基于单片机的GPS公交车报站系统

学号09700113毕业设计说明书基于单片机的GPS公交车自动报站系统学生姓名李志强专业名称电子信息工程指导教师电子与信息工程系2013年6月8日I摘要公共汽车成为城市人们出行的必备选择后所面临的问题是乘客们如何能够在正确的车站下车，如何知道这辆车开向哪里，途中还会经过哪些车站。在一些需要提示乘客注意的情况，比如车在转弯需要注意，或者需要让座等等，这时该怎么办解决的办法就是利用公交车报站器播放语音，提示乘客。其实语音报站不是什么新鲜的词语了，公交车报站器也不是前所未有，本论文讨论一个具有人性化友好操作界面，成本低报站准确公交车报站器方案。本文介绍一种基于GPS模块和凌阳嵌入式语音单片机SPCE061A设计的自动语音报站系统。利用凌阳SPCE061A串行口通信接收GPS模块输出的经纬度信息，通过对比存储经、纬度数据和相应的站点名字。确认公交车是否进入设定站台范围内，以达到自动报站的目的；再设计的过程中给出硬件电路的设计方案、主要软件流程图、数据处理及其程序设计的方法。本设计解决了以住公交车报站系统人工操作不便、误报站多、故障时不报站等问题。关键字凌阳单片机SPECE061A，全球定位系统，自动语音报站II目录第一章绪论1第二章系统方案论证321系统设计要求322方案论证3221GPS公交车报站器各部分功能4第三章系统硬件设计531SPCE061A单片机控制设计5311凌阳单片机SPEC06A简介及性能5312SPCE061A单片机最小系统设计7313单片机电源设计732LCD显示模块设计8321LCD128X64简介及功能8322控制器接口信号说明9323液晶模块串行时序图11324LCD模块与MCU的串口连接图1133音频输出模块1234SPR4096外接存储器模块1235GPS接收模块13361GPS定位的基本原理14352GPS系统组成15353GPS输入输出语句说明16354GPS型号选择20355GPS接口电路模块2236按键模块22第四章数据压缩与语音处理2441数据存储与压缩24411语音压缩与处理24412站点信息、广告显示与压缩25413GPS信息压缩与处理26第五章系统软件设计与研究2751系统主程序设计2752初始化程序设计2953时间程序设计3054语音播报程序设计3155GPS自动报站程序设计3256主程序清单34第六章总结与体会3861总结3862体会38致谢39参考文献40附录41第一章绪论1第一章绪论随着国民经济的飞速发展，公交系统也日新月异。报站也由原来的由随车售票员报站改为司机按键报站了。但是由于公交司机又要开车又要兼顾按键报站，所以常常出现误报、漏报等现象，不能够满足公交系统的要求；另一方面，由于司机开车时为报站分散精力，也对公交的安全运行埋下了隐患。因此，对自动报站系统的需求也日益强烈。应用自动报站系统即可以节省员工开支，增强公司效益。又可以利用报站器播报标准的普通话站名，使各城市更利于交流和发展。近年来，GPSGLOBALPOSITIONINGSYSTEM全球定位系统在各种行业广泛运用，特别是车辆监控与定位系统的应用中蓬勃发展。随着经济与科技的持续发展，公交运输系统的要求越来越高。目前我国各大城市公交公司都在进行减员，整体上实行是在每辆公交车上只配备了一个司机，实行无人工报站与售票。为了公交系统的管理现代化与安全考虑，需要对原有系统更新使其更智能化，公交自动语音报站系统符合这一要求。目前现有公共汽车自动报站器，到站时LCD点阵文字提示仅显示本站和下站，由此，很多乘客并不清楚该车当前行驶的方向以及某站点在整条线路中的具体位置，特别是报站系统故障时。往往不能提前做好下车准备，甚至很多要走回头路；针对这一问题。本文设计一种利用GPS系统与凌阳单片机、LCD显示行车方向、车处位置，并能够实现自动报站与手动报站之间的切换。能够显示多条站点信息、并能够进行相关站点信息提醒，保证乘客尽可能小的下错或者上错站。目前在国外，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT经济新增长点。虽然具有GPS定位功能的公交车市场潜力颇为看好，就现阶段而言仍有几项障碍亟待克服首先，不论公交车采用的是内建GPS芯片或是用外接GPS模块作为解决方案，将无可避免地提高公交车成本，也影响消费者购买的意愿；最后，目前具有提供整合GPS芯片与无线通信技术的公司仍屈指可数，且公交车制造大厂是否愿意采用现有的解决方案，或是另外自行开发仍是未定之数。通过近20年的发展，GPS产品已逐渐转变为消费电子产品，且所能应用的范围已扩展到日常生活中的通信、PDA、定位信息等。不过，以现阶段来看，由于GPS接收机的第一章绪论2单芯片化技术、价格以及市场应用服务等仍未臻成熟，因此，在乐观地看待此市场发展时，诸如GPSIC设计的技术是否能达到公交车或PDA所需的最小体积、成本是否能降低以及内建GPS的新公交车系统是否能引起消费者的青睐等问题，仍必须审慎地深入评估。国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。1以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。在GPS应用领域，车辆应用所占的比例较大。最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后，它就成了发展的方向。GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成。系统的工作原理是安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。2面向个人消费者的GPS终端产品。芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素，使GPS产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。有集成了GPS芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS手持机、GPS手表，甚至GPS相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡CF卡式GPS接收机式、外接GPS接收机式等集成产品。利用全球定位系统进行公交车自动报站系统是近几年的一个热门课题。GPS卫星定位语音报站系统具有定位精度高、语音自动播报等特点。此系统设计要求车辆的定位精度要高于50M，如遇外界影响GPS信号还可恢复成手动操作进行报站。第二章系统方案论证3第二章系统方案论证21系统设计要求要求设计一个操作友好且成本很低的公交车报站器，具体要求如下1、可以存放较多的服务用语和广告词；2、要求操作简单，每站可自动播报全部报站内容（前方将要到达的站名，上下车提示服务用语）；3、要求具有LCD站点信息显示；4、要求语音播报具有自动和手动两种功能；5、要求站牌信息及服务信息等都能通过液晶屏显示出来；6、时间、日历播报、显示和调整功能。7、GPS定位精度在50M以内。22方案论证目前公交车报站器技术主要有以下几种一般公交车报站器,到站前由司机按进站按钮开始报站，出站时按下出站按钮，开始预报下站的站名，通过序号来记录各个站点；第二种是门控公交车报站器，将开门、关门时转换信号和语音报站器连接，开门和关门时自动报站；第三种是无线收发公交车报站器，它是在每个公交车站点设置发射信号同步模块，公交车临近到站点左右会收到信号，开始自动报站，出站后信号消失，开始预报下一站，此报站器报站准确，但需要为每个站点组建无线发射模组，实施工程复杂、价格昂贵，大部分站点无电源供应，公交车数量多时存在频率干扰很严重影响报站的准确性，每路公交车修改站点非常不方便，系统维护成本高；第四种就是GPS自动语音公交车报站器，此报器是在公交车上安装GPS自动语音报站器，自动识别站点并报告站点信息。由于报站精准，无须人工操作，无须建设任何车外设施。本次设计的任务是利用现有的GPS系统结合凌阳单片机语音技术研制一套车辆自动报站的系统，包括系统的软件与硬件，要求系统具有建设费用少、维护费用低、定位精度高等特点。系统的研究内容包括车辆定位系统的软件与硬件的设计与制作，即结合GPS和凌阳单片机，对GPS接收机接收的数据进行处理，结合LCD点阵显示和第二章系统方案论证4SPCE061A的语音播报功能，并使用控制键盘电路来实现报站器的全自动报站和手动报站的功能，以及系统的整体测试与实际运行。图22为GPS语音报站系统总体设计框图。GPS语音报站系统硬件电路主要包括SPCE061A控制模块、GPS数据接收模块6、语音模块、按键模块、LCD显示等模块。图22为GPS语音报站系统总体设计框图。SPEC061A控制模块LCD存储模块GPS接受模块按键模块语音输出图22系统硬件总体设计框图221GPS公交车报站器各部分功能将语音信息、提示信息和广告信息存入凌阳单片机系统的外扩存储器中，凌阳单片机上电工作后首先检查是全自动报站工作方式还是手动按键报站工作方式，手动按键方式则由键盘直接控制显示和语音播报。当系统工作在全自动报站方式时，凌阳单片机接收GPS的信息，其中包括时间、地理位置、速度和方向等信息，GPS通信遵循NMEA0138协议，凌阳单片机按照协议提取有用信息，根据公交车的实时运行信息，进行上行、下行判断，并准确播报报站信息、广告及提示语，在LCD点显示，并通过扬声器播放出来。选用SPCE061A单片机作为主控芯片。SPCE061A芯片集成A/D、D/A功能，配合语音函数库可以实现语音功能。外围扩展键盘、显示器件，扩展SPR4096FLASH芯片存储语音资源。串口通信能够及时处理GPS接受到得经纬度信息。显示模块是采用12864LCD，通过SPCE061A进行控制显示相关站点、广告等信息。GPS接收模块，通过天线接收卫星发来的相关地理、时间信息并对其进行处理。实时地计算出测站的三维位置，以及速度、时间、航向等定位信息。把获得经度、纬度、高度、时间等信息发送给单片机控制模块。单片机外围硬件电路主要包括按键和SPR4096模组存储器，按键是在GPS受干扰情况下完成人工手动报站；SPR4096模组增加系统的存储空间，有利于存储大量语音信息。第二章系统方案论证5第三章系统硬件设计5第三章系统硬件设计GPS公交车报站器硬件模块包括凌阳SPCE061A单片机模块、GPS模块、SPR4096存储电路、LCD显示模块、音频输出模块和键盘控制模块组成。31SPCE061A单片机控制设计311凌阳单片机SPEC06A简介及性能SPCE061A是凌阳科技推出的一款16位结构的微控制器。较高的处理速度使用NSP能非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。以NSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音处理应用领域，一种最经济的选择产品。SPEC06A主要性能及内部结构1、主要性能16位NSP微处理器；工作电压CPUVDD为2436VI/OVDDH为2455VCPU时钟032MHZ49152MHZ；内置2K字SRAM；内置32KFLASH；可编程音频处理；晶体振荡器系统处于备用状态下时钟处于停止状态，耗电仅为2A36V；2个16位可编程定时器/计数器可自动预置初始计数值；2个10位DAC数模转换输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式24K位/秒，能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768HZ实时时钟；第三章系统硬件设计67通道10位电压模数转换器ADC和单通道声音模数转换器；声音模数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制AGC功能；具备串行设备接口；具有低电压复位LVR功能和低电压监测LVD功能；内置在线仿真电路ICE（INCIRCUITEMULATOR）接口；具有保密能力；具有WATCHDOG功能。2、内部结构及芯片引脚概述SPCE061A有两种封装模式，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；另一种为80个引脚，LQFP80封装。本系统中采用PLCC84封装，在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。图311为SPEC061A内部结构图312为SPEC061A引脚结构图双16位定时器/计数器7通道10位ADC单通道GCPU时钟实时时钟FLASHRAM时基中断控制IOA150IOB150锁相环振荡器IOB0SCKIOB1SDA低电压监测/低电压复位双通道10位DAC串行输入输出接口AUD12MIC_IN32管脚通用输入输出端口16位微控制器UNSPICEXI/ROICE_SKI_DAI_NCPVIOB7（RXD）IOB10（TXD）串行异步通讯接口WATCHDOG图311SPEC061A内部结构第三章系统硬件设计7图312SPEC061A引脚结构图、312SPCE061A单片机最小系统设计最小系统接线如图313所示，在OSCO、OSCI端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻，复位电路其他不用的电源端和地端接上01F的去耦电容提高抗干扰能力。第三章系统硬件设计8OSC32012OSC32113XTEXT14VDD15XCIE16XICECLK17XICESDA18VSS19PVIN20DAC121DAC222VREF223VSS24AGC25OPI26MICOUT27MICN28PFUSE29NC30NC31NC32NC11NC10VSS9VCP8VDD7XRESB6IOB05IOB14IOB23IOB32IOB41NC84NC83NC82IOB680IOB581IOB779IOB878IOB977IOB1076VDDH75NC73NC72NC71NC70PVPP69IOB1168IOB1267IOB1366IOB1465IOB1564VSS62XSLEEP63XROMT61IOA1560IOA1459IOA1358IOA1257IOA1156IOA1055MICP33VCM34VRTPAD35VDD36VMIC37VSS38NC39NC40IOA041IOA142IOA243IOA344IOA445IOA546IOA647IOA748VSS49VSS50VDDH51VDDH52IOA853NC74IOA954U161Y132768C1520PC1420PVSSC18104C17100UVSSVDDICE_ENICE_SCKICE_SDAVSSDAC1DAC2DACC33300PC10104R233KVCPVSSPLLD4DIODER140R150R160R170R190R210R220VDD_AVDD_PVDDVDDH3VSSAVSS1AVSS2MICPVCMVRTVMICC31104C27100UVDD_AAVSS1C28104C29100UIOA0IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7VSSVSSVDDHIOA8IOA1AVSS1VSSS2K1S3K2S4K3V5123J5CON3V5VDDH3VDDHC37104C7104C8104C5100UC4100UD1LEDD2LEDR12330R131KR1847KS1VDDRES_BRESETVDDSLEEPVSSVSSVSSVCPIOB0IOB1IOB2IOB3IOB4IOB5IOB6IOB7IOB8IOB9IOB10VDDHVDD_PRES_BVREF2AVSS1AGCOPIMICOUTMICNIOB11IOB12IOB13IOB14IOB15SLEEPVSSIOA15IOA14IOA13IOA12IOA11IOA10IOA95VIOA8IOA927K27KVSS图313SPCE061A单片机最小系统原理图313单片机电源设计直流5V电源经过SPY0029后产生33V电压给整个系统供电。SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC，采用CMOS工艺，具有静态电流低、线性调整出色等特点。图314图中的VDDH为SPCE061A的I/O电平参考，接SPCE061A的51、52、75脚；VDDP为PLL锁相环电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA分别为数字电源与模拟电源，分别接SPCE061A的15脚和36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚；AVSS2接音频输出电路的AVSS2。第三章系统硬件设计9C34104C3610412J10CON2VI231VVGNDINOUTU3SPY0029C35220UC33220UD3DIODED4DIODER140R150R160R170R190R210R220VDD_AVDD_PVDDVDDH3VSSAVSS1AVSS2POWERVMICAVSS1AGC图314电源模块电路32LCD显示模块设计321LCD128X64简介及功能带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864,内置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符集利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字也可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性及功能（1）、低电源电压（VDD3055V）（2）、显示分辨率12864点（3）、内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字简繁体可选（4）、内置128个168点阵字符（5）、2MHZ时钟频率（6）、显示方式STN、半透、正显（7）、驱动方式1/32DUTY，1/5BIAS（8）、视角方向6点（9）、背光方式侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10（10）、通讯方式串行、并口可选（11）、内置DCDC转换电路，无需外加负压（12）、无需片选信号，简化软件设计（13）、工作温度055,存储温度2060。表32管脚说明管脚号管脚名电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC305V电源负3V0对比亮度调整4RS（CS）H/LRS“H”，表示DB7DB0为显示数据第三章系统硬件设计10RS“L”,表示DB7DB0为指令数据5R/W（SID）H/LR/W“H”，E“H”，数据被读到DB7DB0RW“L”，E“HL”,DB7DB0的数据被写到IR或DR6E（SCLK）H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH8位或4位并口方式，L串口方式16NC空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUTLCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（5V）20K背光源负端322控制器接口信号说明1、RS，R/W的配合选择决定控制界面的4种模式RSR/W功能说明LLMPU写指令到指令暂存器（IR）LH读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态HLMPU写入数据到数据暂存器（DR）第三章系统硬件设计11HHMPU从数据暂存器（DR）中读出数据2、E信号E状态执行动作结果高低I/O缓冲DR配合/W进行写数据或指令高DRI/O缓冲配合R进行读数据或指令低/低高无动作忙标志BFBF标志表明内部工作情况BF1时才能对模块进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据BF0时,模块为准备状态,能够接受外部指令和数据每次操作之前最好先进行状态字检测,只有在确认BF0之后,才能访问模块。字型产生ROM（CGROM）字型产生ROM（CGROM）提供8192个此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。DFF1为开显示（DISPLAYON,DDRAM的内容就显示在屏幕上，DFF0为关显示（DISPLAYOFF。DFF的状态是指令DISPLAYON/OFF和RST信号控制的。显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供642个位元组的空间，最多可控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英数字型168、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H0006H的编码中（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）将选择CGRAM的自定义字型，02H7FH的编码中将选择半角英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码BIG5（A140D75F），GB（A1A0F7FFH）。字型产生RAMCGRAM字型产生RAM提供图象定义造字功能,可以提供四组1616点的自定义图象空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样地通过DDRAM显示在屏幕中。地址计数器AC地址计数器是用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入DDRAM/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动加一，当RS为“0”时而R/W为“1”时，地址计数器的值会被读取到DB6DB0中。第三章系统硬件设计12323液晶模块串行时序图串行数据传送共分三个字节完成第一字节串口控制格式11111ABCA为数据传送方向控制H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCDB为数据类型选择H表示数据是显示数据，L表示数据是控制指令C固定为0第二字节并行8位数据的高4位格式DDDD0000第三字节并行8位数据的低4位格式0000DDDD注意模块在接收指令前，向处理器必须先确认模块内部处于非忙状态，即读取BF标志时BF需为“0”，方可接受新的指令。如果在送出一个指令前不检查BF标志，则在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即等待前一个指令确定执行完成。指令执行的时间请参考指令表中的指令执行时间说明324LCD模块与MCU的串口连接图图324LCD原理电路VSS1VCC2VO3RS4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714PSB15NC16RESET17VOUT18A19K20LCD168245V5VIOA8IOA9第三章系统硬件设计13其中CS端为串行方式片选信号端，低电平有效；PSB端为并/串行接口选择端H并行；L串行；RET端为复位端，低电平有效；SID为串行数据输入端，SCLK为串行时钟输入端；只要当时钟信号端SCLK为负跳沿时，将SID端的数据输入液晶模块，因而并不需要SCLK端有连续的稳定频率的时钟信号输入，也就方便了MCU通过其位处理功能方便地进行数据传输。33音频输出模块SPCE061A内置2路10位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。图33是音频输出电路图。图33音频输出电路34SPR4096外接存储器模块公交车自动报站系统需要存储大量的语音文字信息，这就要求系统扩展外部存储空间，本设计采用凌阳公司的SPR4096模组电路，配合PC机使用RESWRITER工具，通过EZPROBE下载线，完成对R4096存储器芯片的擦除、写入、校验等功能。并且SPR4096可以直接与SPCE061A单片机相连，实现SPCE061A单片机存储空间的扩展。SPR4096是一个高性能的4M位FLASH，分为256个扇区，每个扇区为2K字节。内嵌512K8位高性能FLASH存储器同时内嵌4K8位SRAM。芯片具有BMI（BUSMEMORYINTERFACE）并行接口总线与SIF（SERIALINTERFACE）串行接口总线。在SPR4096芯片中，使用两种电源供电，VDDI与VDDQ。VDDI范围在225V275V，这个电源是给内部的FLASH与逻辑控制单元供电的。VDDQ范围在225V36V，只给I/O口供电。SPR4096最高工作在50MHZ频率下，最大读电流为20MA，最大编程/擦写电流60MA。这里采用SPR4096的串行接口模式工作，CF02接低电平，CF7接低电平，硬件电路如图35所示。C21100UC20104C23224C25104C26106123J2CON312J3SPEAKERR91KR101K54627183U2SPY0030VSSDACAVSS2VDDH第三章系统硬件设计14R233R2433R533K1A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171OE12OE19VCC201Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y43GND10U1174HC244R4R2633D233VBUSYEZ_SCKEZ_SDAPD0EZ_SDAPD3VDDC5500PC610433V12345J1CON5BUSYPD1PD0VDD11SDA2VSSQ3VDDQ4CF75CF46CF37CFC28NC9NC10NC11NC12VSS24VDDQ23SCK22RES21VSS20NC19NC18NC17NC16NC15NC14NC13U2SPR4096D14148C1104C2104C3104C4104C5104C6104123J3MESEL12345678910J5CON10R710KR12K33VVCC33V33VSDAMEM33V1EZ_SCK3SCK5CK_IOB02EZ_SDA4SDA6SDA_IOB1J302CON20图34SPR4096原理电路图35GPS接收模块GPS是英文NAVIGATIONSATELLITETIMINGANDRANGING/GLOBALPOSITIONINGSYSTEM的缩写，译为利用卫星导航进行测时和测距/全球卫星定位系统。全球定位系统GLOBALPOSITIONINGSYSTEMGPS是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，为高精度导航和定位而研制的全球被动式无线电卫星系统，是集成无线电导航、定位和定时于一体的多功能系统。GPS系统的特点1、全球，全天候工作能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。2、定位精度高单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3、功能多，应用广随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。第三章系统硬件设计15361GPS定位的基本原理GPS定位的基本原是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交法，确定待测点的位置。如图所示，假设T时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间T，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式上述四个方程式中待测点坐标X、Y、Z和VTO为未知参数，其中DICTII1、2、3、4。DII1、2、3、4分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。TII1、2、3、4分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。C为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下X、Y、Z为待测点坐标的空间直角坐标。XI、YI、ZII1、2、3、4分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在T时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。VTII1、2、3、4分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。VTO为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标X、Y、Z和接收机的钟差VTO。第三章系统硬件设计16352GPS系统组成1、GPS卫星星座组成GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（213）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。2、地面监控系统对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。3、GPS信号接收机GPS信号接收机的任务是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。第三章系统硬件设计17353GPS输入输出语句说明NMEA协议是为了在不同的GPS（全球定位系统）导航设备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（NMEATHENATIONALMARINEELECTRONICSASSOCIATION）制定的一套通讯协议。GPS接收机根据NMEA0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等设备。NMEA0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。NMEA0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG、GPGLL等（见表35）。下面给出这些常用NMEA0183语句的字段定义解释。表35信息简称序号命令说明最大帧长1GPGGA全球定位数据722GPGSA卫星PRN数据653GPGSV卫星状态信息2104GPRMC运输定位数据705GPVTG地面速度信息346GPGLL大地坐标信息7GPZDAUTC时间和日期注发送次序PZDA、GPGGA、GPGLL、GPVTG、GPGSA、GPGSV3、GPRMC协议帧总说明该协议采用ASCII码，其串行通信默认参数为波特率4800BPS，数据位8BIT，开始位1BIT，停止位1BIT，无奇偶校验。帧格式形如AACCC,DDD,DDD,DDDHH1、“”帧命令起始位2、AACCC地址域，前两位为识别符，后三位为语句名3、DDDDDD数据4、“”校验和前缀5、HH校验和（CHECKSUM），与之间所有字符ASCII码的校验和（各字节做异或运算，得到校验和后，再转换16进制格式的ASCII字符。）第三章系统硬件设计186、CR（CARRIAGERETURN）LF（LINEFEED）帧结束，回车和换行、位置信息（GGA）GPGGA、M,、HHUTC时间，HHMMSS格式（定位它的）经度DDMMMMMM格式（非0）经度方向N或S纬度DDDMMMMMM格式（非0）纬度方向E或WGPS状态批示0未定位1无差分定位信息2带差分定位信息使用卫星号（0008）精度百分比海平面高度大地随球面相对海平面的高度差分GPS信息差分站ID号0000123、GPSDOP和活动卫星GPGSA、HH模式M手动，A自动当前状态1无定位信息，22D33DPRN号0132位置精度垂直精度水平精度、当前GPS卫星状态（GSV）GPGSV、HHGSV语句的总数目当前GSV语句数目显示卫星的总数目0012卫星的PRV号星号卫星仰角卫星旋角信噪比第三章系统硬件设计19语句共两条，第条最多包括4颗星的处所。每个星有4个数据，即星号仰角、最简特性（RMC）推荐最小数据量的GPS信息（RECOMMENDEDMINIMUMSPECIFICGPS/TRANSITDATA）GPRMC、HH定位时UTC时间HHMMSS格式状态A定位V导航经度DDMMMMM格式经度方向N或S纬度DDDMMMMMM纬度方向E或W速率方位敬爱（二维方向指向，相当于二维罗盘）当前UTC日期DDMMYY格式太阳方位太阳方向、VTG速度相对正北的方向GPVTG、T、M、N、KHH真实方向、相对方向步长速率例GPVTG,8968,T,M,000,N,00,K5F字段0GPVTG，语句ID，表明该语句为TRACKMADEGOODANDGROUNDSPEED（VTG）地面速度信息字段1运动角度，000359，（前导位数不足则补0）字段2T真北参照系字段3运动角度，000359，（前导位数不足则补0）字段4M磁北参照系字段5水平运动速度（000）（前导位数不足则补0）字段6N节，KNOTS字段7水平运动速度（000）（前导位数不足则补0）字段8K公里/时，KM/H第三章系统硬件设计20字段9校验值、GPGLL例GPGLL,42505589,S,147185084,E,092204999,A2D字段0GPGLL，语句ID，表明该语句为GEOGRAPHICPOSITION（GLL）地理定位信息字段1纬度DDMMMMMM，度分格式（前导位数不足则补0）字段2纬度N（北纬）或S（南纬）字段3经度DDDMMMMMM，度分格式（前导位数不足则补0）字段4经度E（东经）或W（西经）字段5UTC时间，HHMMSSSSS格式字段6状态，A定位，V未定位字段7校验值、ALM（历书信息）格式GPALM、HH如果板上的备用电池耗完，用此语句初始化信息在历书下传时能将历书总数传至GPS板上，当发送历书到GPS板上此字段可空或任意数。当前历书数20这个字段可为空或任意值；卫星PRN数不清0到32GPS星历数SV状态，每个历书的1724位离心率星历参考时间倾角上升速率半轴近地点的末端节经度近点离角AFO时间参数AF1时间参数HH语句末端的HH为该语句的校检符，应由用户计算送给GPS25板，计算规则为“S”第三章系统硬件设计21后的所有字节的8个计，每4个组成一个BCD码（A、B、C等应用大写）。GPS25输出，语句后均有校验位，用户可通过它，验证结果。354GPS型号选择本系统采用GPS模块GS87，GPS模块GS87是一个高效能、低耗电的智能型卫星接收模块或称做卫星接收引擎，它采用美国瑟孚SIRFSTARIII公司所设计的第三代卫星定位接收芯片，是一个完整的卫星定位接收器具备全方位功能，能满足专业定位的严格要求与个人消费需求。产品特色采用SIRF第三代高效能芯片高灵敏度、低耗电量芯片STARIII。具有6个针脚，内建ARM7TDMICPU可符合客制需求，具备快速定位及追踪20颗卫星的能力，体积超小，仅254257公厘，芯片内建200,000个卫星追踪运算器，大幅提高搜寻及运算卫星讯号能力，内建RTCMSC104DGPS和WASS/EGNOS解调器，低耗电量，具备有省电模式（TRICKLEPOWER）功能，以及在设定的时间才启动的定时定位（PUSHTOFIX）功能。支持NMEA0183V22版本规格输出GPGGA,GPGSA,GPGSV,GPRMC,GPVTG,GPGLL可选。应用范围车用导航、航海导航、舰队管理、基地服务、自动驾驶、个人导航、旅游设备、轨迹设备、系统及绘图应用程序。适用范围海拔高度60,000英尺速度1000海里定位时间最多可同时接收20个卫星接收码L1，C/A码更新速率1HZ时间标示1脉波/秒,GPS时间/01秒误差支持通讯协议NMEA0183V22版本规格输出及SIRF二位编码芯片内建200,000个卫星追踪运算器运算程序ARM7/TDMI处理速度50MHZ内建闪存1MB最低追踪信号感度159DBW尺寸2542547公厘重量2G第三章系统硬件设计22操作温度10TO60存放温度20TO85操作湿度5TO95无压缩条件下工作电压输出公率33V55VDC操作电流低于80MA无天线、外接MMCX位置精准度AUTONOMOUSEXPORTCCHARFILE选项，或者用工具栏中的导出字模数据工具（EXPORT），即可打开字模数据生成窗口，如图413所示图413字模数据生成窗口导出的字模数据以WORD（字型）数据为基本单元，并以数组的形式保存。字模数据导出时，可以导出一个C文件和一个H的头文件，用户可以直接把这两个文件加载到用户的工程中，供汉字显示、位图显示使用。413GPS信息压缩与处理由于我国陆地地处东经73度到136度之间，所以在该系统设计中将采集到的经度数据首先减去73度，变换使得经度范围在063度之间。对经纬度值的预存可以使用存储每次的增量值的办法，这样可使数据长度变短，但处理起来要麻烦一些，并且可能产生误差积累；另外一种方法就是存储变换后的绝对经纬度值，这样虽然数据略长一些，但处理起来比较简单。经过权衡，本例使用存储变换后的绝对经纬度值。GPS提供的经纬度为1/10000分，实际上它的最低位值，是不稳定的，所以现只取到1/1000分。由于地球的半径约为R6378137M，这样每1/1000分所对应的弧长约为2R/360度60分/度/1000186M，所以这里只取小数点后3位。以1/1000分为单位，经度的最大值为636010003780000。我国纬度的最高值不超过北纬60度，同样以1/1000分为单位，最大值为606010003600000，经纬度以二进制形式存储各用24位3个字节是足够了。经纬度共需要6个字节即可。方向数据，GPS可提供1/10度的精度，实际使用中以2度为单位已经足够了，所以对采集的数据整数部分除以2，范围在0180之间，这样只须1个字节就可以了。第五章系统软件设计与研究27第五章系统软件设计与研究在自动报站器系统的硬件电路设计与实现之后，还需要配合设计完善的程序才能完全实现自动报站系统的各项功能。在本系统中，主要设计了主程序的流程图，语音模块子程序流程图，并且简单的分析了各程序的运行流程。系统软件部分主要是针对系统控制核心SPCE061A单片机的程序设计，采用汇编语言和C语言两种语言进行开发设计，使用凌阳自行研发设计的16位单片机开发环境IDE，此工具支持WINDOWS环境下操作，支持标准C语言和汇编语言，集编译、编程、链接、调试和仿真于一体，应用方便简单易学，同时还提供大量的编程函数库，大大加快了软件开发的进程。整个软件系统完成的功能在程序中分为如下文件实现MAINC文件整个工程的主文件，负责调用相关函数完成相关功能。KEYASM文件此文件中包含有与键盘操作有关的函数，包括键盘初始化、扫描键盘与得到键盘程序。DISPLAYASM文件此文件中包含有与LCD字幕显示操作有关的函数，包括LCD的处始化、LCD的驱动、LCD的显示。SPR4096_DRIVERASM文件与SPR4096存储器相关的操作函数，包括初始化，读、写、擦除操作等。FIQASM文件所有与中断有关的操作函数都在这个文件。在FIQ_TIMERA中断中调用语音播放服务函数完成，在IRQ4_4KHZ中断中调用LED点阵显示函数驱动LED点阵显示，在IRQ5_2HZ中断中调用更新时间函数更新时间，在IRQ5_4HZ中断中完成设置时间的闪烁效果，在IRQ6_TMB中断中调用128HZ中断完成键盘扫描作用，IRQ7中断中接收GPS的数据，并对接收的数据进行处理，如果判断为进行播报，则调用显示程序和语音播放程序。另外将设置显示时间与播放语音的相关操作函数写在SHOW_AND_SET_TIMEC文件与SPEECHC文件中。GPS接收数据程序在GPS_RECEIVEC中，GPS自动报站程序在GPSAUTOBROADCASTASM中。在语音处理方面采用了凌阳科技的SACMV26ELIB函数库完成语音播放功能，只需要调用几条函数就可以播放语音。51系统主程序设计主程序主要涉及各个部分子程序的调用。程序初始化后，系统出现开机界面，液第五章系统软件设计与研究28晶显示，并且进行报站方式的判断和选择。本程序主要兼有两种控制方式按键控制和GPS接收控制。再无干扰情况下自动选择GPS模式，有干扰情况下手动选择按键报站模式。主程序流程图51所示。开始初始化局部变量K8是按下（启用GPS自动报站）设置GPS首次报站标志等待IRQTM中获取键值开启IRQ7_UART中断等待UART中断（接收GPS定位信息）GPS自动报站程序清看门狗K1K7是否按下执行相关按键功能报站播报相关信息以及显示相关信息清看门狗NYYN图51主程序流程图第五章系统软件设计与研究2952初始化程序设计系统要对LCD显示、SPR4096、键盘、串口初始化，程序流程图如图52、图53、图54、图55所示。开始初始化显示变量信息设置串行口