基于AVR单片机的一体化GPS接收机设计-图文

基于AVR单片机的一体化GPS接收机设计王勇基于AVR单片机的一体化GPS接收机设计DesignofIntegratedGPSReceiverBasedonAVRSingleChipComputer互勇(中国民航大学工程技术训练中心,天津300300摘要:针对GPS接收机国产化低的现状,以AVRATme9128微处理器为核心处理器,基于GPS接收机、OEM板的基本原理,应用一体化的设计思路,开发研制了一体化GPS接收机。经过样机的测试,证明一体化GPS接收机具有操作简单、性能稳定、数据通信抗干扰能力强等特点,其精度完全可以满足各种工程测量以及勘察测量的需求。关键词:全球定位系统接收机OEM板AVR单片机硬件设计一体化中图分类号:TN85文献标志码:AAbstract:InaccordancewiththecurrentstatusofthelesslocalizationofGPSreceivers,byadoptingthedesignconceptofintegration,theinte—gratedGPSreceiverisdeveloped.ThedesignisbasedonGPSreceiverandbasicprincipleofOEMboard,andtheAVRmicroprocessorAT・me9128isusedasthekernelprocessor.ThroughthetestsonprototypemachineItheresultsshowthatthisintegratedGPSreceiverfeatureseasyoperation,stableperformanceandpowerfulanti—interferencecapabilityindatacommunication,andtheaccuracyfullymeetstherequirementsofvariousengineeringandprospectingmeasurement.Keywords:GPSReceiverOEMboardAVRsinglechipcomputerHardwaredesignIntegration0引言随着GPS定位理论研究的不断深人以及软硬件的不断改进,GPS卫星导航定位技术已在国民经济生产中起着越来越重要的作用。各种形式的接收机在不同的行业都取得了广泛的应用,尤其是测地型接收机近年来占据了民用市场的主要地位。但是长期以来,测地型GPS接收机主要以国外引进为主。我国在80年代末,90年代初虽然也研制成了测地型GPS接收机,但是由于受到大规模集成电路制作工艺的限制,制作的接收机体积大、集成度不高,难以在国内推广。90年代中期国外推出GPSOEM技术,将GPS接收机的主要部件做成大规模集成电路片,并集成在一块电路板上。这个电路板具有接收GPS信号、处理信号、输出观测信号和定位结果等功能。用户利用OEM板进行二次硬件开发可研制成各种用途的GPS接收机。由于OEM板的价格大大低于整机价格,并且可以根据应用目的进行专项开发,为开发国产化GPS接收机创造了条件…。本文就是利用GPSOEM板AuSTAR进行一体化GPS接收机的研制开发。修改稿收到日期:2007—02—26。作者王勇.男,1978年生,2006年毕业于中国民用航空学院机电学院,获硕士学位,助教;主要研究方向为导航、制导与控制。《自动化仪表》第29卷第2期21108年2月与其它微处理器相比,AVR微处理器具有性能高、功耗低、RISC结构以及内载Flash等独特的优点。本文在研究了ATmegal28微处理器性能特点的基础上,给出了利用ATmegal28微处理器基于ALLSTAR板设计一体化GPS接收机的实际设计方案。1ATme9128单片机特色AVR(advancedmsc是美国Atmel公司生产的增强RISC内载Flash的高性能8位单片机旧1,可以取得接近1MIPS的性能。ATmegal28是带128kBFlash的在线可编程8位微控制器,是AVR系列中功能最强的单片机之一。该单片机共有64个引脚,内含128kB在线可重复编程Flash,4kBEEPROM,4kB内部SRAM。BOOT区具有独立的加密位,工作在16MHz下具有16MIPS的性能,片内带有执行时间为两个时钟周期的硬件乘法器。在线可编程SPI接口,JTAG(符合IEEE1149.1标准接口,边界扫描能力,广泛的片内Debug支持,通过JTAG接口对Flash、EEP-ROM、熔丝位和加密位编程。两个扩充的带预分频器、比较模式以及捕获模式的16位定时/计数器。2通道8位PWM,8通道10位A/D转换,两线(12C串行接口,2路可编程串行UART接口。带内部振荡器的可编程看门狗定时器,上电复位和可编程的低电压检测p1。65万方数据基于AVR单片机的一体化GPS接收机设计王勇AVR单片机通过在单一芯片内将一个增强性能的RISC8位CPU与可下载的Flash结合,把大部分单片机系统所需的外围芯片集成到单一芯片中,使得AVR系列单片机成为一种适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式控制应用的高效微控制器。2GPS接收机结构和原理GPS接收机的种类虽然很多,但它的结构基本一致。主要分为天线单元和接收单元两部分”。。图1为GPS接收机原理图,其中虚线部分是GPS接收机主机。主机由射频RF部分、通信信道部分和数据存储及计算部分组成。主机外接GPS天线、前置放大器、电源、显示器。GPs天线存储器丫曜载t、-———叫载波相位测量r+l前置【也查到厂—]。萨t-凼l电源}悃型甲I.........-J图1GPS接收机原理图Fig.1PrincipleofGPSreceiver3GPS接收机功能的设计与实现GPS接收机定位过程如图2所示,GPS接收机接收到卫星星历数据,用户通过红外遥控器输入一些初始化信息并控制接收机工作。我们可以选用Flash存储器接收GPS星历数据,然后将接收机带回,导人数据到分析系统主机,通过后台解算软件进行解算,最终得到解算报告。如果用户需要在野外实时知道测量结果,我们也可以选用通过无线Modem经GSM网络来实时地传递数据,传递完毕后,经GPS数据分析系统解算后,由Modem返回解算结果。黟腿伽粉懒贫—型五湖图2GPS接收机定位过程Fig.2PositioningprocessofGPsreceiver4一体化GPS接收机硬件和软件结构4.1硬件结构根据前文所述,一台GPs接收机应当由信号接收、信号处理通道、存储及输出等几大模块组成㈨。进一步细化,我们可以得到如图3所示的结构原理图。GH塔天线+12V蘑主板图3GPs接收机结构原理图Fig.3StnlcturalprincipleofGPSreceiVer主板上包括了ATmegal28微控制器、电平转换模块、红外遥控接收以及三星的K9F5608Flash模块。和主板相连的模块有ALIsTAR的GPsOEM板、GPS天线以及电源模块。此外还有控制接收机工作的士兰红外遥控器。L1导航信号由GPs天线接收,经过低噪声前置放大M1,接到ALLSTAR接收板,接收板就可以输出相应的卫星数据,由微控制器ATmegal28接收进来,并将相应的数据解码分包,分成用于显示的包以及用于存储的包,显示的包处理后发送到液晶显示器,存储的数据包写进32MBFlash。为了方便用户实时了解测量结果,我们通过用无线Modem经GSM网络来实时传递GPS数据,并返回解算结果。为了方便用户操作,我们采取了红外遥控控制以及大屏幕液晶显示。实际设计时,我们选择市场上比较流行的士兰半导体的红外遥控发射装置、选用三星公司的32MB大容量nashI(9F5608以及MotomlaD15无线数据M0dem。我们的液晶显示屏选用广州海谊公司的HZl32-64830LCD显示模块。4.2软件结构GPS一体化静态接收机的软件包括接收机端软件和Pc机端软件。Pc机端软件包括下载软件和数据解算软件,采用VC语言编写。接收机端软件比较复杂,用C语言编写,其结构如图4所示。底层软件是接收机软件的基础,其功能为:nash的读、写、删除控制;LCD读、写、清屏;按键的中断操作;串行接收、发送数据;RAM的读、写、删除;数值转换等。66PROCESSAUToMATIoNnqSTRUM瞩NTATIONV01.29No.2Febnlary2∞8固措雪电源模块万方数据基于AVR单片机的一体化GPS接收机设计王勇(开机初始化●CPU、LCD、遥控接收、Flash、串口数据接收等初始化●显示厂商版本号等●●●静态测量模块无线数传模块串口通信模块+++设置站参数Modem初始化通信口初始化+++l接收oEM板星历数据.设置静态参数以等待握手信号+及接收星历数据.●●握手成功进入数据下载,显不开1已录又仟ll拨叫对方号码l下载完毕自动返回主菜单●拨通建立连接●(传输完毕,返回图4软件流程图Fig.4Softwareflowchart5一体化GPS接收机特点和性能指标本文所设计的一体化GPS接收机具有以下特色:①完全一体化。将GPSOEM板、单片机、存储器、红外控制接收器、LCD显示器、无线数传Modem以及电源集成一体,容易携带,重量约为5kg。②一机多用、多功能多配置。主机以静态测量为主,若精度要求不高兼可进行动态测量。无线数传Modem模块是选择可用,可以打开无线Modem,将接收到的数据传回基站,返回解算结果。也可以直接存储,回去计算,用户可根据需要自选。③采用高硬度塑料外壳及密封配件,防水、防尘、抗干扰性能好。④选用宽温元件(包括LCD显示器、Flash、CPU等,具有良好的耐高低温特性和防潮特性。可在一20℃低温环境下工作。⑤高达32MB的大容量存储器。可连续采集150h的数据,是国产一体化GPS接收机中存储容量最大的。⑥采用大屏幕液晶显示和红外遥控控制。用户通过红外遥控器输入测量参数,这时可以看到卫星锁定状况、跟踪定位状况以及数据记录状况,用户根据这些信息,了解接收机状态,并通过遥控器控制接收机工作,操作简易、方便,界面人性化。⑦实时性好。实时显示卫星接收状态及其它有关信息,实时监测电池电量以及Flash存储情况,可避免由于电池电量不足或者存储空间不够而造成工作的终止和测量数据的丢失。⑧观测值文件和星历文件采用标准RINEX格式存储,观测结果可以用因泰克公司的HHS测量系统软件解算。⑨技术指标优良。基线长度≤15km(最大可到50km时,C/A码精度:静态5mm±1mm;快速静态1000mm±100mm;采样间隔l~15S可调。6结束语通过对样机的测试表明,此GPS一体化接收机无论在静态测量精度还是单点定位精度都达到了我们预先设计的技术指标,其精度完全可以满足各种工程测量以及勘察测量的需求。此套定位系统可以广泛应用于矿业权管理、农业耕地管理旧。、石油天然气管线测量、勘察测量、矿山测量等场合,因为其完全一体化,同时它具有操作简单、性能稳定、数据通信抗干扰能力强等特点,可以极大地提高作业效率,减轻工作强度,并为各应用单位和部门带来较好的经济效益,是现代测量工作的得力助手。参考文献[1]郭一名.GPS—OEM板卡与PC机通信[J].湖北汽车工业学院学报,2002(16:6—9.[2]宋建国.AVR单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.[3]宋占杰,蒋健,魏德骄.基于AVR单片机的卫星地面测控系统设计[J].电子设计应用,2006(2:113—115.[4]过静瑁.gJs系列多功能GPS接收机的研制[J].工程勘察,2000(6:56—61.[5]许华龙,胡来红.基于ARM的嵌入式GPS接收机设计与实现[J].战术导弹控制技术,2006(53:50—53.[6]王琦,胡修林.基于OEM板的GPS定位接收机的研究与实现[J].电子工程师,2004(30:4—6.[7]周国祥,周俊,刘成良.基于GSM无线技术的产量远程监测系统研究『J1.自动化仪表,20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