6颗卫星组成导航卫星网14。卫星轨道是近似圆形的极轨道,每个轨道上有一颗卫星,卫星沿南北方向运行,轨道高约1100公里,卫星绕地球一周的运行周期约为107分钟,子午仪系统能在全球范围内,全天候实现二维(经度、纬度)定位,航行定位精度0.1-0.3海里,缺点是不能连续定位,一次定位的时间又较长,且不能确定用户位置的高度,因此限制了飞机等用户的使用。为更好地为军方和人民提供高质量的定位信息，最后美国决定于1973年开始研制一种新型卫星定位系统15，并且命名为全球定位系统( Global Positioning System)，简称GPS。1978年之后,一些北大西洋组织的国家和澳大利亚也参加了GPS计划，并于1993年全部建成16。为不受美国的限制，1999年欧洲空间局提出并计划，准备发射30颗卫星，为满足欧洲的海陆空导航系统等作用的定位系统，该系统就组成“伽利略”卫星定位系统17。日本研究了一种区域性卫星导航和气象导航双重功能的导航系统18。该系统用两颗同步卫星：一颗是通信卫星，保持飞机或船舰与地面站的通信联络；另一颗是气象卫星，用户及地面站可接收其信号，用来协助选择最佳航线。通过两颗卫星发出的信号的应答，可实现准确定位。1.3 本课题的研究内容一款定位系统的终端性能的设计主要决定于GPS定位芯片的选取，以及主控中心器材性能的选择。现在大部分的定位终端的设计基本都是基于嵌入式方案实现的。对于本课题的研究，为了降低开发成本，主要是采用一款传统51内核的STC12单片机作为控制芯片。采取这样STC12单片机不仅克服了使用普通单片机功能单一，资源分配不合理，或者避免使用更高端单片机的资源的浪费，从而可以降低成本与节约资源，还可以使系统资源得到合理优化。本课题研究内容：设计时GPS定位系统采用的是STC12C5A60S单片机作为主控器，U_Blox Neo 6M作为定位信息接收模块，SIM300作为通信模块芯片，这样的搭配节约了成本缩短了开发周期。实现功能是通过U_Blox接收GPS定位信息，单片机通过串口接收并且处理来自GPS的信息数据，处理好的数据然后通过单片机的另一个串口发送给SIM300模块，该模块就可以将接收到定位数据以短信形式发送给手机。这样就实现了定位及定位信息发送的功能。1.4 文章整体结构本文共分为7章，各章的主要内容如下：第1章：绪论。主要介绍课题的研究背景以及研究的意义，国内外发展状况和应用现状，以及论文所需要完成的主要内容以及文章的整个组织结构。第2章：定位系统的相关技术介绍。本章是论文的第一个重点，主要是全方位介绍与定位系统相关的技术，简单分析了现在最流行的GPS卫星定位系统相关定位技术，分别从几个方面对这四个定位系统作简单的比较分析，完成分析过后然后再列出课题选择的GPS定位系统的相对优势。章节最后对GPS定位系统的通信协议进行介绍与学习。第3章：系统总体设计。对第2章GPS定位系统展开的全方位介绍，本章将继续围绕课题的第2个重点：定位系统总体设计框架与思路。了解系统需求，基于系统设计原则对系统整体结构进行详细说明。这一章从系统功能、系统组成部分、系统设计方案的选取及定位终端硬件模块的选取这四个方面为突破口进行突破。第4章：系统硬件设计。充分了解系统的功能及组成部分后，本章主要阐述了定位终端的硬件设计与实现过程。这一章主要从系统终端总体硬件结构图、单片机控制模块选材与电路设计、GPS接收模块选材与电路设计、SIM300模块选材与电路设计、电源模块设计、串口模块设计、LCD显示模块设计等，全面介绍定位终端硬件结构设计。第5章：系统软件设计。基于硬件电路设计的基础上，下面主要任务就是通过单片机编写主控制程序。主控制程序编写设计模块分别从定位系统总体软件结构设计、MCU控制模块的主要功能及流程设计、GPS模块的主要功能及流程设计、SIM300模块的主要功能与设计、LCD显示模块的功能与设计、串口操作模块设计来进行主控程序的说明与实现。第6章：系统测试过程。整个系统的设计和以及最后的调试都是重要的环节。调试和测试在整个系统的设计过程中占有很大比重，只有在不断的调试当中才会发现错误并及时修改程序以达到最佳效果。本次调试分为硬件和软件调试两大部分。第7章：本次毕业设计的工作总结、不足之处以及今后继续研究的问题。1.5 本章小结本章主要围绕着设计课题的研究背景和意义，国内外的发展现状，论文的整体结构以及各章节所涉及的内容，为后续章节的完成打下良好的基础。第2章 定位系统相关技术2.1. 美国GPS定位系统GPS全球定位系统（Global Position System），美国国防部在上个世纪70年代制定的研究计划，该计划耗资200多亿美元且历时20年，于1994年正式完成了该计划。也就是宣布了一个具有在海陆空都能全方位的、全天候的、高效的进行定位导航的空间卫星系统的诞生。该定位系统不是凭空而建的，而是基于美国当时军方使用的海军导航卫星系统(Navy Nva1gation Satellite System)又重新研制的更加全方位的定位卫星系统。按照现在的GPS定位系统的数据资料显示，该定位系统在地球上空20200公里的空间分布了24颗定位卫星。这24颗卫星群还包含了3颗备用卫星，它们都是绕组地球以近似圆形的轨道运行，24颗定位卫星平均分布在6个空间轨道上面，每个轨道的倾角大约为55度，每颗卫星的运行周期大概为11小时58分钟。这24颗卫星的分布准则是保证我们在地球上面任何地方都可以同时观测到4颗或4颗以上的定期卫星，这样才能保证定位的准确性、全方位及全天候性。随着GPS定位系统日益完善，互联网技术的日益普及，应用领域也不断扩大，成为人们日常生活中的不可或缺的技术。2.1.1 GPS系统组成GPS系统由三个部分组成：空间组成部分、地面监控部分、GPS接收用户部分。下面简单的从这三个部分作简要说明。（1）空间组成部分：这部分即是由空间分布的24颗卫星群组成的，通常记为（21+3）GPS卫星群。24颗卫星群还包含了3颗备用卫星，它们都是绕组地球以近似圆形的轨道运行，24颗定位卫星平均分布在6个空间轨道上面，每个空间轨道的倾角大约为55度左右，每颗卫星的运行周期大概为11小时58分钟。站在地球表面附近的的观测者,每次大约时隔4分钟就会见到同一颗定位卫星。处于地球表面以上可观察到的卫星的数量会随着时间或地点的不同而不尽相同,但是最少可观察到4颗,最多甚至可到11颗卫星。3颗备用卫星，会在卫星发生故障的时候，根据指挥部的指令与发生故障的卫星进行替换,这就为GPS空间部分能够正常高效的工作提供了有力的保障。（2）地面监控部分：GPS工作卫星的地面监控系统主要由主控站、注入站和监测站组成。GPS地面监控站主要由一个主控站、三个注入站和五个监测站19组成，具体如图2-1所示。主控站主要是管理、协调地面监控系统各部分的工作，采集各监测站的数据信息，编制导航电文数据，并送往注入站。注入站再将卫星的星历注入GPS卫星，监控该卫星的运行状态，并向该卫星发送控制指令信息；卫星维护与异常情况的处理。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中去。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但是导航精度会降低。图2-1 GPS地面监控中心（3）GPS接收用户部分：即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用20。2.1.2 GPS技术特点（1）定轨精度：由美国大陆基地以及美国的海外军事基地上的5个监测中心的观测数据计算得到的广播星历。但因检测中心数量少,故该系统的卫星定轨精度不高。这样计算的卫星定位位置切向误差范围5m；径向误差范围3m；法向误差范围3m。除了广播星历，美国国防制图局根据全球20多个卫星跟踪站的观测资料计算还有一套精密星历，因检测中心数量多且分布范围广，故该定轨精度较5个检测中心的道德数据高出一个数量级。由国际GPS地球动力学服务组织(IGS)所测算预报的精密星历比美国军方测定的精密星历的精度要高得多,卫星位置精度可达3厘米21。（2）信号分量：GPS信号包含了三种信号分量，即载波、测距码和数据码。这些信号分量都是在同一个基本频率F0=10.23MHz的控制下产生的。每个GPS卫星在两个频率波段上发布独立信号。GPS卫星的测距和数据码是采用调相技术调制到载波上，即在两个波段(L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz)的载波信号中22。C/A码是一种短码，用于跟踪、锁定测量的伪随机码，码率为1.023Mb/s，波长约为300米，周期为1Ms。P码是GPS的精测码，码率10.23Mb/s。（3）定位精度：利用伪随机码的信号单机测量，理论上按照目前测距码的对齐精度约为测距码波长的1/l00计算，C/A码的测距精度约为3m；而P码的测距精度约为0.3m。消除公共误差提高定位精度，可利用2台以上的载波相位GPS定位仪实行联测定位，对于载波信号单频机的相对定位精度可达：(5mm+2ppm D)其中D为两台仪器的相对距离；对于载波信号双频机，它能有效的消除电离层延时误差，其相对定位精度可达：( 1mm+1ppmD )23。2.1.3 GPS定位原理（1）单点动态定位：就是将一个GPS用户接收机放在一个运动着的载体上，并且该载体能够自动地测得自己动态的实时位置，然后就通过这些实时位置获得的数据处理得到运动载体的具体运行的轨迹。该定位原理又称为“绝对动态定位”。单点动态定位基本方程（2-1）。 (2-1)式中，Xu、Yu、Zu为动态用户组在Tk时刻的瞬态位置状况；式中Xj、Yj、Zj也是描述第j颗GPS卫星在其运行的轨迹上瞬时位置坐标，这些坐标可根据星历计算而得到。j为GPS信号接收机的接收天线和第j颗GPS定位卫星之间的距离，又称为“星站距离”。d是卫星距离偏差，是由GPS信号接收机的时钟误差及其他误差因素所导致的距离偏差。利用（2-1）计算用户的位置时，不能直接计算出它们的三维坐标，而是只求出了每个坐标分量的修正量，即假设用户初始的三维坐标值为（Xu0,Yu0,Zu0），而计算出的三维坐标的改正值则为Xu,Yu,Zu以及距离偏差d。然后对（2-1）式中Xu，Yu，Zu分别微分处理，便可得出一组线性方程（2-2）: (2-2)其中，矩阵为 (2-3)j为对应于第j颗GPS卫星的伪距观测值。利用式（2-3）计算的运动载体的实时点位坐标时，因此后面每一个点位的初坐标都可以根据前一个点位坐标来进行设定，所以关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能精确求的第一个点位的三维坐标。（2）实时差分动态定位：就是将一个GPS用户接收机放在一个运动着的载体上，并且将另一台GPS接收机放在一个基准站之间，这样协作测量该运动载体的实时位置，然后就通过这些实时位置获得的数据处理得到运动载体的具体运行的轨迹，故差分动态定位原理又称为“相对动态定位”。所谓实时差分动态定位（DGPS），就是用两台接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的精密位置。其中一个检测站坐标信息是已知，基准接收机就是设在该基准点的GPS信号接收机。动态接收机，即GPS信号接收机安设在运动载体上，基准接收机和动态接收机同时测量来自相同的GPS卫星的定位信号。利用基准接收机所测得的三维位置信息并与该点已知三维位置信息进行比较，便可得到该GPS定位的三维坐标信息的改正值。及时将GPS三维坐标信息的改正值发送给其他客户的动态接收机组，及时改正后面所检测的实时坐标位置信息，这就被称为实时差分动态定位。图2-2为实时差分动态定位24的原理框图。图2-2 差分动态定位的原理框图（3）后处理差分动态定位25：后处理差分动态定位和实时差分动态定位的主要差别在于：在运动载体和基准站之间，不必像实时动态定位那样要建立实时数据传输，而该定位原理则是在定位检测以后才对动态接收机和基准接收机所采集的定位信息进行测后的处理，而测出接收机所在的载体在对应时刻位置坐标信息。2.2 四大系统的比较随着世界上面全球定位的不断发展和应用的不断更新，现在的卫星导航技术比过去的无线电导航技术、天文导航技术等传统技术更加的先进与精准，目前已经成为一种普遍的导航技术，并且应用于许多领域。至于上面所提到的四种卫星定位系统，目前使用最广的也就是美国的GPS全球定位系统，在GPS刚刚完成计划的初期，美国军方都不会直接把GPS精确地定位信息共享出来够大家使用，而是被美国军方在其基础上施加了一种干扰信号，使得除了美军自己以外的所有用户只能得到定位精度在100m，授时精度340ns的服务。随着后面俄罗斯的格鲁纳斯和欧洲的伽利略这两个导航定位系统的建立与启动服务，使得控制的GPS定位系统的美国军方压力很大，最终决定于2000年5月全面撤销对GPS的人为干扰，这使得GPS的定位精度提升到20m，授时精度提高到了40ns，并且承诺会加快对GPS的完善，还会增加两个民用的频率。尽管俄罗斯的格鲁纳斯定位系统没有像美军一样的人为加一些干扰信号，但是由于俄罗斯当时的政府经济处于一片萧条的状态，这一经济状况导致了俄罗斯无法及时的更新一些已经快到服务年限的定位卫星，由于卫星得不到及时的更新与替代，导致了格鲁纳斯的定位精度也一直处于老状态，没有得到巨大提升。所以，格鲁纳斯想在由GPS统治的导航市场上面站稳脚跟也是很难的。对于我国的北斗导航系统，相对于前面几种卫星定位系统来说，主要是定位时间较慢，平均每次定位时间大于等于0.6s，不能连续导航，且无法适应高速运动的环境，只能运行在低速运行或则提供静态定位服务。除此之外，北斗定位系统不仅需要地面中心站提供数字高程图信息，还需要用户接收机发送上行，因为这样的原因才使得该系统受到了许多方面的限制。至于欧洲的伽利略卫星定位系统，该系统虽然主要应用于民用，但是目前该系统还有许多技术不是很成熟，离我们的实用性还是有很多差距，综合上面的所有信息，目前我国现在应用最多的导航定位系统还是美国的GPS全球定位系统。2.3 GPS定位系统的相对优势美国全球定位系统具有全球、全天候工作、定位精度高、功能多，应用广等特点。相对于其他的几种定位系统，这里总结了一些GPS的相对优势：（1）高精度，时效快：GPS的定位精度相对较高，按照理论计算可以达到5m左右；且时效快，平均1秒就可以进行一次定位，这个时间对于高速运动的物体定位尤其重要。（2）被动式的工作原理：GPS导航定位时候，用户设备只需要接收GPS发送的信号就可以了，直接对其信号进行处理就可以了，更不需要像北斗一样还要发送用户信号，GPS这种原理可以容纳更多的用户，且隐蔽性比较好。（3）全球连续导航定位：GPS空间部分是由24颗卫星组成，合理的分布在6个轨道上面，轨道高达20200km，所以在地球表面或者近空空间任何一点，均可同一时间观测到4颗以上卫星，从而可以实现全球、全天候连续导航定位。2.4 GPS定位系统的通信协议NMEA-0183NMEA-0183协议，接触过GPS设备或者用过GPS设备研发的都了解，这是一个很常用的GPS通讯协议。简单的介绍一下GPS定位系统的NMEA-0183通信协议。GPS接收机与手持机之间的数据交换格式一般都由生产厂商定制，其定义内容一般用户很难知晓，并且对于不同品牌、不同型号的GPS接收机所配置的控制应用程序也因生产厂家的不同而不尽相同。所以对于通用的GPS应用软件，需要定义一个标准的数据格式，以解决与任意一台GPS的接口问题。NMEA数据标准就是解决这类问题的方案之一。为在不同型号GPS导航设备中建立统一的RTCM标准才制定了NMEA通信协议，RTCM标准最初是由美国国家海洋电子协会统一制定的。NMEA26协议有0180、0182和0183这3种，NMEA-0183可以简单理解是前两种的升级版，也是目前使用最为广泛的一种。2.4.1 NMEA-0183通讯协议硬件接口NMEA-0183标准的GPS接收机的硬件接口能够兼容PC机的RS-232C串口协议，严格来说NMEA标准不是RS-232C，规范推荐依照EIA-422，是一个与RS-232C不同的系统。标准RS-232C采用负逻辑，即逻辑“1”表示-5V-15v，逻辑“0”表示+5V+15V，利用传输信号线和信号地之间的电压差进行传输。EIA-422标准是利用信号线之间的压差来传输信号的，每个通道都有信号线，分别为逻辑“1”和逻辑“0”，传输驱动器和接收器主要功能是转换逻辑电平的电位差，允许驱动器输出为2V6V27 。2.4.2 NMEA-0183语句解析NMEA-0183通讯协议所规定的通讯语句都已是以ASCII码为基础的。为了能够更好地提取GPS信息数据，必须理解NEMA-0183协议的帧结构，其帧结构如图2-4所示。NMEA-0183协议语句的数据格式28如下：“$”为语句起始标志；“，”为域分隔符；“ *”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值；“”为终止符，也就是ASCII 字符的“回车”（0X0D）和“换行”（0X0A）。典型的NMEA-0183语句如下面的GPRMC语句。当GPS正常工作时，语句如：$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54 当GPS收不到卫星信号时，GPRMC语句输出变为：$GPRMC,121252.000,V,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54 NMEA-0183规范还允许个别厂商定义私有的语句格式，这些语句以“$P”开始，然后是三个字符长度的厂商识别号，跟着是厂商定义的数据，接下来的数据格式与标准格式相同。如Garmin的PGRME私有格式如下：$PGRME,4.4,M,2.5,M,11.4,M*8。其中，“P”代表私有格式，“GRM”是Garmin的代码，“E”表示语句类型。图2-4 NMEA_0183协议帧结构2.5 GPRS技术介绍General Packet Radio Service的英文简称GPRS，是鼎鼎有名的通用分组无线业务。GPRS这个业务是在当时现有的GSM网络基础上面发展的一种新的业务，GPRS的主要功能就是为当时的GSM用户提供额外的数据分组服务。GPRS和大家都很熟悉的GSM都是采用相同的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及 TDMA 帧结构。GPRS这样新的数据分组形式与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的 GPRS覆盖。通用分组无线业务可使用户在点对点的分组模式下进行数据的收发，并且不需要以前交换模式下的网络资源。这样的无线分组服务不仅高效而且低成本。GPRS的适用的数据传输模式是：间断的、突发性的、少量的和频繁的、偶尔的大数据量传输。2.6 本章小结本章主要介绍了课题设计过程中的核心技术。具体内容包括：全球四大定位系统介绍、四大定位系统之间的差异、GPS定位系统相对优势，最后介绍了和课题设计相关的NMEA-0183通讯协议和GPRS的相关知识。第3章 系统总体设计3.1 系统功能与组成本课题研究的对象是一个定位系统装置，该系统研究设计主要运用了GPS技术，GPRS技术和通信技术。本系统主要通过单片机实现对GPS于SIM300模块进行连接，利用串口通信来处理两个模块的数据，实现获取GPS的定位信息，然后通过SIM300模块把采集的定位信息传送给相应的接收端，从而实现远程定位。本课题研究设计的远程定位系统集中了许多技术知识，其中最主要的技术就是单片机的串口操作，因为要想通过单片机对GPS模块或者SIM300模块信息的处理都必须通过串口来进行。为了让系统能够更好地进行工作，所以系统还包括了GPS接收模块，SIM300信息发送模块，LCD液晶显示模块等组成部分。3.2 系统设计方案的选取能够实现与本系统相同功能的产品现在商场里面也有许多，但是针对不同的客户需求，所以GPS远程定位系统的性能也不尽相同，各自的开发环境也各不相同，但是目前他们的具体实现方案一般都可以归纳成以下几点：（1）高性能的定位系统设计高性能的定位终端设计一般都是基于嵌入式系统来开发设计的，这样的嵌入式系统硬件结构主要包括：微处理器或处理器、存储设备、外设器件、图形处理等设备。软件组成主要包括：操作系统和应用程序部分。在嵌入式技术高速发展的时代，不同的嵌入式设备运用的操作系统种类也不尽相同，并且几乎每一种操作系统都会有自己对应的一套编译环境，并且开发环境也相差较大，这对系统的移植提出了许多挑战，而且开发难度较大，相应的开发周期比较长。开发嵌入式系统成本相对较高,对于以定位导航为主的来说,使用嵌入式系统容易造成资源重大浪费。（2）嵌入式PC定位系统设计嵌入式PC又称为单板计算机，嵌入式PC主要是将PC机上面的必须资源集中到一块体积相对较小的单板上面而已。这块单板上面还是集成了微处理器、I/O端口、插槽等器材，因此性能与通用的PC机没有什么大差别。嵌入式PC机以各种工业控制机为代表，主要针对工业应用方面的特殊设计，从而达到抗干扰与实现小型化的功能。在实际的开发应用中可以将嵌入式PC看作通用PC来进行处理。一般来说，嵌入式PC机的处理能力强于嵌入式系统，而且嵌入式PC机的外围接口相当丰富，开发时不需要进行外围电路设计。在结构上,嵌入式PC机和通用PC一样，支持通用的PC操作系统,通用PC上的应用软件可直接进行下载移植。对于多数开发人员来说，单板机上进行应用程序开发比较容易掌握，且开发难度小。相对于单片机和嵌入式系统，嵌入式PC开发成本高，体积大，较适用于大型监控系统中。（3）单片机实现方案嵌入式微控制器通常都是称为单片机，单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器、随机存储器、只读存储器、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用单片机由于具有成本低、控制系统组成灵活方便、调试方便和维护简单的特点，因此获得广泛应用。目前多数定位导航采用基于单片机的实现方案。定位导航过程中，定位导航终端需存储大量的历史定位数据信息，一般常用的单片机(如传统8051单片机)远不能满足存储要求，为了能够正常工作就必须扩展flash芯片来增加存储空间，这样不仅提高了开发成本，还降低了系统的抗干扰性。而且一般8051单片机没有看门狗电路，程序在运行中遇到干扰容易跑飞，更增加了系统的不稳定性。所以本课题准备采用单片机作为主控芯片，为了有更大的FlashROM，所以选用了STC12C5A60S作为主要处理器。STC12C5A60S单片机是一块基于传统的51单片机内核来开发的，降低了开发设计的难度，再加上这块单片机拥有60KB的FlashROM,所以这也完全可以满足我们对存储的需求。对这三种设计的方案综合分析，最终选用了采取单片机控制，这个方案不仅经济实惠，而且难度适中适合初级工作者设计。3.3 该系统定位终端硬件模块的选取3.3.1 主控制模块定位系统设计性能与硬件选取有很大关系。根据上面设计方案的选取，所以主控制芯片选择了传统51内核的STC12C5A60S2单片机。选取的单片机与GPS接收机共同构成了定位终端。整个定位系统的软件设计程序都存放在这款单片机的存储器里面。STC12单片机通过串口与GPS接收模块进行数据处理，提取出GPS模块传来信息里面的定位数据，然后显示在LCD液晶显示屏上面。也可以通过单片机的串口将GPS的信息传输到SIM300模块里面，并通过SIM300模块编辑短信，并以短息模式将这个定位信息发送给相应的手机。3.3.2 定位模块定位模块主要就是对GPS信号接收机的选取，通常主要从技术参数，通信协议，控制接口和成本几个方面考虑。日前市场上面大多数的GPS模块性能都是差不多，基本都支持16通道，采用C/A编码。本系统综合定位精度要求选取了现在主流的U_blox公司的U_blox Neo 6M 定位芯片，这个定位精度相对较高，并且价格合理，数据传输通过串口操作简单方便，采购的U_blox Neo 6M如图3-1所示。图3-1 U_blox Neo 6M实物图3.3.3 SIM300通信模块为满足数据能及时传输，选用了相对常用的短信形式来进行传输，即利用短信形式进行传输定位信息。为了实现这一功能，就应该选择合适的通信模块。目前市场上面有许多这样的芯片，但从操作难度，适用性等方面考虑，本次设计选择了SIMCOM公司的SIM300模块，该模块集成了短信与GPRS两个种不同形式的数据传输方式，正好也符合本课题的研究需求。3.3.4 LCD液晶显示屏显示界面的选择空间很大，选择的产品也比较多，主要都是看你对显示界面的要求，可以选择LCD，也可以选择LED。本次课题由于对显示界面要求不高，又加上作者有对LCD显示屏有过了解，所以这次选择了PCD8544LCD显示屏，通常又称为NOKIA5110。PCD8544是一块低功耗的CMOS LCD控制驱动器，设计为驱动48行84列的图形显示。所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，只需很少外部元件且功耗小，使用相对简单方便。3.4 本章小结本章主要从系统的功能、组成部分、设计方案的选取以及设计的相关硬件模块的选材等，全方面介绍了课题的设计方法与研究方向。使读者对本课题研究有一个全方面的了解与认识。第4章 系统硬件设计4.1 定位系统总体硬件结构系统主要涉及的模块有控制中心模块，GPS定位模块，SIM300通信模块，LCD液晶显示模块，串口数据传输模块等部分组成。其中总体设计框架如图4-1所示。图4-1 总体设计框架4.2 单片机控制模块设计系统主要控制芯片选择了STC12C5A60S单片机，下面简单介绍这款单片机的具体性能。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，但是速度快8-12倍。内部集成了MAX810专用的复位电路，2路PWM,8路高速10位A/D转换。集成了两个全双工异步串行口（UART），这个正好满足了同时对GPS模块和SIM300的操作，符合设计需求。系统设计过程中，单片机模块的电路设计原理图如图4-2所示。图4-2 单片机模块原理图4.3 GPS接收模块设计GPS接收芯片选择的是U_blox公司的Neo 6M，该GPS芯片独立的具有高性能的u-blox 6定位引擎GPS接收机。这种灵活的具有成本效益接收器采用了1612.2 x2.4毫米微型封装技术。其紧凑的结构和断电记忆功能选项，使NEO-6M模块非常适用于电池供电的移动设备具有非常严格的成本和空间的限制。50个通道的U_blox 6M定位引首次定位时间小于1秒。由于这款芯片只需要对其串口进行操作，所以电路设计也只是选择这个芯片的两个串口通过MAX232将TTL电平转换成232电平这样有利于单片机的读取数据，具体电路设计原理图如图4-3所示。图4-3 GPS接收电路原理图4.4 SIM300模块设计4.4.1 产品概念SIM300是一款三频段GSM/GPRS模块29，可在全球范围内的EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz三种频率下工作，能够提供GPRS多信道类型多达10个，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案。SIM300结构小巧，外形尺寸仅40mm*33mm*2.85mm，几乎可满足所有对产品尺寸有要求的工业应用，比如智能电话，掌上电脑和其他移动设备。模块与移动应用设备通过一个60引脚的板板连接器相连，它提供了模块与外设的所有硬件接口，除了RF天线接口。SIM300内部功能模块有：l 键盘和SPI 类型的LCD接口，方便用户开发自己的应用设备。l 具有调试和数据输出两个串口，帮助开发人员更容易开发产品。l 双音频通道，包含两个麦克风输入和两个话筒输出，由AT指令配置其工作模式。SIM300有两种RF天线接口：一种是天线连接器、一种是天线焊点。天线连接器型号为MURATA MM9329-2700，或者用户也可以通过天线焊点自己焊接天线。SIM300具有低功耗设计，睡眠模式下的电流消耗仅为2.5mA。SIM300内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便。4.4.2 SIM卡接口及电路设计SIM卡接口支持GSM Phase 1规范功能，也支持针对快速64kbpsSIM卡的GSM Phase 2规范功能（专为SIM卡应用工具箱的运用设计）同时支持1.8V和3.0VSIM卡SIM卡接口从模块（正常电压2.8V）内部调节器取电，所有引脚复位时输出为低电平，逻辑电平如下表1所述。一款静电放电装置，图中所示的22电阻应串联于模块与SIM卡的IO连线上，以匹配阻抗。上拉电阻（大约10K）必须加在SIM_I/O线上。SIM_PRESENCE引脚用来检测SIM卡是否被取下。您可以用指令“AT+CSDT”来设置SIM卡的配置。如果您不使用SIM卡检测功能，可让SIM_PRESENCE引脚NC或者接地，6引脚SIM卡参考电路如图4-4所示。表1. SIM卡接口信号SIM300引脚信号描述19SIM_VDDSIM卡在SIM模式下的自动功率输出，一个是3.0V10%，另一个是1.8V10%。电流约10mA21SIM_I/OSIM卡数据I/O23SIM_CLKSIM卡时钟25SIM_RSTSIM卡复位16SIM_PRESENCESIM卡存在图4-4 引脚SIM卡接口电路4.4.3 SIM300模块电路设计SIM300从VBAT采用单电压供电，电压为3.4V4.5V。某些情况下，当电流消耗升至典型峰值2A时，其传输脉冲的波动可能导致电压下降，所以电源供电必须能够提供足够到2A的电流。在VBAT输入引脚使用旁路电容。低阻抗，小尺寸的瓷介电容（MLCC）性能上是首选30，但成本较高。降低成本可以选用100uF的钽电容（低阻抗）并联一个小的瓷介电容（1uF到10uF）。电容放置尽可能靠近SIM300的VBAT引脚。具体电路设计如图4-5所示。图4-5 SIM300电路设计原理图4.5 电源模块设计由于STC12单片机是需要5V电压进行供电的，所以单片机供电模块是一个9V转5V稳压电路。为了满足具有较高精度的稳压电路要求，所以我们选用了五脚的LM2576S模块，该模块具有精度高，压差较小，省电等优势，而且对整体的干扰也较小。具体设计电路如图4-6所示。图4-6 9V转5VSIM300模块的供电电压要求是4.2V，所以为了由电源的9V得到能够为SIM300模块合适且稳定的供电电压，选择MIC29302芯片进行转压设计。为得到纹波少且稳定的电压，MIC29302后面加几组电容进行滤波，具体设计如图4-7所示。图4-7 9V转4.2VGPS模块电源设计，选用的U_blox Neo型号的GPS模块的具体供电电压为1.8V-3.6V，所以就设计了一个5V转3.3V的转压电路设计，具体如图4-8所示。图4-8 5V转3.3V4.6 串口设计模块目前RS232C是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS232标准(协议)规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。RS232中规定的最大传输速率为20kbns,在当时看来是足够了,但随着科学技术的发展,20kbps的通信速度已远不能满足人们的需要,因此新的修订版本中,RS232的最高通信速率可以达到2Mbps。通常在单片机系统中,由于其处理能力的限制,最高波特率一般为112Kbps左右.现在最常用的RS232采用负逻辑规定的逻辑电平,即逻辑“1”表示-3V-15V,逻辑“0”表示+3v+15v。大家知道RS232接口不能与单片机的异步串行通信接口直接相连就是因为单片机的TTL电平是正逻辑规定的逻辑电平。由于单片机、GPS芯片和SIM300芯片的串口都是TTL电平，为了能够更好的进行通信传输，本设计采用了MAX232串口芯片将它们的串口电平统一为232电平，所以设计的串口电路如图4-9所示。图4-9 TTL转232接口电路4.7 LCD液晶模块设计LCD液晶显示模块的特征数据列举出以下几个方面： 单芯片LCD控制/驱动 48行，84列输出 显示数据RAM 48*84位 芯片集成：LCD电压发生器（也可以使用外部电压供应）LCD偏置电压发生器振荡器不需要外接元件（也可以使用外部时钟） 外部RES（复位）输入引脚 逻辑电压范围VDD到VSS：2.7V3.3V 显示电压范围VLCD到VSS：6.08.5V LCD内部电压发生器（充许电压发生器）6.09.0V LCD外部电压供应（电压发生器关闭） 低功耗，适用于电池供电系统 使用温度范围：-25704.8 本章小结本章主要介绍了课题设计过程中的硬件搭建过程。具体内容主要包括：系统终端总体硬件结构图，单片机控制模块、GPS、，SIM300、电源、串口、LCD液晶等模块的硬件电路设计情况，全方面的阐述了整个定位系统的硬件设计流程。第5章 系统软件设计该远程定位系统主要是由MCU主控制模块，SIM300模块，LCD液晶显示模块，串口操作模块。具体如图5-1所示：图5-1 软件总体结构 MCU控制模块：该模块的功能是初始化主控单片机STC12XX（包括定时器函数的初始化设置、打开串口1和串口2的中断、设置串口1和串口2波特率）、SIM300模块和GPS消息的初始化设置、调用SIM300模块和GPS模块的函数、调用LCD液晶显示模块以及运行的相关函数。 GPS模块：GPS模块的功能是实现对GPS信息的读取采集，解析和对$GPRMC消息抽取。 SIM300模块：该模块主要实现对短信的读取采集，解析和发送，以及通过GPRS移动网络将数据传送到Internet网络上。 LCD液晶显示模块：选用的是Nokia5110的液晶屏，主要实现对单片机，SIM300，GPS的模块运行状态进行实时的显示以用户提示信息的显示。 串口通信模块：Uart模块主要的功能是通过串口1接收GPS信息，串口2来接收SIM300的信息，实现相应串口缓冲区的数据和信息之间的交换。5.1 MCU控制模块的主要功能及流程设计单片机对SIM300和GPS这两个模块的控制都是通过调用串口函数对单片机的自身的两个串口的读中断处理程序和写操作来实现的。此外还要保证串口收发数据的准确性以及单片机串口的比特率，收发数据的位数等信息，MCU控制模块实现程序流程图如图5-2所示。图5-2 主控制模块流程图5.2 GPS模块的主要功能及流程设计GPS定位信息数据符合NMEA-0183 通信准则，NMEA-0183准则的信息输出的格式是ASCII码。数据内容包含了经纬度，海拔高度，速度，时间等其他相关信息。GPS上电后，每隔一定的时间就会返回一定格式的数据。数据格式为：$信息类型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x。每行开头的字符都是$，接着是信息类型，后面是数据，以逗号分隔开。信息类型为：GPGSV：可见卫星信息；GPGLL：地理定位信息；GPRMC：推荐最小定位信息；GPVTG：地面速度信息；GPGGA：GPS定位信息；GPGSA：当前卫星信息，只解析GPRMC的信息。5.2.1 GPRMC数据详解$GPRMC,080655.00,A,4546.40891,N,12639.65641,