何凌霄，林凡強(qiáng)，馬曉茗

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059）

隨著GPS系統(tǒng)的完善，對(duì)于GPS定位系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，各種GPS應(yīng)用平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生[1]。GPS全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）是覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，可以采集到地球上任意觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[2]。

本系統(tǒng)采用高精度的E580模塊接收GPS信號(hào)，再輔以低功耗MSP430[3]單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行接收和存儲(chǔ)，進(jìn)而在LCD上顯示目標(biāo)的坐標(biāo)，最終將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，在虛擬地球儀軟件Google Earth中直觀地顯示目標(biāo)軌跡。該平臺(tái)具有高可靠性、高測量精度、超低功耗、全球覆蓋、操作簡單等特點(diǎn)[4]。 系統(tǒng)成本低廉，易于工程實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用到廣泛的工程領(lǐng)域，如：罪犯追捕、物流及時(shí)查詢、目標(biāo)跟蹤或公交查詢等。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)可分為兩部分：

第一部分：對(duì)GPS信號(hào)的接收和處理，具體過程為：通過天線接收到原始信號(hào)，并將信號(hào)送入E580模塊；然后采用E580的串口與單片機(jī)通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送給MSP430單片機(jī)；單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

第二部分：在Google Earth軟件中實(shí)現(xiàn)軌跡顯示，具體過程為：當(dāng)PC向單片機(jī)發(fā)送正確的讀取密碼后，通過上位機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)并生成Google Earth識(shí)別的KML格式文件，用Google Earth打開該文件后地圖上將顯示對(duì)應(yīng)的目標(biāo)軌跡圖。

除此之外，單片機(jī)在提取出所需的GPS信息后，在FYD16032液晶上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的坐標(biāo)，并且可以通過按鍵進(jìn)行各種交互操作。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總原理設(shè)計(jì)框圖

硬件系統(tǒng)可分為接收模塊、微處理器模塊、顯示模塊以及人機(jī)接口模塊。各個(gè)功能模塊的具體功能如下：

接收模塊：接收原始的GPS信號(hào)，存儲(chǔ)為固定格式的數(shù)據(jù)信息并傳送給單片機(jī)，報(bào)告自己的狀態(tài)，并接收單片機(jī)的控制。

微處理器模塊：控制并接收GPS模塊的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理后在LCD上顯示出坐標(biāo)信息，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash中；同時(shí)，將數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，接收PC機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信功能。

PC控制模塊：PC接收軟件主要功能是接收數(shù)據(jù)并生成Google Earth可以打開的KML軌跡文件。

人機(jī)接口模塊：包括LCD顯示模塊和鍵盤控制模塊。

1.2 E580模塊硬件電路

高感低功耗的E580每秒數(shù)據(jù)更新率為4次，具有16個(gè)通道，可以同時(shí)跟蹤16顆GPS衛(wèi)星，跟蹤靈敏度可達(dá)-158 dBm。不僅能滿足陸地導(dǎo)航的要求，而且能達(dá)到飛行器的動(dòng)態(tài)要求。E580采用ANTARRIS4定位技術(shù)，內(nèi)置節(jié)能模式（FIXNOW）可提供極低功率架構(gòu)。E580從硬件和軟件上都十分易于使用，非常適合用于系統(tǒng)集成，只需要外加天線和電源即可工作。E580擁有2個(gè)UART和一個(gè)USB口，其數(shù)據(jù)可以通過任意接口來讀取。對(duì)于天線部分的設(shè)計(jì)，需要加50Ω的阻抗匹配線，采用Si9000軟件對(duì)微帶線進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用計(jì)算后的數(shù)值進(jìn)行PCB的布線[5]。

E580系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

GPS接收模塊E580采用串口通信，與單片機(jī)的電器連接如圖3所示。

1.3 MSP430通過USB與上位機(jī)通信

由于USB總線具有傳輸速度快、占用資源少和真正的即插即用等優(yōu)點(diǎn)，故在該系統(tǒng)中采用了常用的USB通信芯片F(xiàn)T245來進(jìn)行單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信。FT245主要進(jìn)行USB與并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程由硬件自動(dòng)完成，開發(fā)者無需考慮硬件設(shè)計(jì)。FT245通過8根數(shù)據(jù)線(D0～D7)及讀/寫控制線(RD、WR)來完成與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交互，內(nèi)含一個(gè)128 B的接收緩沖區(qū)和一個(gè)384 B的發(fā)送緩沖區(qū)，此外還包括1個(gè)內(nèi)置的3.3 V穩(wěn)壓器、一個(gè)6 MHz振蕩器、8倍頻的時(shí)鐘倍頻、USB鎖相環(huán)和EEPROM接口。具體電路如圖4所示。

1.4 Flash存儲(chǔ)器

在該系統(tǒng)中需要對(duì)接收到的GPS信息進(jìn)行保存，這種數(shù)據(jù)量比較大，為了更好地進(jìn)行本地處理和軌跡的重現(xiàn)，加入了大容量的Flash存儲(chǔ)器M25P80。M25P80具有8個(gè)引腳，與MSP430F148單片機(jī)的硬件連接非常簡單，僅需片選信號(hào)、串行數(shù)據(jù)輸入、輸出以及時(shí)鐘信號(hào)4條線與MSP430F148的SPI接口相連。硬件連接圖如圖5所示。

圖5 M25P80與單片機(jī)連接圖

MSP430F148單片機(jī)的最小系統(tǒng)部分以及LCD顯示模塊在此就不再贅述。

1.5 LCD顯示模塊

FYD16032是一種具有8 bit并行或3線串行兩種接口方式，內(nèi)部含有簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；顯示分辨率為160×32。使用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。LCD顯示格式如下：

緯度：104.13951633

經(jīng)度：30.6741392

GPS接收系統(tǒng)中，采用3線接口方式，引腳連接關(guān)系如表1所示。

表1 LCD引腳連接

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程：MSP430F148通過其串口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收，當(dāng)單片機(jī)核心板按下“啟動(dòng)”鍵，在接收到以SGPRMC為開始的信息后，提取當(dāng)前有效信息的經(jīng)緯度，并存儲(chǔ)在系統(tǒng)的Flash中，同時(shí)顯示在LCD上；在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，按下“停止”按鍵，此時(shí)系統(tǒng)停止接收，數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在系統(tǒng)的Flash中，之后可以通過USB傳輸?shù)絇C機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過KML格式轉(zhuǎn)換后即可在Google Earth上顯示目標(biāo)軌跡。

2.1 下位機(jī)端程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后在串行中斷函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的判斷。數(shù)據(jù)接收格式為NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式[6]，本系統(tǒng)采用了接收推薦的最小語句格式：

SGPRMC，hhmmss，status，latitude，N，longitude，E，spd，cog，ddmmyy，mv，mvE，mode*cs＜CR＞＜LF＞

GPRMC語句中，GPS模塊輸出的信息依次為：小時(shí)、分鐘、秒、狀態(tài)(接收數(shù)據(jù)是否有效)、北緯度、東經(jīng)度、速度等以及最后的信息結(jié)束標(biāo)志(信息結(jié)束標(biāo)志為：回車，換行)。

下位機(jī)程序流程如圖6所示。

圖6 下位機(jī)程序流程圖

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 KML文件

系統(tǒng)采用KML的文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。Google Earth中有KML和KMZ兩種類型的地標(biāo)文件。KML文件是Keyhole客戶端進(jìn)行讀寫的文件格式，是一種XML描述語言，并且是一種文本格式，使用起來簡潔易懂，可以通過程序自動(dòng)生成KML文件。因此，使用KML格式的文件非常利于Google Earth應(yīng)用程序的開發(fā)。雙擊KML文件即可從Google Earth中打開地標(biāo)文件，但值得注意的是KMZ/KML地標(biāo)文件名不能包含中文字符，文件存放的路徑也不能有中文字符，否則將無法在Google Earth中打開。

2.2.2 軟件界面

該系統(tǒng)通過USB將接收到的GPS數(shù)據(jù)送給PC機(jī)后[7]，上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)并顯示在界面上，同時(shí)點(diǎn)擊界面中“生成歷史軌跡”按鈕，即可將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成KML格式的文件，該操作界面是采用Visual C++6.0設(shè)計(jì)的。

上位機(jī)界面可以在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)顯示緯度和經(jīng)度，它還包括了“接收數(shù)據(jù)”控制按鈕、“生成當(dāng)前坐標(biāo)”控制按鈕以及“生成歷史軌跡”控制按鈕。密碼欄為輸入接收數(shù)據(jù)的密碼，范圍是0～255，具體的密碼可以在程序中設(shè)定。該界面的操作過程是用戶先向下位機(jī)發(fā)送密碼，下位機(jī)接收到密碼后進(jìn)行判斷，若與之相符，則開始向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“接收數(shù)據(jù)按鈕”會(huì)生成TXT文件并存放在所規(guī)定的路徑里，再點(diǎn)擊生成歷史軌跡按鈕就會(huì)生成KML格式的文件。

2.2.3 KML文件轉(zhuǎn)換

接收到的數(shù)據(jù)為TXT格式的文件，通過程序自動(dòng)生成Google Earth客戶端能夠識(shí)別的KML格式的文件后，在Google Earth軟件中就可顯示目標(biāo)的軌跡圖。試驗(yàn)中可以采用單點(diǎn)的KML文件格式和多點(diǎn)的KML格式兩種方式，以成都理工大學(xué)的地理位置為參照對(duì)象。

轉(zhuǎn)換后的多點(diǎn)的KML文件格式為：

＜kml xmlns="http://earth.google.com/kml/2.0"＞

＜Folder＞＜name＞軌跡＜/name＞＜Placemark＞＜Style＞＜LineStyle＞

＜color＞e500ffff＜/color＞＜width＞4＜/width＞＜/LineStyle＞

＜/Style＞＜LineString＞＜altitudeMode＞relativeToGround

＜/altitudeMode＞＜coordinates＞

104.13951633 ,30.674139

104.13962 ,30.67411733

104.139659 ,30.67422833

104.13967817 ,30.6743225

104.13966717 ,30.67433567

……

＜/coordinates＞＜/LineString＞＜/Placemark＞＜/Folder＞＜/kml＞

此文件在Google Earth中顯示所有點(diǎn)連成的軌跡線，軌跡顏色、寬度以及名字都可以在程序中由用戶自定義。

3 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中，以成都理工大學(xué)行政區(qū)域的地理位置為參照對(duì)象進(jìn)行了目標(biāo)的運(yùn)行軌跡記錄，然后在Google Earth中再現(xiàn)該運(yùn)行軌跡采用的是多點(diǎn)KML文件格式。實(shí)驗(yàn)軌跡圖如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)軌跡圖

本文介紹了基于MSP430F148的便攜式軌跡記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。采用E580來接收GPS信號(hào)，以MSP430F148為控制中心，將目標(biāo)信息實(shí)時(shí)顯示在LCD上，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash中，傳給上位機(jī)通過Google Earth軟件進(jìn)行軌跡的再現(xiàn)。通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能及指標(biāo)[8]。該平臺(tái)功耗低，操作簡單，可以非常靈活地應(yīng)用到物流跟蹤、公交查詢、野外探險(xiǎn)、精細(xì)農(nóng)業(yè)等工程領(lǐng)域中。

[1]曾吉全.GPS車輛自導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2004.

[2]韓九強(qiáng)，張新曼，劉瑞玲.現(xiàn)代測控技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]謝興紅，林凡強(qiáng)，吳雄英.MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]徐太忠.便攜式電子系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001(8)：11-13.

[5]徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6]肖遠(yuǎn)亮.NMEA-0183數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在GPS技術(shù)中的應(yīng)用[J].物探裝備，2003，13(2)：12-21，33.

[7]胡輝.GPS數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn)[J].全球定位系統(tǒng)，2008(1)：25-30.

[8]孔慶華.現(xiàn)代交通電子控制技術(shù)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2004.