便攜式地理信息采集儀的設(shè)計(jì)
引言
隨著數(shù)字化社會(huì)的快速發(fā)展，地理位置信息的采集分析越來(lái)越重要，如何使數(shù)據(jù)的采集分析更加簡(jiǎn)便易行，是每個(gè)地理信息研究機(jī)構(gòu)最關(guān)心的問題。地理位置信息數(shù)據(jù)的采集是地理分析研究機(jī)構(gòu)的分析研究基礎(chǔ)，但是以往的數(shù)據(jù)只限于人工采集，采集記錄的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間存在較大的誤差，對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及地理環(huán)境的分析等都會(huì)造成了很大的影響。便攜式地理信息采集儀可以方便快捷地采集相應(yīng)位置的地理信息，并且可以全天候工作，真實(shí)可靠地記錄數(shù)據(jù)，從而可以避免人為誤差。
地理信息采集儀的功能
為了真實(shí)有效的采集記錄采樣點(diǎn)的地理位置的信息，以便地理信息研究機(jī)構(gòu)對(duì)采集數(shù)據(jù)的正確分析，便攜式地理信息采集儀的功能如下：
1）信息采集功能
對(duì)需要測(cè)控采集的采樣點(diǎn)的地理信息（如經(jīng)度、維度、海拔等）能進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤的采集。
2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能
每個(gè)地理位置采集點(diǎn)的地理信息一對(duì)一記錄保存，以便工作人員分析各采集點(diǎn)的地理位置信息。
3）數(shù)據(jù)傳輸功能
地理信息采集儀可以將各個(gè)位置采集點(diǎn)的采集到的數(shù)據(jù)通過RS232傳輸給上位機(jī)。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為核心控制器[1]，集成GPS模塊、LCD顯示模塊、串行存儲(chǔ)器模塊、RS232接口模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)框圖見圖1。
圖1 系統(tǒng)框圖
Fig.1 System diagram
2.1 單片機(jī)單元
系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為核心控制器[2]，此款單片機(jī)具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)最大化的代碼效率；集成JTAG，支持在線編程；兩個(gè)通用全雙工串行同步/異步通信接口；6個(gè)8位I/O口；外部中斷輸入接口。單片機(jī)串口0負(fù)責(zé)接收GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，分析并且提取接收到的有效地理信息數(shù)據(jù)，一方面送到LCD顯示模塊顯示，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且可以將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。
2.2 GPS模塊
2.2.1 GPS概述
GPS（Global Positioning System）是美國(guó)研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。它是目前世界上精度高的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，已被廣泛用于軍事、經(jīng)濟(jì)、地理信息測(cè)控及其他領(lǐng)域。GPS定位系統(tǒng)由以下三個(gè)部分組成：
（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）：24顆衛(wèi)星（其中三顆備用），分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面均勻布設(shè)4顆衛(wèi)星，從而保障了地球上任何地點(diǎn)和時(shí)刻都能觀察到4顆衛(wèi)星。它能發(fā)射L1和L2波段的信號(hào)。
（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）：中央控制系統(tǒng)，跟蹤衛(wèi)星定軌，用來(lái)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的狀態(tài)，對(duì)衛(wèi)星軌道信息進(jìn)行修正。
（3）GPS信號(hào)接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）：接收設(shè)備，主要由天線、電源、數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成。其基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元，天線單元主要作用是捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。接收單元主要作用是記錄GPS信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，以獲得有用的定位信息。
2.2.2 GPS模塊介紹
GPS采用GS-87模塊[3]，它是一個(gè)高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊或稱作衛(wèi)星接收引擎，它采用美國(guó)瑟孚SiRF star III公司所設(shè)計(jì)的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，GPS Antenna（GPS天線）接收衛(wèi)星信號(hào)，將微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電流。電流經(jīng)過LNA（低噪音放大器）被放大，在通過filter 濾波器將其變頻處理，送入SIRF StarIII(由GRF3W和GSP3組成)進(jìn)行處理，將處理后的信號(hào)通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接。用戶通過對(duì)單片機(jī)的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進(jìn)行處理，提取出對(duì)用戶有用的信息。
2.2.3 GPS模塊接口電路的設(shè)計(jì)
GS-87模塊共有6個(gè)引腳，它與單片機(jī)主要進(jìn)行串口通信，故它們之間連接時(shí)可通過GS-87的數(shù)據(jù)接收引腳RXA與數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXA分別與單片機(jī)的串口UART0（TXD0和RXD0）相連。GS-87的TXA引腳為串行數(shù)據(jù)輸出端口A，是主要的數(shù)據(jù)傳輸通道，用于輸出導(dǎo)航和測(cè)量的數(shù)據(jù)；RXA為串行數(shù)據(jù)接收端口A，是主要的接收通道，用于接收來(lái)自單片機(jī)的控制命令；VCC外接+3.3~5.5的電源輸入端口，為保證模塊工作時(shí)不受外界電磁噪聲的干擾，在電源端VCC與地端GND之間安裝旁路電容，旁路電容C19主要用來(lái)去除高頻電磁脈沖，電解電容C33主要用來(lái)去除低頻干擾以及儲(chǔ)存電荷功能；RXB為輔助串行數(shù)據(jù)接收端口B，用于差分定位；Time Mark默認(rèn)為從GS-87提供1脈沖每秒輸出信號(hào)，用于同步一微秒的時(shí)間。在車載終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只需用到VCC、RXA、TXA、GND即可滿足功能要求。GPS模塊電路連接圖如圖3所示：
圖3 GS-87電路連接原理圖
Fig. 3 GS-87 Connection diagram
2.3 LCD顯示模塊電路設(shè)計(jì)
車載終端設(shè)備采用的顯示器為HG12864液晶模塊，它有串行和并行兩種接法，本設(shè)計(jì)中采用并行接口與單片機(jī)的P6口相連。如圖4所示為它的并行連接時(shí)序圖
圖4 LCD時(shí)序圖
Fig.4 LCD sequence diagram
它與單片機(jī)的具體連線圖如圖5所示：
圖5 LCD與MSP430F149的連接原理圖
Fig. 5 Connection diagram between LCD and MSP430F149
單片機(jī)P6數(shù)據(jù)輸入輸出接口連接HG12864的數(shù)據(jù)端DB0～DB7，RS引腳為指令/數(shù)據(jù)選擇信號(hào)端口，RS為高電平時(shí)單片機(jī)向LCD寫入數(shù)據(jù)，RS為低電平時(shí)單片機(jī)向LCD寫入指令；R/W引腳為L(zhǎng)CD的讀寫選擇信號(hào)端口，R/W高電平時(shí)單片機(jī)讀出LCD端口數(shù)據(jù)，R/W低電平時(shí)單片機(jī)向LCD端口寫入數(shù)據(jù)；E引腳為L(zhǎng)CD模塊的使能信號(hào)，高電平有效。分別通過單片機(jī)的P5.5、P5.6、P5.7引腳進(jìn)行控制。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 主程序功能
主程序負(fù)責(zé)初始化、開中斷、分析解析GPS數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入各種相應(yīng)的工作狀態(tài)。主程序流程圖見圖6a。
圖6 程序流程圖
Fig.6 Program Flow Diagram
3.1 GPS數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)
車載終端的設(shè)計(jì)需要從GPS定位信息中提取出有用的信息并且顯示出來(lái)，所以也需要了解各種NMEA數(shù)據(jù)的含義。下面僅列出GPS固定數(shù)據(jù)輸出語(yǔ)句（GPGGA）輸出范例，各數(shù)據(jù)代表的意義如表1所示。輸出范例：
|
名 稱 |
實(shí) 例 |
單 位 |
敘 述 |
|
信息代號(hào) |
$GPGGA |
|
GGA數(shù)據(jù) |
|
格林尼治時(shí)間 |
025812.487 |
|
時(shí)時(shí)分分秒秒.秒秒秒 |
|
緯度 |
3752.5236 |
|
度度分分.分分 |
|
北半球或南半球指示器 |
N |
|
北半球（N）或南半球（S） |
|
經(jīng)度 |
11229.1768 |
|
度度度分分.分分 |
|
東半球或西半球指示器 |
E |
|
東（E）半球或西（W）半球 |
|
GPS狀態(tài) |
1 |
|
1=非差分定位 |
|
使用衛(wèi)星數(shù) |
07 |
|
|
|
水平精度因子 |
1.0 |
|
|
|
海拔高度 |
830.0 |
m |
（-9999.9~99999.9） |
While ((IFG1 & URXIFG0) == 1);
{ UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;
if (UART0_RX_BUF[0]!='$') num=0;
if(num==5)
{ if (UART0_RX_BUF[2]!='P') num=0;
if (UART0_RX_BUF[3]!='G') num=0;
if (UART0_RX_BUF[4]!='G') num=0;
}
if (num==90)
{ for (i=70;i<90;i++)
{ if (UART0_RX_BUF[i]!='*') num=0;
else k=i; }
}
}
}
3.3顯示程序設(shè)計(jì)
信息采集儀具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能，可以將采集到的地理信息顯示出來(lái)，工作人員可以更直觀的掌握地理信息數(shù)據(jù)。單片機(jī)接收到GPS數(shù)據(jù)并且解析完成后，將需要顯示的信息（經(jīng)緯度、海拔等）存儲(chǔ)到顯示緩沖器內(nèi)，以便顯示時(shí)調(diào)用。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)定時(shí)器溢出中斷時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示程序，顯示程序調(diào)用顯示緩沖器內(nèi)數(shù)據(jù)，通過P6端口送到LCD顯示模塊進(jìn)行顯示。顯示程序流程圖如圖6b：
結(jié)論
地理信息分析研究一門發(fā)展迅速的學(xué)科，是氣候變化，地理地貌的研究的基礎(chǔ)，其應(yīng)用涉及到民用、軍用各個(gè)行業(yè)，所以信息的采集精確程度一直備受各方面關(guān)注。便攜式地理信息采集儀硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，易于升級(jí)與維護(hù)。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為地理信息研究部門提供了第一手資料。避免了以往人工記錄存在較大誤差的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。
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