嵌入式GPS数据采集系统的设计与实现

　1　引　　言

　　嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。使用嵌入式系统不仅对稳定性有很大的改善，而且使应用模块化，极大提高程序的可读性、可扩展性和可移植性［1］。

　　全球定位系统（Global Position System，GPS）是可在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位的新一代卫星导航定位系统，具有全天候、高精度和高效益等特点，现GPS已在各领域得到广泛应用［2］。

　　本文采用嵌入式操作系统μC/OS-II，控制OEM板接收导航信息，并对GPS数据采集系统的硬件和软件提出了详细的设计方案，给出了提取GPS特征数据的算法，这些对研究嵌入式系统应用、GPS定位及其在组合导航中的应用以及对OEM板的二次开发等都是实用的。

　　2　系统总体设计

　　嵌入式GPS数据采集系统由接收部分（OEM板）、电平转换部分（MAX232）、控制部分、显示部分组成，硬件结构如图1所示。

　　OEM板通过天线接收来自GPS的导航数据并经过电平转换后发送给EP7312， EP7312接收OEM板发来

　　的数据并存储、显示。EP7312与OEM板之间采用异步串行方式通信，帧格式1位起始位，8位数据位，1位停止位，无校验位，波特率为9600 bit.s-1。通过软件控制EP7312对GPS信号进行实时处理，以获得当前的经度、纬度坐标等所需信息，并通过液晶显示。

　　3　系统硬件配置

　　3.1　接收模块

　　GPS-OEM板主要是由变频器、标频器、信号通道、微处理器和存储单元等构成。在上电完成初始自检后，它将自动地接收来自天线的GPS射频信号，经过变频、放大、相关、混频等一系列处理后，完成并行通道对其视界内几何位置最佳的数颗卫星的连续跟踪，并且测出信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，最后经由I/0口输出串行数据，这些数据主要是向用户提供定位信息，包括纬度、经度、速度、时间等。

　　系统接收部分选用的Jupi ter TU30-D410 -031，是美国Rockwell公司生产的并行12通道OEM板。该OEM板具有体积小、定时时间短、无静态漂移等特点，能够提供位置、速度、时间、定位与导航信息，以载波相位输出、1PPS时标和10kHz方波输出，适合各种导航定位的应用。

　　3.2　控制模块

　　系统采用Cirrus Logic公司的32位嵌入式处理器EP7312。该ARM处理器内带8K缓存，支持Thumb指令。EP7312资源丰富，功能强大，有27个通用I/O，2个UART，2个定时器，并内带LCD控制器，可直接连接单色、彩色LCD。EP7312功耗很低，最大不超过90mW。

　　采用EP7312构成的GPS应用系统，具有功耗低、体积小、使用灵活的特点，系统的结构和功能可以根据需求的不同进行个性化配置，而且可以很方便地进行系统外设的扩展。

　　3.3　显示模块

　　本系统采用液晶显示器是SHARP公司的彩色LCD，有效显示点阵为320×240，其功耗较低，抗干扰能力强，体积小。由于EP7312内部带有LCD控制器，当系统接收OEM板输出的导航数据信息时，只要设置其内部控制器的寄存器就可以对LCD实现控制，然后再通过向Frame Buffer输出接收到的并经过处理的导航信息，这时显示屏上就可以显示定位点精确的经度、纬度及本地时间了。

　　4　系统软件设计及实现

　　4.1　μC/OS-II简介

　　μC/OS-II是开源实时嵌入式操作系统，绝大部分代码是用C编写的，其可移植性较强，可广泛地应用于各种不同的硬件平台上［3］。μC/OS-II是一个占先式实时系统，当有优先级高的任务就绪时，原任务将被打断而转为优先级较高的任务，这也是实时性的重要保证。μC/OS-II具体移植可参照其它资料。

　　4.2　应用程序设计

　　根据设计要求，系统将应用程序划分为采集存储和显示两个任务，其优先级分别为10和11。采集存储任务的主要功能是对导航数据采集，并且每30秒作为历史记录存储一次，以便与当前的导航信息比较。首先必须掌握系统的通信协议。GPS-OEM板采用NMEA-0183通信标准格式，可以输出多种句型，均以“$”开头。输出的语句按串口通信协议，波特率9600bit.s-1，1位开始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。输出数据采用的是ASCⅡ码字符，内容包含了纬度、经度、速度、日期、航向及卫星状况等信息。语句达十余种，本系统所使用的语句仅限于$GPRMC定位数据语句。其结构为：

　　$GPRMC，《1》，《2》，《3》，《4》，《5》，

　　《6》，《7》，《8》，《9》，《10》，《11》*hh

　　其中“GP”为交谈识别符;“RMC”为语句识别符;“*”为校验和识别符;“hh”为校验和，其代表了“$”与“*”之间所有字符的按位异或值（不包括这两个字符）。

　　$GPRMC语句数据区的内容为：

　　《1》定位点的协调世界时间（UTC），hhmmss（时分秒）格式;

　　《2》定位状态，A=有效定位，V=无效定位;

　　《3》定位点纬度，ddmm.mmmm（度分）格式;

　　《4》纬度半球，N（北半球）或S（南半球）;

　　《5》定位点经度，dddmm.mmmmm（度分）格式;

　　《6》经度半球，E（东经）或W（西经）;

　　《7》地面速率，000.0节~999.9节;

　　《8》地面航向，000.0度~359.9度;

　　《9》UTC日期，ddmmyy（日月年）格式;

　　《

　　10》磁偏角，000.0度~180度;

　　《11》磁偏角方向，E（东）或W（西）。

　　由于TU30-D410-031的波特率设置为9600bit.s-1，因此任务运行时，首先应将串行口的波特率设为此值，EP7312就会接收到OEM板的定位数据。在串口收到信息后，先判别是否为语句引导头“$GPRMC”，否，则放弃此次接收;是，则接收数据内容。由于接收到$GPRMC帧头后，再接收11个数据包即完成整帧数据的接收，存储后系统将调用等待延时函数。

　　显示任务的功能是负责所采集的数据在LCD上显示出来，每隔一秒刷新一次。$GPRMC语句输出了基本的定位信息，可以满足一般用户的使用要求。接收来的数据存放在内存中，提取时先从数据中读取定位状态判断是否有效，若有效再提取相应的时间及经纬度等信息。应注意的是在处理北京时间时应在UTC时间上加上8h才是准确的北京时，在超出24h时应作减24h处理。系统运行时GPS定位信息在LCD上显示界面如图2。