車載GPS組合導(dǎo)航儀多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

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2、仿真環(huán)境下調(diào)試通過，已在硬件環(huán)境下試運行。整個系統(tǒng)運行正常，達(dá)到設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：GPS, DR, GIS, 數(shù)據(jù)采集, 導(dǎo)航, 定位Design on Block of Gathering SensorsData for VehicleGPS Integrated Navigation InstrumentWang Yu, Wang Zhong(School of Electrical Info., Sichuan Univ., Chengdu 610065,China)Abstract: The combination of Dead Reckoning (DR) and GPS will

3、 make the localization of mobile vehicles exactly , even when the Satellite signal is lost. The module of digital gather is designed which used 51 MCU as the key part of module in this text. After introducing the form of GPS data the signal form gyroscope and signal of tempo, the block diagram and p

4、rinciple picture are designed. It is very important to improve the method of communication to make the transmission more effective and simpler. The procedures of software is written by assembler language, and it has been debugged and passed under the development tool of KEILC51.The whole system runs

5、 normally, and it has reached the designing requirement.Keywords: GPS, DR, GIS, Data Acquisition, Navigation, Location全球定位系統(tǒng)（GPS）能迅速、準(zhǔn)確、全天候地提供定位、導(dǎo)航和授時信息，但在城市高樓區(qū)、林蔭道、涵洞及深山峽谷內(nèi)，GPS的上述功能常常失效。為了能夠在上述情況下，實現(xiàn)對車輛的定位與導(dǎo)航就有必須采用某種特殊的方法來彌補單純的GPS定位的缺點。將航位推算（DRDead-Reckoning）與GPS定位相結(jié)合的組合式車輛導(dǎo)航定位是一種常用而有效的車輛定位技術(shù)。為了實現(xiàn)航

6、位推算我們就有必要去采集車子的速度、方向等參量?；谶@種想法設(shè)計了這個車載GPS采集器。1 設(shè)計思想1.1 采集器設(shè)計分析1) 車載采集器工作的環(huán)境非常惡劣，而電磁脈沖對采集器系統(tǒng)的影響比較嚴(yán)重，必須考慮系統(tǒng)的抗干擾能力。同時由于系統(tǒng)需要長期不間斷工作的可能非常大，所以必須要考慮系統(tǒng)的可靠性。2) 采集器采集的GPS信號、陀螺儀信號以及車速值在時間上有較強的相關(guān)性，采集到的陀螺儀信號和車速值必須對應(yīng)于相應(yīng)的GPS信號。如果在時間上產(chǎn)生的偏差太大或者根本就失去了應(yīng)有的相關(guān)性，上層的定位系統(tǒng)就無法正常的工作。3) 采集器如何將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到它的上層處理器，是一個極其重要的問題，這是一個通信問題

7、。顯然有必要建立一套簡單有效的通信方式解決不同數(shù)據(jù)的傳送問題。1.2 采集器特點分析1) 采集器必須能夠采集多種不同的信號，并對不同的信號進(jìn)行相應(yīng)的初級處理以便于信號的傳輸和識別。2) 采集器是一種安裝在車體內(nèi)的數(shù)字化設(shè)備。在它穩(wěn)定、可靠的實現(xiàn)功能的條件下，應(yīng)該盡可能的降低制作成本。2 系統(tǒng)2.1 設(shè)計方案簡述基于上述設(shè)計思想, 以單片機為整個系統(tǒng)的核心，由它控制著整個系統(tǒng)的工作，即接收并提取有用的GPS信號$GPGGA幀、采集陀螺儀及提取車速值，并傳送到中心處理器.2.2 硬件的框圖化設(shè)計陀螺儀轉(zhuǎn)速儀GPS信號倒車信號信號變換RS-232LPA/D單片機系統(tǒng)圖1 硬件框圖數(shù)據(jù)采集模塊的具體實

8、現(xiàn)圖1所示，由圖可見數(shù)據(jù)采集模塊是一個典型的以單片機為中心的通訊電路組合。其中，單片機采用ATMEL公司的AT89系列單片機AT89c51。它是一種低功耗，高性能的位CMOS微控制器芯片，它體積小、價格低廉、集成度高且易于擴(kuò)展,這些特點非常適合移動車輛定位系統(tǒng)的需要。因此由它來構(gòu)成整個系統(tǒng)的“心臟”,協(xié)調(diào)個模塊之間的工作。 由于89C51沒有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器,故陀螺儀輸出的直流電壓信號經(jīng)低通濾波后由ADC0804轉(zhuǎn)換為可供單片機讀取的8位數(shù)字信號.ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，轉(zhuǎn)換時間為100微秒，輸入電壓范圍為05V，在本設(shè)計中通過增加某些外部電

9、路，輸入模擬電壓擴(kuò)展為-5V-+5V,這完全是為了適應(yīng)陀螺儀的需要.轉(zhuǎn)速儀發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過脈沖整形后,可直接接到51單片機的定時/計數(shù)器上,通過統(tǒng)計1秒內(nèi)的脈沖個數(shù)可測得車速。GPS接收裝置采用美國GARMIN公司出品的GPS_25接收板,它具有體積小、性能優(yōu)良、價格便宜、易于二次開發(fā)等特點.它接收來自GPS天線單元的衛(wèi)星信號，通過變頻、放大、濾波等處理過程，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息：如星歷信息(衛(wèi)星狀況等)、位置信息(經(jīng)度、緯度、海拔等)、時間信息(日期、時間等)、速度信息等，可以為車載導(dǎo)航、智能交通、地理信息系統(tǒng)(GIS)應(yīng)用提供實時的三維位置信息.它采用單一+5V供電, 軟件接口協(xié)議采用美國

10、的NMEA0183 ASC II碼協(xié)議.2.3 軟件模塊化設(shè)計GPS、陀螺儀及車速信號采集接收信號處理數(shù)據(jù)發(fā)送圖2 軟件模塊.采集接收模塊在接收模塊中需要實現(xiàn)GPS信號的接收、車速脈沖的計數(shù)和陀螺儀信號A/D轉(zhuǎn)換后信息的接收。該模塊是采集器軟件的最底層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集。由于GPS等信號的性質(zhì)完全不同，需要對不同信號采用不同的采集方法。同時，必須注意到GPS信號與陀螺儀信號的同步，即在接收到GPS信號的同時就開啟A/D轉(zhuǎn)換，這些由軟件來完成。信號處理模塊是針對不同信號進(jìn)行的不同的處理方式的總和。信號處理是將由接收模塊得到的不同信號按一定的約定的格式進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)換。進(jìn)行信號處理有利與傳輸過程后

11、信號的識別。前向通道中，輸入信號均含有噪音和干擾，為了準(zhǔn)確的測量，必須消除被測量信號中的噪音和干擾，而濾波通常采用均值濾波和極值濾波.數(shù)據(jù)發(fā)送是實現(xiàn)采集器作用的關(guān)鍵模塊。若該模塊出錯，系統(tǒng)也就完全失去了其全部的功能。數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該及時有效。軟件框圖如圖3所示。3 信號分析3.1 GPS信號由GPS-OEM板發(fā)出的異步串行數(shù)據(jù)(以RS-232-C 為標(biāo)準(zhǔn))的周期信號，主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有"$GPGGA"、"$GPGSA"、"$GPGSV"以及"$GPRMC"等。這些幀頭

12、標(biāo)識了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各幀均以回車符和換行符作為幀尾標(biāo)識一幀的結(jié)束。對于通常的情況，我們所關(guān)心的定位數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度、速度、時間等均可以從"$GPGGA"幀中獲取得到. 該幀的結(jié)構(gòu)及各字段釋義如下：$GPGGA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、M, <11>、<12>*hh<CR><LF> <1>UTC時間，hh mm ss格式（定位它的） <2>經(jīng)度d

13、d mm mmmm 格式（非0） <3>經(jīng)度方向 N或S <4>緯度ddd mm mmmm 格式（非0） <5>緯度方向E或W <6>GPS狀態(tài)批示0未定位 1無差分定位信息 2帶差分定位信息 <7>使用衛(wèi)星號（0008） <8>精度百分比 <9>海平面高度 <10>*大地隨球面相對海平面的高度 <11>差分GPS信息 <12>差分站ID號 0000-123初始串口上電啟動END接收串口數(shù)據(jù)是否有效幀存放到數(shù)據(jù)段1采集陀螺儀信號與車速并分別存放在數(shù)據(jù)段2,數(shù)據(jù)段3讀取3個數(shù)據(jù)

14、區(qū)數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝,再發(fā)送出錯處理 圖3 軟件設(shè)計框圖3.2 陀螺儀信號陀螺儀采集車輛行進(jìn)方向的傳感器，采用陀螺儀輸出的是隨角度變化而變化的電壓信號顯然模擬的電壓信號需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換才能為數(shù)字芯片所用，而使用ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片可以得到位并行的數(shù)據(jù)3.3 車速信號車速的大小是通過車速儀輸出的脈沖信號的頻率表示的。4 數(shù)據(jù)通信4.1 串行通信總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)異步通信接口有RS-232C,RS-232E,RS-449,20mA電流環(huán)和USB通用接口。目前最常用的串行通信總線接口是美國電氣工業(yè)協(xié)會1969年推薦的RS-232C。通常使用芯的接插件來實現(xiàn)RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口的連接。用RS-232C

15、總線連接系統(tǒng)是，有近程通信方式和遠(yuǎn)程通信方式之分。而近程通信是指傳輸距離小于15M的通信，這時可以使用RS-232C 電纜直接連接(零MODEM方式)。15m以上的長距離通信需要采用調(diào)制解調(diào)器。S-232C邏輯電平對地是對稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯電平規(guī)定為V之間，邏輯電平為V之間。因此,RS-232C驅(qū)動器與TTL電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換.該標(biāo)準(zhǔn)的信號傳輸速率只能達(dá)到kbps，而最遠(yuǎn)距離只有米。RS-232C的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片有MAX232,MAX232A和MAX202以及ICL232等芯片。4.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式考慮到硬件(89C51單片機)基礎(chǔ),采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式.存儲轉(zhuǎn)發(fā)

16、方式是指采集器將接收到的GPS信號、車速信號和陀螺儀信號先存儲起來，到發(fā)送時刻時再按某種處理方法的發(fā)送出去。存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式可以形成一個完整的信息幀，幀中包含了系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)和標(biāo)志符。 采集器上電之后，檢查GPS信號輸入端，一旦檢測到GPS信號"$GPGGA"幀的幀頭，采集器開始存儲GPS信號的數(shù)據(jù)并開啟A/D轉(zhuǎn)換采集陀螺儀信號，直到檢測得到幀的“*hh”。之后采集器采集車速信號，處理并保存。到數(shù)據(jù)讀取完成之后，發(fā)送程序啟動。程序首先發(fā)送信息幀的幀頭標(biāo)記“c#g”，再順序的發(fā)送以保存的GPS信號、陀螺儀信號和車速值，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后程序必須發(fā)送幀結(jié)束標(biāo)記“END”,表示數(shù)據(jù)傳送

17、完成。幀格式如表1。表1 幀格式c#gGPS數(shù)據(jù)段e陀螺儀數(shù)據(jù)段EP車速脈沖校驗和END 4.3 差錯控制機制由于采集器采工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，脈沖干擾對通信線路的影響很大，差錯控制的方法是需要認(rèn)真選擇的.由于GPS接收機發(fā)出的信號本身帶有校驗和,所以只需檢驗接收到的校驗和是否正確便可判斷接收是否正確.在同上層處理器的通信時,可在幀中插入累加和檢驗標(biāo)記.4.4 通信機制當(dāng)采集器系統(tǒng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，采集器向上層處理器發(fā)送q字符，表示請求數(shù)據(jù)傳輸。上層處理器返回o表示同意接收要求立刻數(shù)據(jù)傳輸并建立連接，而或返回w表示表示同意接收但等待一定時間再傳輸，而當(dāng)上層處理器返回r時，采集器復(fù)位。建立連接之后，

18、采集器傳輸信息幀。傳輸完畢后，等待上層處理器的回復(fù)，若得到o表示傳輸順利完成；而接收到g表示信息幀中GPS信息數(shù)據(jù)段出錯要求重發(fā)GPS的最簡幀；而接收到c表示信息幀中車況信息數(shù)據(jù)段出錯要求重發(fā)車況信息的簡單幀；而接收到e則表示信息幀有嚴(yán)重的錯誤需要重傳信息幀。若重傳扔就出錯，上層處理器返回r要求采集器丟棄數(shù)據(jù)并復(fù)位。5 運行調(diào)試?yán)糜嬎銠C模擬以 GPGGA開頭以*結(jié)尾的GPS信號,用直流穩(wěn)壓電源輸出05V的電壓來模擬陀螺儀信號。用脈沖函數(shù)發(fā)生器來模擬里程儀信號。調(diào)試結(jié)果如圖4所示。1. 模擬GPS信號，首先從串口一發(fā)出一連串無效數(shù)據(jù)jhfjshfuh，通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，串口二無數(shù)據(jù)輸出。2. 然而當(dāng)我們加入了以$gpgga這個數(shù)據(jù)頭開始，