便攜式地理信息采集儀的設計

　　摘 要：本文根據地理信息數據采集的需求，以單片機MSP430F149為核心，集成GPS模塊、LCD模塊，詳細論述了便攜式地理信息采集儀的設計，包括硬件方案和軟件方案的設計。該系統可以分別記錄并且存儲各個需要采集點的地理位置信息，并且可以將采集到的信息傳送到上位機，以便研究人員對采集到的數據信息進行分析研究。

　　關鍵詞：單片機;GPS模塊;LCD模塊

　　0.引言

　　隨著數字化社會的快速發展，地理位置信息的采集分析越來越重要，如何使數據的采集分析更加簡便易行，是每個地理信息研究機構最關心的問題。地理位置信息數據的采集是地理分析研究機構的分析研究基礎，但是以往的數據只限于人工采集，采集記錄的數據與實際數據之間存在較大的誤差，對數據的應用以及地理環境的分析等都會造成了很大的影響。便攜式地理信息采集儀可以方便快捷地采集相應位置的地理信息，并且可以全天候工作，真實可靠地記錄數據，從而可以避免人為誤差。

　　1.地理信息采集儀的功能

　　為了真實有效的采集記錄采樣點的地理位置的信息，以便地理信息研究機構對采集數據的正確分析，便攜式地理信息采集儀的功能如下：

　　1)信息采集功能

　　對需要測控采集的采樣點的地理信息(如經度、維度、海拔等)能進行準確無誤的采集。

　　2)數據存儲功能

　　每個地理位置采集點的地理信息一對一記錄保存，以便工作人員分析各采集點的地理位置信息。

　　3)數據傳輸功能

　　地理信息采集儀可以將各個位置采集點的采集到的數據通過RS232傳輸給上位機。

　　2.系統硬件設計

　　系統以單片機MSP430F149為核心控制器[1]，集成GPS模塊、LCD顯示模塊、串行存儲器模塊、RS232接口模塊和電源管理模塊。系統框圖見圖1。

　　圖1系統框圖

　　Fig.1Systemdiagram

　　2.1單片機單元

　　系統采用TI公司的MSP430F149單片機作為核心控制器[2]，此款單片機具有16位的CPU集成寄存器和常數發生器，可使單片機實現最大化的代碼效率;集成JTAG，支持在線編程;兩個通用全雙工串行同步/異步通信接口;6個8位I/O口;外部中斷輸入接口。單片機串口0負責接收GPS模塊輸出的數據信息，分析并且提取接收到的有效地理信息數據，一方面送到LCD顯示模塊顯示，同時進行數據存儲，并且可以將存儲的數據傳輸給計算機。

　　2.2GPS模塊

　　2.2.1GPS概述

　　GPS(GlobalPositioningSystem)是美國研制的新一代衛星導航定位系統，可向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。它是目前世界上精度高的一種導航系統，已被廣泛用于軍事、經濟、地理信息測控及其他領域。GPS定位系統由以下三個部分組成：

　　(1)GPS衛星星座(空間部分)：24顆衛星(其中三顆備用)，分布在6個軌道平面上，每個軌道面均勻布設4顆衛星，從而保障了地球上任何地點和時刻都能觀察到4顆衛星。它能發射L1和L2波段的信號。

　　(2)地面監控系統(地面控制部分)：中央控制系統，跟蹤衛星定軌，用來監測衛星的狀態，對衛星軌道信息進行修正。

　　(3)GPS信號接收機(用戶設備部分)：接收設備，主要由天線、電源、數據處理軟件以及微處理機及其終端設備組成。其基本結構是天線單元和接收單元，天線單元主要作用是捕獲、跟蹤衛星，接收GPS衛星發射的信號。接收單元主要作用是記錄GPS信號，對信號進行濾波處理，還原出GPS衛星發送的導航電文，以獲得有用的定位信息。

　　2.2.2GPS模塊介紹

　　圖2系統結構圖

　　Fig.2Systemdiagram

　　GPS采用GS-87模塊[3]，它是一個高效能、低功耗的智能型衛星接收模塊或稱作衛星接收引擎，它采用美國瑟孚SiRFstarIII公司所設計的第三代衛星定位接收芯片，是一個完整的衛星定位接收器具備全方位功能。其系統結構如圖2，GPSAntenna(GPS天線)接收衛星信號，將微弱的電磁波能轉化為相應電流。電流經過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SIRFStarIII(由GRF3W和GSP3組成)進行處理，將處理后的信號通過串口與單片機進行連接。用戶通過對單片機的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進行處理，提取出對用戶有用的信息。

　　2.2.3GPS模塊接口電路的設計

　　GS-87模塊共有6個引腳，它與單片機主要進行串口通信，故它們之間連接時可通過GS-87的數據接收引腳RXA與數據發送引腳TXA分別與單片機的串口UART0(TXD0和RXD0)相連。GS-87的TXA引腳為串行數據輸出端口A，是主要的數據傳輸通道，用于輸出導航和測量的數據;RXA為串行數據接收端口A，是主要的接收通道，用于接收來自單片機的控制命令;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主要用來去除高頻電磁脈沖，電解電容C33主要用來去除低頻干擾以及儲存電荷功能;RXB為輔助串行數據接收端口B，用于差分定位;TimeMark默認為從GS-87提供1脈沖每秒輸出信號，用于同步一微秒的時間。在車載終端系統設計中只需用到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.3GS-87Connectiondiagram

　　2.3LCD顯示模塊電路設計

　　車載終端設備采用的顯示器為HG12864液晶模塊，它有串行和并行兩種接法，本設計中采用并行接口與單片機的P6口相連。如圖4所示為它的并行連接時序圖

　　圖4LCD時序圖

　　Fig.4LCDsequencediagram

　　它與單片機的具體連線圖如圖5所示：

　　圖5LCD與MSP430F149的連接原理圖

　　Fig.5ConnectiondiagrambetweenLCDandMSP430F149

　　單片機P6數據輸入輸出接口連接HG12864的數據端DB0～DB7，RS引腳為指令/數據選擇信號端口，RS為高電平時單片機向LCD寫入數據，RS為低電平時單片機向LCD寫入指令;R/W引腳為LCD的讀寫選擇信號端口，R/W高電平時單片機讀出LCD端口數據，R/W低電平時單片機向LCD端口寫入數據;E引腳為LCD模塊的使能信號，高電平有效。分別通過單片機的P5.5、P5.6、P5.7引腳進行控制。

　　3.系統軟件設計

　　3.1主程序功能

　　主程序負責初始化、開中斷、分析解析GPS數據、數據顯示指導系統進入各種相應的工作狀態。主程序流程圖見圖6a。

　　圖6程序流程圖

　　Fig.6ProgramFlowDiagram

　　3.1GPS數據接收程序設計

　　車載終端的設計需要從GPS定位信息中提取出有用的信息并且顯示出來，所以也需要了解各種NMEA數據的含義。下面僅列出GPS固定數據輸出語句(GPGGA)輸出范例，各數據代表的意義如表1所示。輸出范例：

　　$GPGGA,025812.487,3752.5236,N,11229.1768,E,1,07,1.0,9.0,M,,,,0000*18

　　表1GPGGA數據含義

　　Tab.1GPGGAdatameaning

　　當GPS模塊有數據輸出時，單片機進入串口中斷程序。程序首先判斷是否為數據頭標志即“$GPGGA”，若判斷到數據正確則程序進入數據接收模式，直到接收到“*”表示數據接收成功，否則退出中斷程序等待下次數據的到來。以下為部分中斷程序代碼。

　　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;

　　elsek=i;}

　　}

　　}

　　}

　　3.3顯示程序設計

　　信息采集儀具有實時數據顯示功能，可以將采集到的地理信息顯示出來，工作人員可以更直觀的掌握地理信息數據。單片機接收到GPS數據并且解析完成后，將需要顯示的信息(經緯度、海拔等)存儲到顯示緩沖器內，以便顯示時調用。本設計采用定時器中斷方式進行數據顯示，當定時器溢出中斷時，進入數據顯示程序，顯示程序調用顯示緩沖器內數據，通過P6端口送到LCD顯示模塊進行顯示。顯示程序流程圖如圖6b：

　　4.結論

　　地理信息分析研究一門發展迅速的學科，是氣候變化，地理地貌的研究的基礎，其應用涉及到民用、軍用各個行業，所以信息的采集精確程度一直備受各方面關注。便攜式地理信息采集儀硬件以及軟件均采用模塊化設計，易于升級與維護。經過實際運行，采集數據準確可靠，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，該系統具有良好的推廣價值和應用前景。

　　參考文獻：

　　[1]薛小鈴,劉志群,賈俊榮.單片機接口模塊應用與開發實例詳解[M].1版.北京:北京航空航天出版社,2010.

　　[2]TexasInstrumentsIncorporated.Msp430x1xxFamilyUser’sGuide[M].2006.

　　[3]廣州鑫圖科技發展有限公司.GS-87數據手冊