GPS數(shù)據(jù)采集分析要點(diǎn)

1、基于GPS數(shù)據(jù)米集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間：2012-08-02 09:58:50 來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù) 作者：史曉影關(guān)鍵字：GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)摘要：為了設(shè)計(jì)高精度、全天候、全天時(shí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信，信息采用NMEA-0183格式，單片機(jī)接收GPS輸出 的時(shí)間和定位信息后，將信息調(diào)整為我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，并將調(diào)整后的經(jīng)度、 緯度、海拔高度和時(shí)間等信息通過液晶終端顯示。最終實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換等工作，為事故定位、搜查救援等工作提供了技術(shù)依據(jù)。關(guān)鍵詞：GPS數(shù)據(jù)采集；定位；數(shù)據(jù)處理；單片機(jī)隨著科技的發(fā)展，移動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，定位導(dǎo)航開辟了一個(gè)重要的 新興市場(chǎng)。GPS(Global Posi

2、tioning System)以其高精度、全天候、全天時(shí) 的特點(diǎn)，在定位、導(dǎo)航、測(cè)距等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有測(cè)量精度高、速 度快、用戶數(shù)量不限、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。不僅用于軍事領(lǐng)域，還廣 泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、野外探險(xiǎn)等領(lǐng)域。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采 集精確度較高；采集到的位置可以控制在2 m范圍之內(nèi)，接收數(shù)據(jù)并處 理的時(shí)間小于2 s,存精確度和實(shí)時(shí)性上要優(yōu)于其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)中主要由主控制器、液晶顯示模塊和CPS射頻前端，數(shù)據(jù)傳輸單元組成，如圖1所示。GP5廉塊.5 iEtiS7療駅示 1 1 v 1 F_1GPS信號(hào)通過天線接收值射頻前端模塊，在射頻芯片中

3、實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)通過串口傳入單片機(jī)，單片機(jī)接收的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過時(shí)差，坐標(biāo)處理等操作，在通過 LCD顯示出來(lái)。2 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)2. 1 GPS語(yǔ)句的輸出格式GPS-OEM板采用NMEA-0183通信格式，可以輸出多種句型，均以“$” 開頭。其語(yǔ)句格式如表1所示。«l NMEA-01S3iS 旬格式Tub. 1NMEA-0183format衍號(hào)asc n爼文HEX說(shuō)明$Aacec地址域24H髓兩位卉侃別苻.石 才# 為分魁符HI12CHIktd>cltM敵據(jù)塊笈這數(shù)據(jù)內(nèi)無(wú)M *h:cr riy ODH.OAH輸出的語(yǔ)句按串口通信協(xié)議：

4、1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位， 無(wú)奇偶校驗(yàn)。輸出數(shù)據(jù)采用的是ASC U碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、 速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息。語(yǔ)句達(dá)十余種，其中定位語(yǔ)句 $GPRMC其結(jié)構(gòu)為：$GPRMC, <1> . <2>, <3> . <4>, <5>. <6>, <7>, <8>, <9>, <10>,<11>*hh<CR>vLF>其中：“ GF”交談識(shí)別符；“ RMC-語(yǔ)句識(shí)別符；“ *-校驗(yàn)和識(shí)別符；“ hh為校驗(yàn)和，其代表了 “$和

5、“*之間所有字符的按位異或值（不包 括這兩個(gè)字符）。$GPRMC語(yǔ)句數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容為：1）定位點(diǎn)的協(xié)調(diào)世界時(shí)間（UTC）， hhmmss時(shí)分秒）格式；2）定位狀態(tài)，A=有效定位，V 無(wú)效定位；3）定位點(diǎn)緯度，ddmm. mmmmm（度分）格式；4）緯度半球，N（北半球）或S（南半球）；5）定位點(diǎn)經(jīng)度，dddmm. mmmmm（度分）格式；6）經(jīng)度半球，E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）；7）地面速度，000. 0節(jié)999. 9節(jié)；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（東）或W（西）。2. 2 GPS

6、數(shù)據(jù)接收利用單片機(jī)的串行接口接收 GPS傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)，其硬件原理如圖2 所示，GPS的接口及單片機(jī)串口均采用 TTL電平傳輸數(shù)據(jù)，所以GPS 接口引腳4和3可直接與單片機(jī)的TXD和RXD引腳相連，無(wú)需電平轉(zhuǎn) 換，硬件電路圖如圖2所示。GPS模塊輸出的是數(shù)據(jù)流，每秒鐘更新一次數(shù)據(jù)。必須要用單片機(jī) 對(duì)其輸出的數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，以方便用戶直接讀取。首先打開串口中斷服務(wù)子程序，開始接收數(shù)據(jù)，判斷其是否有“ $符號(hào)，然后根據(jù)逗號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行判斷數(shù)據(jù)的類型，然后分別存儲(chǔ)時(shí)間、經(jīng)度、緯度、 日期等信號(hào)，若接收到 n”則接收結(jié)束。用C語(yǔ)言編程，其程序如下：void chkzhd( )interrupt

7、4#串 口根收中斷char eh * num ；p37=! p37；if(TI=l )T=0；ir(fui >chSBVF；if(ch="S3(gps_flag=；l ；num=O；)if(gp»jlilg= I >gpA_revfnurn+=ch；njll(num>79)(gps_revnum|=V),i即當(dāng)_<1加()I " C<TWt在PC機(jī)上接收的GPRMC語(yǔ)句信息如下：$GPRMC, 103320, A, 4350. 95221, N , 12524. 06042, E, 000. 0, 000. 0, 130507, 00

8、9. 1, W*50這是一條GPS定位數(shù)據(jù)信息語(yǔ)句，涵義是 UTC時(shí)間為10時(shí)33分20秒，位置在北緯 43度50. 9522分，東經(jīng)125度24. 0604分，移動(dòng) 速度為0，移動(dòng)范圍為0,日期為2007年5月13日，地磁變化為9. 10, 地磁變化方向?yàn)槲?，校?yàn)和為 50H。根據(jù)接收的信息用單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng) 的處理，就可以得到所需的信息了，信息處理過程見3節(jié)。3對(duì)接收信息的處理數(shù)據(jù)的處理主要包括兩個(gè)方面：1) 時(shí)間的處理直接從衛(wèi)星接收到的時(shí)間信息是UTC時(shí)間(格林尼治時(shí)間)，需要處理成北京時(shí)間。要變成北京時(shí)間需要加上 8個(gè)小時(shí)，如果超過24小時(shí)，則減去24 小時(shí)后，才是北京時(shí)間。時(shí)間轉(zhuǎn)換處理

9、程序如下：if(gps_rec(?ive|4jfM )ffor(i=On<6；i+)Inmefi =gps_re veiveg>s_shijiiin ( 1 ) + i；Ielse timc( 1 +=8:) 皿他2) 定位的處理GPS接受的經(jīng)度、緯度等信息采用的是美國(guó)的84坐標(biāo)系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)換成我國(guó)的54坐標(biāo)系統(tǒng)。為便于描述設(shè)如下幾個(gè)參量:大地坐標(biāo)-（B，L，H）平面坐標(biāo)-（x，y，z）橢球偏心率-C橢球參數(shù)m, n-大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到指教坐標(biāo)需要使用的參數(shù)，則有:tnfl;x= (/?+/).cosCOS(L ): y=(p+Aj ；4結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)討論了用單片機(jī)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的讀取及處

10、理的方法，分析了 GPS 模塊的信息格式并編制了通信軟件，不僅成功地實(shí)現(xiàn)了GPS定位信息的接收與提取，而且具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程方便、性能穩(wěn) 定的特點(diǎn)，具有一定的使用價(jià)值。GPS模塊的數(shù)據(jù)格式對(duì)GPS模塊的數(shù)據(jù)處理本質(zhì)上還是串口通信程序設(shè)計(jì)，只是GPS模塊的輸出遵循固定的格式，通過字符串檢索查找即可從模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)中找出需要的數(shù)據(jù)，常用的GPS模塊大多采用 NMEA-0183協(xié)議。NMEA-0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association)所指定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，這一標(biāo)準(zhǔn)制訂所有航海電子 儀器間的通訊標(biāo)準(zhǔn)，其中包含傳輸資料的格式

11、以及傳輸資料的通訊協(xié)議。以下是一組正常的GPS數(shù)據(jù)$GPGGA, 082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,206M,0000*35$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,*38$GPVTG,0.0,T,M,0.00,N,0.0,K*50下面分別對(duì)每組數(shù)據(jù)的含義進(jìn)行分析。GPS固定數(shù)據(jù)輸出語(yǔ)句($GPGGA)這是一幀GPS定位的主要數(shù)據(jù)，也是使用最廣的 數(shù)據(jù)。為了便于理解，下面舉例說(shuō)明$GPGG語(yǔ)句各部分的含義。例：$GPGGA,082006.000,3852.92

12、76,N,11527.4283,E,1,08,1.0,206M,0000*35其標(biāo)準(zhǔn)格式為：$GPGGA(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M (10)，M )，(12) 衣 hh(CR)(LF)各部分所對(duì)應(yīng)的含義為：(1) 定位UTC時(shí)間：08時(shí)20分06秒(2) 緯度(格式 ddmm.mmm即:dd 度, mm.mmm分);(3) N/S(北緯或南緯):北緯38度52.9276分；(4) 經(jīng)度(格式 dddmm.mmmm卩 ddd 度, mm.mmm分);(5) E/W(東經(jīng)或西經(jīng))：東經(jīng)115度27.4283分；(6) 質(zhì)量因子(0=沒有定位，1二實(shí)時(shí)

13、GPS 2二差分GPS):仁實(shí)時(shí)GPS(7) 可使用的衛(wèi)星數(shù)(08):可使用的衛(wèi)星數(shù)=08;(8) 水平精度因子(1.099.9);水平精度因子=1.0 ;(9) 天線高程(海平面，9999.999999.9，單位：m);天線高程=20.6m);(10) 大地橢球面相對(duì)海平面的高度 (999.99999.9，單位：m):無(wú)；(11) 差分GPS數(shù)據(jù)年齡，實(shí)時(shí)GPS時(shí)無(wú):無(wú)；(12) 差分基準(zhǔn)站號(hào)(00001023)，實(shí)時(shí)GPS時(shí)無(wú):無(wú);*總和校驗(yàn)域；hh總和校驗(yàn)數(shù)：35(CR)(LF)回車，換行。GPRMC建議使用最小 GPS數(shù)據(jù)格式)$GPRMC,082006.000,A,3852.9276

14、,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,*38$GPRMC,v1>,v2>,v3>,v4>,v5>,v6>,v7>,v8>,v9>,v10>,v11><CRxLF>(1) 標(biāo)準(zhǔn)定位時(shí)間(UTC time)格式：時(shí)時(shí)分分秒秒.秒秒秒(hhmmss.sss)。(2) 定位狀態(tài)，A =數(shù)據(jù)可用，V二數(shù)據(jù)不可用。(3) 緯度，格式：度度分分.分分分分(ddmm.mmrhm(4) 緯度區(qū)分，北半球(N)或南半球(S)。(5) 經(jīng)度，格式：度度分分分分分分。(6) 經(jīng)度區(qū)分，東(E)半球或西(W半球。(7

15、) 相對(duì)位移速度，0.0 至1851.8 knots(8) 相對(duì)位移方向，000.0至359.9度。實(shí)際值。(9) 日期，格式：日日月月年年(ddmmyy。(10) 磁極變量，000.0 至 180.0。(11) 度數(shù)。(12) Checksum.(檢查位)$GPVTG地面速度信息例: $GPVTG,0.0,T,M,0.00,N,0.0,K*50字段 0: $GPVTG 語(yǔ)句 ID，表明該語(yǔ)句為 Track MadeGoodand Ground Speed (VTG地面速度信息字段1:運(yùn)動(dòng)角度，000 - 359 ,(前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0)字段2: T二真北參照系字段3 :運(yùn)動(dòng)角度，000 -

16、359 ,(前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0)字段4: M=磁北參照系字段5 :水平運(yùn)動(dòng)速度（0.00 ）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段 6: N=節(jié)，Knots字段7 :水平運(yùn)動(dòng)速度（0.00 ）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段8: K=公里/時(shí)，km/h字段9:校驗(yàn)值表1 GPS模塊主要參數(shù)GPS模塊主要參數(shù)GPS芯片組SiRF Star III工作頻率L1, 1575.42 MHz粗捕獲碼（C/A）率1.023 MHz chiprate同時(shí)跟 蹤通道 數(shù)20靈敏度-159 dBm定位精度5m （2維均方根， 允許廣域差分系 統(tǒng)）最小速度0.1 m/s時(shí)間精度m S （與GPS時(shí)間 同步）默認(rèn)坐標(biāo)系1984年世界

17、大地坐標(biāo)系（WGS-84重獲時(shí)間0.1S （平均值）熱啟動(dòng)1S （平均值）溫啟動(dòng)38S （平均值）冷啟動(dòng)42S （平均值）最咼工作海拔18km (60000feet )最大515m/S最大加4g移動(dòng)速率(1000knots )速度最大急沖度20m/S"電源電壓5V± 0.5V整機(jī)電流約60mA不超過100mA整板外 形61mmc 49mm<17mmGPS芯片外形27.9mmx 20mnX2.9mm波特率9600bps數(shù)據(jù)輸出格式SiRF二進(jìn)制格式或NMEA 0183 GGA, GSA, GSV, RMC,VTG,GLL數(shù)據(jù)輸 出電平同時(shí)具備TTL電平和RS232電平數(shù)

18、據(jù)輸出接口20pin插針（TTL電平）和DB9母座（RS232 電平）天線類型外置有源GPS天線（3.3V/5V電壓可 選，默認(rèn)為3.3V）后備電池CR1220鋰電池，3V, 不可充電工作溫度-40oC 至+85oCGPS模塊的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)GPS模塊的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要分為兩部分，第一部分為串口的設(shè)置于數(shù)據(jù)讀取，第 二部分為數(shù)據(jù)的分析和需要數(shù)據(jù)的提取。與其他的關(guān)于設(shè)備編程的方法一樣，在Linux下，操作、控制串口也是通過操作起設(shè)備文件進(jìn)行的。在Linux下，串口的設(shè)備文件是/dev/ttySO 或/dev/ttyS1等。因此要讀寫串口，我們首先要打開串口，然后根據(jù)GPS模塊的配置參數(shù)對(duì)串口的波特

19、率、校驗(yàn)、流控制等進(jìn)行設(shè)置，這些參數(shù)設(shè)置均通過對(duì)termios結(jié)構(gòu)中c_cflag的配置實(shí)現(xiàn)，串口配置部分函數(shù)如下：int gps:set_opt（ int fd, int n Speed, int n Bits, char n Eve nt, int n Stop） _struct termios n ewtio,oldtio;if ( tcgetattr( fd,&oldtio) !=0)perror( "SetupSerial 1");return - 1;bzero( &newtio,sizeof ( newtio );newtio.c_cflag

20、|= CLOCAL | CREAD; newtio.c_cflag &= CSIZE;switch ( nBits )case 7:n ewtio.c_cflag |= CS7;break;case 8:newtio.c_cflag |= CS8;break;switch ( n Eve nt )case 'O' :/ 奇校驗(yàn)newtio.c_cflag |= PARENB;newtio.c_cflag |= PARODD;n ewtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP); break;case 'E' :/ 偶校驗(yàn)n ewtio.

21、c_iflag |= (INPCK | ISTRIP); newtio.c_cflag |= PARENB;newtio.c_cflag &= PARODD;break;case 'N' :/ 無(wú)校驗(yàn)newtio.c_cflag &= PARENB;break;switch ( nSpeed )case 2400:cfsetispeed(&n ewtio, B2400); cfsetospeed(&n ewtio, B2400);break;case 4800:cfsetispeed(&n ewtio, B4800);cfsetospee

22、d(&n ewtio, B4800);break;case 9600:cfsetispeed(&n ewtio, B9600);cfsetospeed(&n ewtio, B9600);break;case 115200:cfsetispeed(&n ewtio, B115200);cfsetospeed(&n ewtio, B115200);break;default :cfsetispeed(&n ewtio, B9600);cfsetospeed(&n ewtio, B9600);break;if ( nStop =1 )n ewt

23、io.c_cflag &= CSTOPB; _else if ( nStop =2 )n ewtio.c_cflag |= CSTOPB; _newtio.c_ccVTIME =0;newtio.c_ccVMIN =0;tcflush(fd,TCIFLUSH);if (tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio)!=0)qDebug()<< "com set error" <<e ndl;return - 1;qDebug()<< "set don e!" <<e ndl;re

24、turn 0;ih在GPS數(shù)據(jù)的處理上首先將窗口數(shù)據(jù)存入一個(gè)字符串，接著通過對(duì)字符串?dāng)?shù)據(jù)的判 斷來(lái)提取數(shù)據(jù)內(nèi)容，判斷分為兩步，首先判斷是什么類型的數(shù)據(jù)，在本程序的設(shè)計(jì) 中需要讀取$GPRM；©$GPGG兩組數(shù)據(jù)，因此首先判斷字符串 GPS_BUF5是C還是A， 由于數(shù)據(jù)是通過符號(hào)“，”進(jìn)行隔開，因此通過查找“，”來(lái)確定數(shù)據(jù)位置。在實(shí) 現(xiàn)上將得到逗號(hào)位置函數(shù)單獨(dú)封裝調(diào)用，程序如下：/得到指定序號(hào)的逗號(hào)位置int gps:GetComma(int num,char *str)int i,j= 0;int len=strlen(str);for (i= 0;i<len;i+)if (

25、stri=',')j+；if (j=num) return i+ 1;return 0; 接下來(lái)根據(jù)數(shù)據(jù)格式，通過逗號(hào)位置，提取數(shù)據(jù)信息，程序如下:void gps:gps_parse()int tmp;char c;c = GPS_BUF 5; if (c=C )/"GPRMC"GPS->D.hour =(GPS_BUF GPS->D. minute =(GPS_BUF GPS->D.sec ond =(GPS_BUF tmp = GetComma( 9,GPS_BUF); GPS->D.day =(GPS_BUFtmp+ GPS->D.m onth =(GPS_BUFtmp+ GPS->D.year7911-'0' )* 10+(GPS_BUF8- '0');'0' )* 10+(GPS_BUF10- '0');'0' )* 10+(GPS_BUF12- '0');0- '0' )* 10+(GPS_BUFtmp+- '0'