基于GPS数据采集系统的设计

摘要：为了设计高精度、全天候、全天时的数据采集系统，采用了GPS技术实现通信，信息采用NMEA-0183格式，单片机接收GPS输出的时间和定位信息后，将信息调整为我国的标准，并将调整后的经度、纬度、海拔高度和时间等信息通过液晶终端显示。最终实现了GPS数据采集及转换等工作，为事故定位、搜查救援等工作提供了技术依据。
关键词：GPS数据采集；定位；数据处理；单片机

    随着科技的发展，移动技术的不断成熟，定位导航开辟了一个重要的新兴市场。GPS(Global Positioning System)以其高精度、全天候、全天时的特点，在定位、导航、测距等领域被广泛应用，具有测量精度高、速度快、用户数量不限、抗干扰能力强等优点。不仅用于军事领域，还广泛用于工农业生产、交通运输、野外探险等领域。本系统实现的数据采集精确度较高；采集到的位置可以控制在2 m范围之内，接收数据并处理的时间小于2 s，存精确度和实时性上要优于其他数据采集系统。

1 GPS数据采集系统的设计
    硬件系统中主要由主控制器、液晶显示模块和CPS射频前端，数据传输单元组成，如图1所示。

    GPS信号通过天线接收值射频前端模块，在射频芯片中实现A／D转换，将模拟中频信号转化为数字信号通过串口传入单片机，单片机接收的数据信息经过时差，坐标处理等操作，在通过LCD显示出来。

2 GPS数据采集系统的设计及实现
2．1 GPS语句的输出格式
    GPS-OEM板采用NMEA-0183通信格式，可以输出多种句型，均以“$”开头。其语句格式如表1所示。

    输出的语句按串口通信协议：1位开始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。输出数据采用的是ASCⅡ码字符，内容包含了纬度、经度、速度、日期、航向及卫星状况等信息。语句达十余种，其中定位语句$GPRMC其结构为：
    $GPRMC，<1>．<2>，<3>．<4>，<5>．<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>*hh<CR><LF>
    其中：
    “GP”-交谈识别符；
    “RMC”-语句识别符；
    “*”-校验和识别符；
    “hh”-为校验和，其代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值(不包括这两个字符)。
    $GPRMC语句数据区的内容为：
    1)定位点的协调世界时间(UTC)，hhmmss(时分秒)格式；
    2)定位状态，A=有效定位，V=无效定位；
    3)定位点纬度，ddmm．mmmmm(度分)格式；
    4)纬度半球，N(北半球)或S(南半球)；
    5)定位点经度，dddmm．mmmmm(度分)格式；
    6)经度半球，E(东经)或W(西经)；
    7)地面速度，000．0节～999．9节；
    8)地面航向，000．0度～359．9度；
    9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式；
    10)磁偏角，000．0度～180度；
    11)磁偏角方向，E(东)或W(西)。
2．2 GPS数据接收
    利用单片机的串行接口接收GPS传送过来的数据，其硬件原理如图2所示，GPS的接口及单片机串口均采用TTL电平传输数据，所以GPS接口引脚4和3可直接与单片机的TXD和RXD引脚相连，无需电平转换，硬件电路图如图2所示。

    GPS模块输出的是数据流，每秒钟更新一次数据。必须要用单片机对其输出的数据流中的数据进行提取，以方便用户直接读取。首先打开串口中断服务子程序，开始接收数据，判断其是否有“$”符号，然后根据逗号的个数进行判断数据的类型，然后分别存储时间、经度、纬度、日期等信号，若接收到“＼n”则接收结束。
    用C语言编程，其程序如下：
    

    在PC机上接收的GPRMC语句信息如下：
    $GPRMC，103320，A，4350．95221，N，12524．06042，E，000．0，000．0，130507，009．1，W*50
    这是一条GPS定位数据信息语句，涵义是UTC时间为10时33分20秒，位置在北纬43度50．9522分，东经125度24．0604分，移动速度为0，移动范围为0，日期为2007年5月13日，地磁变化为9．10，地磁变化方向为西，校验和为50H。根据接收的信息用单片机进行相应的处理，就可以得到所需的信息了，信息处理过程见3节。

3 对接收信息的处理
    数据的处理主要包括两个方面：
    1)时间的处理
    直接从卫星接收到的时间信息是UTC时间(格林尼治时间)，需要处理成北京时间。
    要变成北京时间需要加上8个小时，如果超过24小时，则减去24小时后，才是北京时间。
    时间转换处理程序如下：
    
    2)定位的处理
    GPS接受的经度、纬度等信息采用的是美国的84坐标系统，需要转换成我国的54坐标系统。为便于描述设如下几个参量：
    大地坐标-(B，L，H)
    平面坐标-(x，y，z)
    椭球偏心率-C
    椭球参数m，n-大地坐标转换到指教坐标需要使用的参数，则有：
    
    

4 结束语
    本系统讨论了用单片机对GPS数据的读取及处理的方法，分析了GPS模块的信息格式并编制了通信软件，不仅成功地实现了GPS定位信息的接收与提取，而且具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、性能稳定的特点，具有一定的使用价值。