賈鑫

摘? 要： 針對GPS數(shù)據(jù)收集龐雜，數(shù)據(jù)處理繁復(fù)且不精準(zhǔn)的問題，提出通過采用MSP430F149型號單片機，并且以PL2302芯片模塊設(shè)置虛擬串口，完成基于GPS的計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計。以GPS為基礎(chǔ)，通過計算機進行進一步的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)克服了以往GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理慢、分析不夠準(zhǔn)確的特點，同時進行了相應(yīng)的實驗研究，證明通過該計算機系統(tǒng)進行的GPS數(shù)據(jù)信息處理更為精確迅捷，能夠廣泛應(yīng)用于對GPS定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析精準(zhǔn)度要求較高的產(chǎn)品以及企業(yè)當(dāng)中，對具體的生活生產(chǎn)具有實際意義。

關(guān)鍵詞： GPS導(dǎo)航系統(tǒng); 計算機信息處理; MSP430F149單片機; 數(shù)據(jù)采集; 硬件設(shè)計; 虛擬串口

中圖分類號： TN967?34; TN915.04? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）21?0147?04

Design of computer data acquisition and processing system based on GPS

JIA Xin

（Changzhi University， Changzhi 046000， China）

Abstract： In view of the complicated and inaccurate GPS （global positioning system） data collection and data processing， a GPS based computer data acquisition and processing system is designed by using SCM MSP430F149 and setting the virtual serial port with chip module PL2302. On the basis of GPS， the data acquisition system designed with the computer system overcomes the deficiencies of slow data processing and inaccurate analysis of the previous GPS system. At the same time， corresponding experiments were conducted. The experimental results show that the GPS data information processing by using the computer system is more accurate and faster， can be widely used in products and enterprises that require high accuracy in GPS positioning system data analysis. Therefore， the design has practical significance to life and production.

Keywords： GPS navigation system; computer information processing; SCM MSP430F149; data acquisition; hardware design; virtual serial port

0? 引? 言

GPS（Global Positionging System）系統(tǒng)是一種通過空中衛(wèi)星進行無線電式高精度化的全球性定位系統(tǒng)。GPS定位系統(tǒng)的特點是其能夠進行全方位、全天候、高精度的工作，工作性能不受天氣影響。由于上述優(yōu)點，GPS定位系統(tǒng)普遍應(yīng)用于遙感、導(dǎo)航、定位以及測距等各種領(lǐng)域。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進步的過程當(dāng)中，人們對GPS也有了更高的要求和期許。怎樣對GPS進行相應(yīng)的優(yōu)化，使GPS可進行更為復(fù)雜、精確的地形測量，并且對通過GPS收集的數(shù)據(jù)進行有效分析，成為具有極大研究意義的課題。通過嵌入式系統(tǒng)進行GPS相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和地形測量工作，以MSP430F149單片機以及計算機為硬件基礎(chǔ)，同時進行相應(yīng)人機交互界面的設(shè)計，對相關(guān)地理信息進行詳細(xì)顯示，以實現(xiàn)更好的計算機數(shù)據(jù)信息采集。

1? 系統(tǒng)總述

1.1? 整體系統(tǒng)介紹

設(shè)計采用德州儀器（TI）生產(chǎn)的MSP430系列的單片機，其具體型號為MSP430F149。該單片機具有功耗超低且硬件兼容性突出的優(yōu)點。在系統(tǒng)具體設(shè)計當(dāng)中，GPS對應(yīng)的接收模塊負(fù)責(zé)接收相應(yīng)的定位信息。信息接收完畢之后，相關(guān)的信息數(shù)據(jù)向單片機當(dāng)中傳送。單片機接收數(shù)據(jù)，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進行分析和處理，而后在外接液晶屏上顯示相關(guān)信息，如海拔高度、經(jīng)度、緯度以及時間等。同時，單片機的解析數(shù)據(jù)通過外部串口轉(zhuǎn)接至USB，與計算機進行連接并完成傳送。計算機將單片機收到的數(shù)據(jù)信息進行處理得到相應(yīng)的高斯平面坐標(biāo)。計算機處理完成后，將相應(yīng)的高斯平面坐標(biāo)、海拔高度以及經(jīng)緯度進行顯示，方便用戶進行分析和處理。系統(tǒng)的整體流程圖如圖1所示。

1.2? GPS簡述及其工作原理

全球定位系統(tǒng)（GPS）主要由用戶部分、地面部分以及監(jiān)控部分三個部分組成。其中，空間部分主要為GPS衛(wèi)星，通常GPS衛(wèi)星按照工作分工不同可以分為工作衛(wèi)星以及試驗衛(wèi)星兩大類。工作衛(wèi)星能夠進行相互間的通信，同時具備進行AS以及SA的能力。試驗衛(wèi)星是為了進行對應(yīng)的實驗論證，為衛(wèi)星系統(tǒng)能夠做出進一步的改進而發(fā)射的衛(wèi)星。地面部分也是GPS衛(wèi)星的控制部分，按其職能種類不同可以分為主控站、注入站以及監(jiān)測站三種類型。主控站負(fù)責(zé)對地面監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)以及相關(guān)數(shù)據(jù)資料的分析，同時負(fù)責(zé)衛(wèi)星軌道調(diào)整;注入站負(fù)責(zé)將主控站發(fā)出的指令通過天線發(fā)射到衛(wèi)星;監(jiān)測站負(fù)責(zé)GPS衛(wèi)星信號的監(jiān)測。用戶部分主要由四部分組成，包括微處理機、GPS接收機、用于數(shù)據(jù)處理的軟硬件以及相應(yīng)的終端設(shè)備。

用戶通過其終端設(shè)備進行GPS信號的接收，同時按設(shè)備通過其軟硬件進行信號信息處理，以一定的精確度獲取用戶當(dāng)前所在位置以及用戶移動速度，實現(xiàn)通過GPS為其導(dǎo)航的功能。利用GPS進行定位，其基本原理是依據(jù)衛(wèi)星在高速運動時的瞬間位置為參考數(shù)據(jù)而計算的。對于用戶待測位置的確定，依據(jù)空間后方交匯的方式進行計算?？臻g后方交匯的方式通過3個以上非同一直線上的衛(wèi)星點進行共線方程的計算，以確定對應(yīng)待測點方位，其示意圖如圖2所示。

在圖2當(dāng)中，地面用戶所持中斷的待測點設(shè)為[O（x，y，z）]，4個非同一直線的衛(wèi)星點a，b，c，d的坐標(biāo)分別為[xa，ya，za，xb，yb，zb，xc，yc，zc，xd，yd，zd]，設(shè)接收機收到GPS信號的時間為[Δt]，同時借助衛(wèi)星對應(yīng)的兩行軌道數(shù)據(jù)，不難得出以下方程式組：

[（xa-x）2+（ya-y）2+（za-z）2+c（vta-vt0）=da] （1）

[（xb-x）2+（yb-y）2+（zb-z）2+c（vtb-vt0）=db] （2）

[（xc-x）2+（yc-y）2+（zc-z）2+c（vtc-vt0）=dc] （3）

[（xd-x）2+（yd-y）2+（zd-z）2+c（vtd-vt0）=dd] （4）

式中：[da]，[db]，[dc]，[dd]分別表示衛(wèi)星a、衛(wèi)星b、衛(wèi)星c、衛(wèi)星d與接收機的空間距離，且：

[da=cΔta] （5）

[db=cΔtb] （6）

[dc=cΔtc] （7）

[dd=cΔtd] （8）

式中：[Δta，Δtb，Δtc，Δtd]分別表示接收機收到衛(wèi)星a、衛(wèi)星b、衛(wèi)星c、衛(wèi)星d所需要的時間;[vta，vtb，vtc，vtd]以及[vt0]分別表示衛(wèi)星a、衛(wèi)星b、衛(wèi)星c、衛(wèi)星d以及接收機所對應(yīng)的鐘差，通過兩行軌道數(shù)據(jù)獲得;c表示光速，也即GPS的信號傳播速度。由以上方程組可以得出用戶待測點對應(yīng)的坐標(biāo)以及終端接收機對應(yīng)的鐘差[vt0]。

1.3? NMEA 0183協(xié)議簡述

NMEA 0183協(xié)議是針對GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的一種標(biāo)準(zhǔn)RTCM協(xié)議，此協(xié)議對電子信號傳輸數(shù)據(jù)所需時間、傳輸過程的傳輸協(xié)議做出規(guī)范。其數(shù)據(jù)幀格式有以下幾種：RMC（最簡特性）、LCGLL（對應(yīng)的地理信息當(dāng)中含有LORAN ID）、PGRMT（狀態(tài)信息）、VTG（VTG速度對應(yīng)的方向正北）、UTC（時間輸出）、PGRMV（對應(yīng)的3D定位信息）、GGA（對應(yīng)的位置信息）、GSA（對應(yīng)的衛(wèi)星活動以及GPS DOP）、LCVTG（對應(yīng)的速度及軌道信息當(dāng)中含有LORAN ID）、GSV（GPS衛(wèi)星當(dāng)前所處的狀態(tài)）。

在GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)當(dāng)中，將NMEA 0183協(xié)議作為特定的通信協(xié)議，同時對其串行口對應(yīng)的通信參數(shù)做出以下要求：停止位應(yīng)為1位，波特率應(yīng)為4 800，沒有奇偶校驗位，且數(shù)據(jù)位應(yīng)為8位。當(dāng)GPS終端接收機開始工作時，GPS衛(wèi)星將對應(yīng)的定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳送到GPS終端接收機，接收機接收數(shù)據(jù)后經(jīng)由串口將其傳送到相關(guān)的計算機當(dāng)中。這些傳送信息是不能直接使用的，需要對其進行分類并做出相關(guān)處理之后才能得到相應(yīng)的信息。具體上，首先應(yīng)當(dāng)借助電腦程序?qū)彺孀止?jié)流當(dāng)中各個字段的信息進行提取，而后將所提取的信息轉(zhuǎn)化為可供使用的具有實際意義的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。在對GPS做出信息數(shù)據(jù)的提取之前，首先應(yīng)當(dāng)明確對應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，而后以幀結(jié)構(gòu)為依據(jù)提取出對應(yīng)的定位信息。

在相應(yīng)幀數(shù)據(jù)的確定上，通過ASCII碼“$”進行判斷，而后通過終端機接收字符進行信息類型的甄別與判斷。在進行相應(yīng)的甄別之后，得到對應(yīng)的定位信息和相關(guān)數(shù)據(jù)。設(shè)計中對以下數(shù)據(jù)信息包括海拔高度、經(jīng)度、緯度以及時間進行分析處理，針對GPGGA以及GPRMC兩種情況。

2? GPS計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? GPS模塊電路以及MSP430F149單片機

GPS模塊電路采用NEO?5Q型號芯片作為主芯片。NEO?5Q芯片是由瑞士的u?blox公司生產(chǎn)的一款芯片模組，芯片是具有獨立性、多功能化的一種GPS模組。該芯片以ROM作為其基本架構(gòu)，具備體積小、成本低等優(yōu)點，同時由于其使用u?blox公司最新的相關(guān)技術(shù)，也即KickStart微弱信號攫取。因此無論是何種天線尺寸、天線位置，都能夠最大程度地保證最優(yōu)的初始定位功能，且能夠做出相應(yīng)的快速衛(wèi)星定位處理。NEO?5Q芯片具有超過100萬個相關(guān)引擎，同時能夠接收50個相關(guān)通道衛(wèi)星的數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)alileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行同步追蹤。NEO?5Q芯片的外部接口較多，其中包括[I2C]，USB，UART以及SPI等各種接口，因此，在與ARM以及MSP430F149單片機等微型控制器的連接當(dāng)中可以實現(xiàn)無縫對接，電路相對簡單。

MSP430F149單片機是由TI推出的新型單片機，其帶有FLASH且包含16位總線。MSP430F149單片機集成度高且極具性價比，是進行GPS計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的合適選擇。由于其包含16位總線，同時內(nèi)存與外設(shè)能夠進行統(tǒng)一的編址工作，因此尋址范圍能夠達到64 KB。MSP430F149單片機可以進行兩個儲存器位的外擴展，能夠?qū)崿F(xiàn)中斷管理的統(tǒng)一化，且單片機的外圍模塊十分豐富。片內(nèi)包含一個看門狗（watchdog）定時器，16位的定時器有2個，1個12位14路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），精密的硬件乘法器，P口有6個，USART的通信端口有2路，比較器有1個，DOC內(nèi)部振蕩器有1個，外部時鐘有1個，同時能夠?qū)? MHz的時鐘進行支持。由于其帶有FLASH，因此單片機能夠執(zhí)行在線下載以及調(diào)試，并且不需要借助其他仿真工具，JTAG口能夠直接與場效應(yīng)晶體管（FET）進行連接，相對其他型號單片機更為方便實用。同時，單片機具有超低功耗的工作模式，能在最大程度上減少對人體以及工作環(huán)境的輻射，具有極強的抗電干擾性，具有工業(yè)化運行的普適性。

在設(shè)計當(dāng)中，通過MSP430F149單片機對GPS模塊當(dāng)中的導(dǎo)航定位信息數(shù)據(jù)進行提取和分析。通過串行接口進行相關(guān)信息的采集，信息采集后進行所需信息的選取。設(shè)計中需要采集的信息主要包括海拔高度、經(jīng)度、緯度以及時間信息。NEO?5Q芯片模塊與單片機的硬件電路如圖3所示。

2.2? 串行口到USB接口的轉(zhuǎn)換電路

在MSP430F149單片機上對衛(wèi)星導(dǎo)航信息進行采集、解析以及選取過后，最終選定的信息一部分傳送到計算機中進行顯示，另一部分在屏顯成本較低的12864液晶屏當(dāng)中進行顯示。由于當(dāng)下多數(shù)計算機沒有與之對應(yīng)的串口，因此選擇通過設(shè)計虛擬串口的方式進行信息數(shù)據(jù)的傳輸。具體上，采用PL2302對USB接口進行對應(yīng)的串口虛擬工作，PL2302對于USB 1.1協(xié)議完全遵從，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的RS 232串行口與USB接口之間的相互轉(zhuǎn)換。同時，PL2302芯片具備相對較快的信息數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠使信息數(shù)據(jù)的傳輸效率得到大幅提升。串行口到USB接口之間的轉(zhuǎn)換電路圖如圖4所示。

3? GPS計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? GPS計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)簡述

GPS計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)在能夠?qū)ζ洳杉臄?shù)據(jù)信息進行分析解析的同時，也能夠識別HDOP以及PDOP等各種誤差。同時，系統(tǒng)能夠評估衛(wèi)星信號對應(yīng)的強弱狀態(tài)，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控衛(wèi)星實際運行狀況的功能。GPS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)輸出NEMA 0183協(xié)議的數(shù)據(jù)類型。其實現(xiàn)的具體過程可以表述如下：首先應(yīng)當(dāng)通過計算機串口（或通過PL2302芯片轉(zhuǎn)換的虛擬串口）進行已采集導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)采集文件的接收。在數(shù)據(jù)文件完成接收之后，GPS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)文件進行相應(yīng)的信息讀取，并且對已讀信息進行分析與篩選，然后將選取的信息文件傳輸?shù)綄?yīng)的顯示屏，用戶能夠通過顯示屏進行相應(yīng)導(dǎo)航定位信息的讀取和使用。GPS計算機數(shù)據(jù)采集處理信息的流程圖如圖5所示。

3.2? 系統(tǒng)相關(guān)細(xì)節(jié)分析

GPS終端接收機主要負(fù)責(zé)將GPS衛(wèi)星收集傳送到終端的信息做出處理與加工，并將對應(yīng)的處理結(jié)果傳送到計算機。其具體的數(shù)據(jù)傳輸過程需要對應(yīng)的串行口實現(xiàn)，同時GPS終端接收機的數(shù)據(jù)傳送也需要相關(guān)的串行口完成。但是在GPS終端接收機當(dāng)中借助串行口傳輸數(shù)據(jù)時，信息數(shù)據(jù)還沒有進行進一步的加工處理，數(shù)據(jù)仍然是字節(jié)流的表現(xiàn)形式。通過串行口進行數(shù)據(jù)儲存時，數(shù)據(jù)信息儲存在特定的位置，但是此時無法對數(shù)據(jù)信息進行讀取。因此在進行GPS終端接收機向計算機傳送導(dǎo)航定位信息數(shù)據(jù)時，需要先對信息數(shù)據(jù)加工處理，待信息解析后可被讀取時才能夠向計算機傳輸信息數(shù)據(jù)。與此同時，對信息數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的甄別和篩選，在計算機當(dāng)中呈現(xiàn)相應(yīng)所需信息數(shù)據(jù)。在GPS數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)注意在串行口執(zhí)行數(shù)據(jù)提取時，要保證數(shù)據(jù)相匹配，從而保障信息的有效提取，以及高效性和準(zhǔn)確性。

3.3? GPS計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的實現(xiàn)

設(shè)計完成的GPS計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對于MSP430F149單片機與計算機之間的傳輸方式主要采用通過PL2302芯片轉(zhuǎn)換完成后的虛擬串口進行傳輸。系統(tǒng)將MSP430F149單片機當(dāng)中收集到的海拔高度、經(jīng)度、緯度以及時間信息通過虛擬串口傳輸?shù)接嬎銠C當(dāng)中。計算機在收到信息之后，將其所得經(jīng)度、緯度的參數(shù)值進行轉(zhuǎn)換，得到用戶待測點所在位置的高斯平面坐標(biāo)。然后將數(shù)據(jù)信息傳送到對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，軟件需要設(shè)定相應(yīng)的采樣速率，并且對數(shù)據(jù)做出解析，顯示原始數(shù)據(jù)與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時，軟件還應(yīng)當(dāng)將所得數(shù)據(jù)進行打包儲存，通常儲存的文件格式為txt文本格式的文件。系統(tǒng)采用的用戶界面為標(biāo)準(zhǔn)化的圖形界面，同時顯示相應(yīng)的聯(lián)機幫助選項。界面進行漢化處理，做直觀簡單的數(shù)據(jù)顯示，并給出相應(yīng)的操作按鈕，方便用戶操作。功能模塊之間具備管理與配置的靈活性，能夠完成查詢相應(yīng)的歷史記錄、信息數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、信息結(jié)果的顯示與打印等功能。系統(tǒng)可以進行相關(guān)的采樣速率設(shè)置、端口的選擇以及周期性的數(shù)據(jù)分析功能。

4? GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)運行及結(jié)果分析

關(guān)于GPS計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)實驗主要通過虛擬數(shù)值輸入的方式進行。通過向單片機發(fā)送虛擬GPS空間衛(wèi)星數(shù)值，驗證系統(tǒng)的可行性與精確性，其運行后的用戶界面如圖6所示。

運行結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確分析GPS空間衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進行準(zhǔn)確的數(shù)值顯示和相應(yīng)結(jié)果實現(xiàn)。

5? 結(jié)? 語

本文通過對基于GPS的計算機信息處理系統(tǒng)的研究設(shè)計，實現(xiàn)了通過GPS的地面測量定位以及信息整合的功能，進一步提高了GPS定位的準(zhǔn)確性、高效性以及普適性。研究主要對GPS導(dǎo)航定位做出進一步的優(yōu)化，以保證能夠獲得更加直觀、快捷、實時的定位導(dǎo)航信息。

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