完全手册 51单片机c语言开发详解系列之第13章 综合实例――gps接收机

第13章 综合实例GPS接收机,本章通过一个GPS接收机的开发实例，讲解GPS的定位原理及其方法，并通过对图形点阵LCD的操作，实现对GPS定位信号的实时显示。通过该实例，读者能够学习到GPS定位、GPS协议解码、图形点阵LCD等各方面的知识。,13.1 系统结构与分析,GPS是一种用于定位与导航的设备。GPS接收机由核心处理器、GPS接收装置、液晶显示设备组成。GPS接收机能够以经纬度的形式，实时显示用户的当前位置。所有的信号由上空的GPS卫星提供。,13.1.1 GPS接收机功能分析,一个基本的GPS接收机，需要具备以下的功能。能够搜索上空可用的GPS卫星；能够从GPS卫星获得定位数据；对定位数据进行解码，获得需要的定位信息；具备人机界面，能够显示当前的位置（经纬度）；具备人机界面，能够显示实时的卫星时钟值；在满足上述条件下尽可能减小成本。,13.1.2 GPS接收机系统分析,本章介绍的GPS接收机，通过集成的GPS模块进行定位信号的结合搜，同时采AT89S51对接收信号进行解码，并通过RS232将测量值发送到上位机，同时通过图形点阵液晶对实时显示当前的定位信号，使在没有计算机进行连接的情况下也能够显示定位信息。,13.2 GPS定位知识简介,随着现今科学技术的发展，人们装备的现代化设备越来越多，随着爱车一族与户外一族的人数越来越多，GPS定位系统运用变得越来越流行。在各种出租车、警卫车、救援车上，GPS定位装置已经成为了必备装备，此外，GPS导航装置也成为了大部分私家车的一种可选装备。在户外运动中，GPS成为了出行的必备武器，也成为了危机时刻救生的定位来源。此外，GPS系统在各种大型建筑物、桥梁工程中也有广泛的运用。,13.2.1 GPS定位的特点,GPS是全球定位系统的简称（Global Positioning System），它是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。GPS可以为地球表面98%的地区提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。GPS作为一种全球定位系统具备以下一些突出的特点。不受任何天气的影响，全天候工作；范围广，覆盖全球98%地区；通过三维进行定点定速定时，精度高；定位速度快、省时效率高；功能多样化，应用广泛；在移动过程中也可定位。,13.2.2 GPS定位的主要功能,GPS主要有以下一些常见的功能应用。精确定时：广泛应用在通信系统基站、天文台、和电视台中；工程施工：采用GPS设备进行工程测量被大量应用到道路、桥梁、隧道的施工当中；勘探测绘：野外勘探及城区规划；武器导航：精确制导导弹、巡航导弹、炸弹；车辆导航：车辆调度、交通指引、监控系统；船舶导航：远洋导航、港口与内河导航；,13.2.2 GPS定位的主要功能,飞机导航：航线导航、进场着陆控制；星际导航：卫星轨道定位；个人导航：野外探险、个人旅游；车辆定位：车辆防盗系统物品定位：手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗；电子地图：移动定位系统；防走失系统：儿童及特殊人群的保护设备。,13.2.3 GPS定位系统的发展历史,GPS又称全球卫星导航系统或全球卫星定位系统，其前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），该系统于1958年被研制，在1964年时正式投入使用。Transit系统由5到6颗卫星构成的星网组成，每天最多绕过地球13次，但是无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。卫星定位显示出了在导航方面的巨大优越性，而子午仪系统又存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷，因此美国军方以及民用部门都迫切需要一种新的卫星导航系统。因此，由美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的构想。该计划用12到18颗卫星组成一个10000km高度的全球定位网。,13.2.4 现今的GPS系统,GPS全球定位系统属于圆型轨道的中距离卫星导航系统，它可以为占地表98%的地区提供准确的定位、测速和高精度的时间标准服务。如图13.3所示，该系统包括了太空中运行的24颗GPS卫星，处于地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站和用户端的GPS接收机。,13.2.5 GPS的定位原理,GPS定位的基本原理如下。由于高速运动的卫星瞬间位置为已知坐标，如图13.6所示，采用空间距离后方交会的方法，可以确定待测点的位置。,13.3 GPS通信协议NMEA Protocol,为了在不同的GPS设备之间建立统一的接口，各种GPS设备都有一些统一通信协议，例如NMEA、UBX协议等等。美国国家海洋电子协会（NMEA-The National Marine Electronics Associa-tion）制定了NMEA协议标准。NMEA-0183协议的标准规范制定了GPS接收机的串口通信协议，通过NMEA协议，可以将定位数据传送到单片机或PC机，并对接收到的数据进行分析处理。,13.3.1 NMEA 协议结构,NMEA协议格式如图所示，有以下几个主要的特点。NMEA通讯协议以$符号为开头；5位标识符确定通讯帧的类型；前两位标识符用于区分GPS信号与属性信号；后三位标识符用于表示帧内容；数据区域通过“,”进行分割，每种类型的数据帧都有固定的数据长度，数据可以为空；以“*”符号开始跟随两个16进制的校验码；每一帧消息均以结尾。,13.3.2 定位信息GPGGA帧,GPGGA是GPS定位信息帧，包含了GPS卫星时间、位置以及确定数据需要的其他参数，如可用卫星数等等。GPGGA的格式定义如下。$GPGGA,hhmmss.ss,Latitude,N,Longitude,E,FS,NoSV,HDOP,msl,m,Altref,m,DiffAge,DiffStation*cs,13.3.3 卫星信息GPGSA帧,GPGSA信息帧记录了当前卫星的信息，其帧格式如下。$GPGSA,Smode,FS,sv,PDOP,HDOP,VDOP*cs,13.3.4 地理定位信息GPGLL帧,GPGLL信息帧记录了当前地理定位信息，包括经度、纬度和UTC时间，其帧格式如下。$GPGLL,Latitude,N,Longitude,E,hhmmss.ss,Valid,Mode*cs,13.3.5 卫星状态GPGSV帧,GPGSV是记录当前接收卫星状态以及上空位置的信息帧，其帧格式如下。$GPGSV,NoMsg,MsgNo,NoSv,sv,elv,az,cno*cs,13.3.6 最小信息GPRMC帧,GPRMC记录了NMEA推荐的最小信息帧，包含了大部分定位导航需要的信息，其帧格式如下。$GPRMC,hhmmss,status,latitude,N,longitude,E,spd,cog,ddmmyy,mv,mvE,mode*cs,13.3.7 地表矢量GPVTG帧,GPVTG记录了接收终端的地表矢量速度，由地表角度和地表速度组成，其帧格式如下。$GPVTG,cogt,T,cogm,M,sog,N,kph,K,mode*cs,13.3.8 残差计算GPGRS帧,GPGRS记录了接收到卫星的残差，其帧格式如下。$GPGRS,hhmmss.ss, mode ,residual*cs,13.3.9 伪随机误差GPGST帧,GPGST记录了接收到卫星的伪随机误差，其帧格式如下。$GPGST,hhmmss.ss,range_rms,std_major,std_minor,hdg,std_lat,std_long,std_alt*cs,13.3.10 时间信息GPZDA帧,GPZDA记录了接收到卫星的时间和日期信息，其帧格式如下。$GPZDA,hhmmss.ss,day,month,year,ltzh,ltzn*cs,13.3.11 自修正GPGBS帧,GPGBS记录了接收接收机的自修正算法结果，其帧格式如下。$GPGBS,hhmmss.ss,errlat,errlon,erralt,svid,probmissed,sv_bias,sv_stdev*cs,13.4 GPS接收机显示终端点阵型LCD液晶,GPS收发器接收GPS定位信号，经过AT89S51进行解码处理后，需要显示给最终用户，用于定位、导航或者测量使用。这即是GPS接收机的人机交互界面，本章采用了点阵型LCD液晶屏作为GPS接收机的最终显示设备。点阵型LCD液晶屏具有以下一些优点：耗电量低； 显示界面灵活；分辨率高；接口灵活，方便各型号单片机使用。,13.4.1 KS0713简介,KS0713是一款集成的图形点阵LCD液晶驱动器，具有65个公共端和132字段的液晶驱动电路。KS0713能够直接与单片机进行连接使用，通信接口包括串行和并行接口。KS0713内置了一块on-chip显示数据RAM，大小为65132，因此处理器只需要更改KS0713内置RAM的内容即可以更改液晶的现实内容，而不需要实时刷新，因此给显示带来极大的灵活性与便利。,13.4.2 KS0713的单片机接口,KS0713与单片机的接口具备串行与并行接口，与单片机的接口由以下几个部分组成。片选：KS0713的片选引脚由CS1B和CS2组成，只有当CS1B为低电平输入和CS2为高电平输入时KS0713才能够和单片机进行接口通讯。当CS1B和CS2的输入不为上述组合时，KS0713的所有引脚都被禁止，从而无法使用。,13.4.3 KS0713的并行通讯时序,在并行接口模式下，不同的通讯方式如图所示。,13.4.4 KS0713的串行通讯时序,与并行接口不同，在串行接口模式下，KS7013在每个时钟的上升沿读取数据，,13.4.5 KS0713的Data RAM,KS0713通过液晶显示接口，控制液晶各段的显示，这个过程主要是通过内置数据RAM实现的。KS0713的内置显示数据RAM保存了所有显示的像素数据，该RAM是一个65行，132列的bits内存阵列。每块RAM能够通过不同的页设置与列坐标进行以字节为单位的访问。,13.4.6 KS0713的列寻址,通过列寻址，KS0713能够控制其132段液晶的与Data RAM的对应关系，如图所示，通过控制ADC的值可以改变列寻址方向，这在做LCD的镜像功能时十分有用。,13.4.7 KS0713的页寻址,联合KS0713的页寻址和列寻址，可以按照字节为单位对KS0713的所有Data RAM进行访问，从而实现了对LCD液晶屏的显示控制，如图所示。,13.4.8 液晶驱动时序,由于引脚个数的限制，KS0713有许多公共驱动端（COM端），因此为了实现整个LCD点阵屏幕的显示，KS0713采用了扫描的方式，由于扫描的速率很高，因此看上去实际上是一副静止的画面。,13.4.9 KS0713的控制指令,单片机通过调用KS0713的控制指令间接地控制LCD液晶屏的显示、开关、亮度以及内存中的数据，如图所示，KS0713共有24条不同的指令。这些指令可以分为以下几个部分。,13.4.10 读显示数据指令Read Display Data,该指令读取当前地址的一个8位字节数据，该指令只在KS0713的并行接口模式下有效，此时RS和RW引脚均为高，如图所示。,13.4.11 写显示数据指令Write Display Data,该指令向当前地址写入一个8位字节数据，该指令只在KS0713的并行接口模式下有效，此时RS引脚必须为高电平，RW引脚必须为低电平，如图所示。,13.4.12 读取状态指令Read Status,该指令用于读取KS0713的内部状态，与读写数据不同，此时RS必须保持为低电平，通过RW控制读写操作，Read Status的指令如图所示。,13.4.13 显示开/关指令Display ON/OFF,该指令用于开关LCD的显示，如图所示。,13.4.14 初始化行指令Initial Display Line,该指令用于对现实的行线进行初始化，具体指令如图所示，通过不同的初始化，可以实现显示图像的上下平移。,13.4.15 参考电压选择指令Reference Voltage Select,该指令用于选择LCD不同的参考电压，该条指令由两部分组成。第一部分用于进入电压选择模式，第二部分为选择参考电压参数，该条指令的两部分必须连续使用，,13.4.16 设置页地址指令Set Page Address,该指令用于选择当前内置Data Ram的显示页，该指令如图，该指令前半字节为标识码“1011”，后半字节为所选择的Page编号。,13.4.17 设置列地址指令Set Column Address,该指令用于设置内存操作的列地址，需要分为两条指令完成，分别是设置高地址，和设置低地址。设置高地址指令由“0001”标识符开头，后面半字节为设置列的高地址，如图,13.4.18 选择ADC指令ADC Select,该指令的功能是设置ADC，该变ADC得值将改变LCD的显示方向，该指令如图所示。,13.4.19 翻转指令Reverse Display ON / OFF,该指令的功能是对现实的LCD图像进行黑白反转，执行该条指令后，所有LCD为显示的区域都将变为空白，所有空白的区域将变为黑色，其指令如图所示。,13.4.20 全满显示指令Entire Display ON / OFF,该条指令可以用液晶点阵填满整个LCD液晶屏，执行该条语句可以用于初始化或者关闭时测试液晶屏是否存在坏点，其指令如图所示。,13.4.21 选择LCD偏移指令Select LCD Bias,设置LCD偏移，该项设置影响LCD的显示度，其指令如图所示。,13.4.22 设置读偏移指令Set Modify-Read,该条指令禁止在读取内存时候地址自动加一的功能，指令格式如图所示。,13.4.23 复位读偏移指令Reset Modify-Read,该条指令与上一条相反，该指令回复读取内存时地址自动加一的功能，指令格式如图所示。,13.4.24 复位治疗Reset,该指令将对KS7013复位，具体指令格式如图13.48所示。,13.4.25 SHL选择指令SHL Select,SHL Select指令制定了COM端的扫描方向，大部分情况下并不影响LCD的显示，指令如图所示。,13.4.26 功耗控制指令Power control,该指令用于选择KS0713的电源供给配置，从而达到降低功耗的效果，如图所示。,13.4.27 线性电阻选择指令Regulator Resistor Select,该指令用于调节内部线性电阻，从而调节LCD显示的内部电压，通过合理的Resistor配置，能够使得LCD的功耗进一步降低，其指令格式如图所示。,13.4.28 设置静态指示状态指令Set Static Indicator State,该指令可以设置LCD的静态工作模式，该指令由两部分组成。第一部分表示进入工作模式设置状态，第二部分对LCD的工作模式进行设置，如图所示。,13.5 GPS接收机硬件电路设计,有了前几节的基础，对于制作一款GPS的接收机的基础知识已经到位，在本节中将讲述具体的硬件电路设计，包括单片机最小系统、GPS接收模块和LCD液晶显示模块等部分。,13.5.1 单片机最小电路,单片机的最小系统电路包含以下几个部分：,13.5.2 电源电路,由于GPS模块需要5V和3.3V两种不同的供电电源，因此供电电路必须使用两种不同的线性稳压电源才能够满足需要。LM7805：用于从电池电源得到5V的稳压电源。LM1117：用于从5V电源得到3.3V的稳压电源。此外，还增加了一个3.3V的供电正常指示灯，如果该灯发光，则表示5V和3.3V电源的供电均为正常，电源电路的原理图如图所示。,13.5.3 GPS模块电路,GPS模块采用的是集成Atmel公司生产的GPS接收芯片的模块电路SDT11，如图所示，该款GPS模块具有体积小，功耗低，接收信号强等优点。,13.5.4 LCD点阵液晶电路,LCD选用的是一款集成了KS0713的12864点阵显示器，具有蓝色背光功能，如图所示。该款产品读者可从进行购买。,13.5.5 内存扩展程序,按照标准的AT89S51扩展电路，使用了74AHC573和UT62256对AT89S51单片机进行了扩展，如图所示，使得可以使用的内存增加32K字节。,13.5.6 GPS接收机硬件原理图,综合之前讲解的硬件设计电路，得到GPS接收机的硬件原理总图，如图所示。,13.6 GPS接收机程序设计,在本节中将要讲解GPS接收机的程序设计，主要讲解内容为GPS NMEA编码的解码方法和LCD的驱动程序，如图所示为该系统程序的工程文件结构。,13.6.1 NMEA基本信息定义info.h分析,在头文件info.h中，定义了NMEA解码需要的关键变量和结构体。(具体内容请参照本书),13.6.2 时间结构定义time.h分析,在头文件time.h中，定义了NMEA日期和时间结构体如下。(具体内容请参照本书),13.6.3 帧类型定义sentence.h分析,在头文件sentence.h中定义了需要解析的NMEA数据格式结构体。首先定义一个枚举型变量如下。(具体内容请参照本书),13.6.4 帧初始化操作sentence.c分析,在sentence.c文件中，针对以上5中解析频率较高的GPS信息帧，编写了各自的初始化函数，定义如下。(具体内容请参照本书),13.6.5 NMEA数据流解码parse.c分析,在parse.c文件中，定义了对NMEA数据流进行解码的底层函数，具体如下。(具体内容请参照本书),13.6.6 NMEA解码封装声明parser.h分析,在头文件Parser.h中，定义了NMEA解码使用的nmeaPARSER结构体，该结构体是组成对GPS NMEA信息进行解码的链表节点的基础。此外在该头文件中对Parser.c中的函数进行了声明。(具体内容请参照本书),13.6.7 解码封装parser.c分析,在parse.c文件中定义了解析NMEA信息的最底层的函数，这些函数在parser.c中继续进行封装，以供上层函数调用。首先定义NMEA Parser链表节点如下，通过链表结构可以保存一定长度的NMEA解析信息。,13.6.8 地理函数声明Mymath.h分析,为了对NMEA解析的地理信息进行处理，需要一些相关的数学计算函数，这些函数在文件math.c中进行了定义，重要的数学常数在Mymath.h中进行了宏定义。,13.6.9 地理计算函数Mymath.c分析,文件Mymath.c中定义了计算地理信息需要的数学计算函数。函数nmea_distance返回两个坐标点之间的直线距离，当所计算点相对比较靠近，可以简化认为两点之间的距离为直线距离，该函数经常用于GPS导航点的距离估计。,13.6.10 字符串处理函数MyFormat.c分析,GPS NMEA数据都是通过ASCII码进行通讯的，在解析数据中经常要使用到一