李 斌，賈 巍，趙 奇

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

基于MSP430單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 斌，賈 巍，趙 奇

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得我們判別方向和確定距離的能力有了劃時代的進(jìn)步。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS便是近年以來開發(fā)的最具有開創(chuàng)意義的高新技術(shù)之一，其全球性、全能性、全天候性的導(dǎo)航定位、定時、測速優(yōu)勢必然會在諸多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，GPS技術(shù)在中國道路工程和交通管理中的應(yīng)用還剛剛起步，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高等級公路的快速修建和GPS技術(shù)的應(yīng)用研究的逐步深入，其在道路工程中的應(yīng)用也會更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用[1]。

1 GPS系統(tǒng)組成

整個GPS系統(tǒng)分為三個基本部分:空間部分-GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng);用戶設(shè)備部分-GPS信號接收機(jī)[2]。

1.1 空間部分

空間部分由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌道備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度。對于地面觀測者來說，位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到4顆，最多可以見到11顆。

1.2 地面控制部分

GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。主控站的任務(wù)是收集、處理本站和監(jiān)測站的全部資料，編算出每顆衛(wèi)星的星歷和GPS時間系統(tǒng)。注入站的任務(wù)是將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器。監(jiān)測站的主要任務(wù)是對每顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，并向主控站提供衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)。監(jiān)測站是一個無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站的控制，定時將觀測數(shù)據(jù)傳送到主控站。

1.3 用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備是滿足用戶定位精度和動態(tài)特性要求的GPS接收機(jī)，其功能是接收衛(wèi)星播發(fā)的信號，獲取定位觀測值，提取導(dǎo)航電文中的廣播衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時鐘鐘差及電離層延遲修正參數(shù)等，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，已完成導(dǎo)航和定位任務(wù)。圖1是GPS用戶接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖。

圖1 GPS用戶接受機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

2 GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)原理

GPS信號接收機(jī)的任務(wù)是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理[3]。如圖2所示。

圖2 GPS接收機(jī)示意圖

1）天線單元:它是由接收天線和前置放大器組成。GPS接收機(jī)天線有:定向天線、偶極子天線、微帶天線、螺旋天線等。

2）接收單元:接收單元包括通道單元及計(jì)算和顯示單元兩部分。通道單元的主要功能是接收來自天線單元的信號，經(jīng)過變頻放大、濾波等一系列處理過程，實(shí)現(xiàn)對GPS信號的跟蹤、鎖定、測量，提供計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對整個GPS定位系統(tǒng)的硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要關(guān)于GPS應(yīng)用方面，能夠接收GPS信號，并能對接收信號進(jìn)行處理顯示，可以提供完備的外部接口，方便智能儀器與其它設(shè)備連接，要能對誤差進(jìn)行有效的控制，有提高精度的作用，系統(tǒng)要求體積小，移動方便，功耗低。

由于MSP430F449是具有強(qiáng)大處理能力的16位單片機(jī)，采用了精簡指令集結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動下指令周期為125ns，這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。所以設(shè)計(jì)主要以MSP430F449微控制器為中心，利用GR-89 GPS接收模塊接收GPS信號，其可以同時追蹤二十顆星，由于在某些情況下，GPS接收模塊無法良好接收信號，以至系統(tǒng)無法處理顯示出方位的準(zhǔn)確三維信息，所以再使用SCP1000壓力傳感器來定位出高度信息，這樣就能提高系統(tǒng)的整體精度。由于MSP430微控制器具有高達(dá)160段液晶驅(qū)動能力和超低功耗，適用于手持式智能儀器儀表的設(shè)計(jì)[4]。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)集成了USB、GPS、Temperature Sense和Pressure Sense的智能儀器。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，MSP430為中央處理器，POWER MANAGE為電源管理模塊，F(xiàn)lash是系統(tǒng)存儲模塊，USB和Bluetooth為信息傳輸模塊，KEY為鍵盤輸入模塊，LCM液晶顯示模塊，PS為壓力傳感器模塊，TS為溫度傳感器模塊。

由于本系統(tǒng)中對速度的要求不高，而且開發(fā)完整的USB與微控制器的接口需要大量的時間，在這里我們將簡化USB接口的設(shè)計(jì)，將UART中的數(shù)據(jù)利用轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成USB的數(shù)據(jù)類型。采用FT8U232AM芯片，其提供了單片集成多功能數(shù)據(jù)傳輸解決方案。電路原理如圖4所示。

圖4 FT8U232AM電路原理圖

USB接口采用mini-B接口，電源VCC-BAR為4.75-5.25V,晶振為6MHz,芯片93C46是微芯（Microchip）公司產(chǎn)的1K串行EEPROM,操作電壓為5V。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：1）全天候；2）全球覆蓋；3）三維定速定時高精度；4）快速省時高效率：5）應(yīng)用廣泛多功能[5]。

本設(shè)計(jì)采用GR-89 GPS接收模塊，該模塊采用SiRF GSC3F芯片技術(shù)，模塊功能圖如圖5所示。GR-89是一高性能的、低功耗、小尺寸的易集成的GPS模塊，非常適合于導(dǎo)航與定位服務(wù)，GR-89在減少體積和功耗時采用BGA封裝及高度集成化的電路達(dá)到優(yōu)異的性能，系統(tǒng)可通過兩個RS-232進(jìn)行雙向通信。

圖5 GR-89功能圖

依據(jù)GR-89模塊的引腳功能，且系統(tǒng)可通過兩個RS-232進(jìn)行雙向通信。而且MSP430F449有兩個UART口。各個引腳接法如下：17（RF-IN）引腳接GPS天線，NRESET引腳接MSP430F449，作為GR-89的復(fù)位信號；兩個串行通信口分別接相應(yīng)的UART；GPIO作為信號燈輸出端口；電源端應(yīng)接小容量的獨(dú)立電容，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，未用到的接口懸空即可。這樣，GR-89模塊的電路原理圖如圖6所示。

圖6 GR-89電路原理圖

4 SCP1000壓力傳感器接口設(shè)計(jì)

壓力傳感器用來測定高度信息，以彌補(bǔ)GPS接收機(jī)在某些情況下，高度信息誤差較大的缺陷。這里我們采用SCP1000壓力傳感器，高精度氣壓傳感器，精確測量大氣壓，可適用于高度計(jì)等場合，全部高精度的數(shù)字輸出，可以應(yīng)用于手表，無人機(jī)等需要測氣壓或者高度的場合。SCP1000-D01提供了高精度、高速、低功耗和超低功耗四種測量模式。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 SCP1000-D01內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SCP1000-D01采用了貼片式設(shè)計(jì)和ASIC封裝，功耗相當(dāng)小，其工作電壓為2.4 V～3.3 V。電流最大僅為50μA，近乎于可以忽略不計(jì)。SCP1000-D01為圓形結(jié)構(gòu)，直徑僅為6 mm。高度僅為1.7 mm。SCP1000-D01共有16個引腳.其中I/O型引腳7個，電源型引腳9個，與MSP430接口電路如圖8所示。

圖8 SCP1000-D01接口電路

5 電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源管理模塊采用AME8801芯片，該系列AME8801/8840擁有很低的靜態(tài)電流和轉(zhuǎn)化電壓，從而使其很適合應(yīng)用于電池電壓轉(zhuǎn)換，很節(jié)省空間的SOT-23-5封裝方式也很適合便攜的要求，AME8801/8840擁有電流過載保護(hù)和溫度過熱保護(hù)，從而使其在惡劣的環(huán)境下不至于損壞[6]。如圖9所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖9 系統(tǒng)電源電路

隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，系統(tǒng)中軟件的作用在增加，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)、性能的提升越來越依賴于軟件方面了，VHDL和Verilog HDL語言在EDA領(lǐng)域中的作用表明了這點(diǎn)。

圖10 GPS處理流程圖

在系統(tǒng)中我們采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是提高代碼重復(fù)利用率、便于調(diào)試排錯和易于擴(kuò)展。GR-89接口協(xié)議基于NMEA（National Marine Electronics Association），國際海洋電子協(xié)會）00183（Version 2.2），ASCII接口說明. GPS子程序的流程圖如圖10所示。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了GPS定位系統(tǒng)，主要用于地點(diǎn)的三維定位，系統(tǒng)擁有的功能有目標(biāo)的坐標(biāo)定位，并通過壓力傳感器矯正高度坐標(biāo)，帶有時間和溫度的顯示和存儲，并提供了流行的USB接口，方便了系統(tǒng)和其它設(shè)備相連，擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能和應(yīng)用范圍，也可進(jìn)行軟件的升級。系統(tǒng)分為硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分，硬件采用高度集成化的芯片和當(dāng)今流行的SMT(貼片封裝)，使系統(tǒng)能減少體積.通過采用壓力傳感器SCP-1000改善了系統(tǒng)的精度，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)。由于時間關(guān)系，系統(tǒng)中的USB芯片F(xiàn)T8U232AM是將串口轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式，這也在一定程度上限制了系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。軟件方面，系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，容易編寫和改寫，升級。

[1]付華,郭虹,徐耀松.智能儀器設(shè)計(jì)[M].國防工業(yè)出版社,2007.

[2]劉大杰,釋一民.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].同濟(jì)大學(xué)出版社,2003.

[3]張鳳舉,王寶山.GPS定位技術(shù)[M].煤炭工業(yè)出版社,1997.

[4]張念淮,江浩.USB總線接口開發(fā)指南[M].國防工業(yè)出版社,2002.

[5]干國強(qiáng),邱致和.導(dǎo)航與定位-現(xiàn)代戰(zhàn)爭的北斗星[M].國防工業(yè)出版社,2000,5.

[6]Shyu.Automatic Working Vehicular System[M].US Patent,1990.

Design of global positioning system based on MSP430

LI Bin, JIA Wei, ZHAO Qi

本文介紹了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的概念，設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)的GPS定位系統(tǒng)，主要用于地點(diǎn)的三維定位，系統(tǒng)擁有的功能有目標(biāo)的坐標(biāo)定位，并通過壓力傳感器矯正高度坐標(biāo)，帶有時間和溫度的顯示和存儲，并提供了流行的USB接口，方便了系統(tǒng)和其它設(shè)備相連，擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能和應(yīng)用范圍，也可進(jìn)行軟件的升級。

GPS；MSP430單片機(jī)；壓力傳感器

李斌（1979－），男，遼寧大連人，講師，博士研究生，主要從事新型電氣傳動技術(shù)方面的研究工作。

TP392

A

1009-0134(2010)06-0061-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.21

2009-08-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50874059）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50677027）；教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金（教外司留 [2005]383號）