摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的GPS接收系統(tǒng)因硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，而造成GPS設(shè)備難以普及應(yīng)用的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ATmega16A的低成本、可存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸?shù)腉PS接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)ATmega16A接收和處理GPS模塊信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將處理后的GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中；也可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到Flash上，通過(guò)USB接口完成數(shù)據(jù)讀取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性高，具有良好的應(yīng)用前景。

引言

GPS(全球定位系統(tǒng))是為海上、陸地和空中各種運(yùn)輸工具和移動(dòng)設(shè)備的導(dǎo)航和定位而開(kāi)發(fā)的，具有高精度、全天候、全球性和點(diǎn)間無(wú)需通視等優(yōu)點(diǎn)，使測(cè)量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在GPS的行業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)是較基本的設(shè)備。目前，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)具有智能化和可擴(kuò)展性不斷增強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì)，表現(xiàn)為內(nèi)嵌的MCU性能越來(lái)越高，外圍接口越來(lái)越豐富，但軟硬件成本不斷上升，減緩了GPS接收系統(tǒng)平民化的趨勢(shì)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)ATmega16A的低成本、可存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸GPS接收系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定度高，可以滿足各種工程測(cè)量以及勘察測(cè)量等民用要求。

1 GPS接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

GPS接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本地GPS信號(hào)讀取、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)讀取和無(wú)線收發(fā)等功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

GPS接收系統(tǒng)工作過(guò)程為：ATmega16A利用GPS模塊獲取其所在位置的經(jīng)緯度等信息，并將該測(cè)試點(diǎn)處的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)中，通過(guò)上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。此外，ATmega16A帶有片上Flash，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，以便進(jìn)行離線處理。ATmega16A通過(guò)控制無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。

2 GPS接收系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

GPS接收系統(tǒng)主要由電源模塊、GPS模塊、GPS天線模塊、控制模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等部分組成。

2.1 電源模塊

電源模塊是GPS接收系統(tǒng)工作的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)的是系統(tǒng)供電功能。在GPS接收系統(tǒng)中，主要耗電的部分為無(wú)線收發(fā)模塊，該模塊工作在1W接收功率時(shí)工作電流可達(dá)到700mA，因此需要采用大電流的電源芯片，以保證系統(tǒng)供電需求。LM2576較大供電電流可達(dá)到3A，完全滿足系統(tǒng)大功率接收時(shí)對(duì)電流的要求。此外，系統(tǒng)中其他模塊工作電壓為3.3V，采用REG1117(3.3V)芯片為系統(tǒng)提供工作所需電壓。電源模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2.2 GPS模塊

GPS模塊是影響系統(tǒng)測(cè)量精度的關(guān)鍵，該系統(tǒng)中GPS采用SDT11E模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。該模塊具有-158dBm的接收靈敏度，定位精度可達(dá)2.5m。高接收靈敏度和定位精度可以有效保證該系統(tǒng)的適用范圍。其原理圖如圖3所示。

2.3 GPS天線模塊

GPS天線形式是多種多樣的，可以是螺旋線圈天線、偶極子天線或是微帶天線。通常會(huì)在天線的前端加入一個(gè)低噪聲放大器，使得接收機(jī)內(nèi)維持一個(gè)低的噪聲系數(shù)，這時(shí)需要由接收機(jī)前端通過(guò)RF同軸電纜對(duì)放大器供電。需要注意的是，當(dāng)使用GPS接收機(jī)解算位置的時(shí)候，實(shí)際上是在估計(jì)天線的電子相位中心的位置，而電子相位中心與物理相位中心常常不在同一點(diǎn)。對(duì)于測(cè)量型GPS接收機(jī)天線，電子和物理相位中心會(huì)有厘米級(jí)的差異。

系統(tǒng)采用的是SDT11E型GPS接收機(jī)，它的天線單元如圖4所示。它具有的功能是接收由衛(wèi)星發(fā)射來(lái)的信號(hào)。

2.4 控制模塊

該GPS接收系統(tǒng)中，主要采用Atmel公司的AVR芯片ATmega16A作為系統(tǒng)的控制器，控制器主要實(shí)現(xiàn)控制GPS模塊、控制無(wú)線收發(fā)模塊、控制USB傳輸模塊、處理接收的GPS信號(hào)、從Flash芯片中存取數(shù)據(jù)等功能。

由于GPS模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、USB模塊均采用串行接口，控制器內(nèi)部只帶有一個(gè)串口功能，因此采用通用I/O口模擬串口通信方式完成對(duì)GPS和收發(fā)模塊的控制。同時(shí)設(shè)計(jì)了帶接收中斷功能的串口模塊，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。本收發(fā)模塊中對(duì)接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，提取出了經(jīng)緯度、高度及時(shí)間信息，增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有效信息量。I/O口模擬串口通信模塊工作流程如圖5所示。

2.5 無(wú)線收發(fā)模塊

為提高該系統(tǒng)的定位精度，并有效降低系統(tǒng)功耗，本系統(tǒng)采用無(wú)線收發(fā)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。

該無(wú)線收發(fā)模塊主要使用MaxStream公司的9XTend模塊，其主要特點(diǎn)是：與傳統(tǒng)無(wú)線調(diào)制方式相比，在相同的發(fā)射功率的情況下采用擴(kuò)頻通信方式可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。它是MaxStream公司目前傳輸距離較長(zhǎng)(視距傳輸距離為40km)的低功耗OEM RF模塊。9XTend在5V電壓下，電流消耗只有780mA，輸出功率可達(dá)1W(30dBm)。該收發(fā)器的接收靈敏度達(dá)-110dBm，可使用戶在1.5英里、15英里視距和40英里(通過(guò)高增益天線)接收900MHz信號(hào)，數(shù)據(jù)吞吐量為230kbps，數(shù)據(jù)率可達(dá)115.2kbps。通過(guò)對(duì)該模塊的使用，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS信號(hào)的接收。

2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用Flash芯片來(lái)存儲(chǔ)該系統(tǒng)采集的GPS位置信息，便于進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。該GPS接收系統(tǒng)使用的Flash芯片為K9F1208U0M，它是Samsung公司生產(chǎn)的采用NAND技術(shù)的大容量、高可靠Flash存儲(chǔ)器。圖7是K9F1208U0M芯片與ATmega16A的外圍連接電路。

K9F1208U0M的接口控制方法：K9F1208U0M在應(yīng)用時(shí)必須通過(guò)外部ATmega16A來(lái)控制其內(nèi)容的讀寫。K9F1208U0M的數(shù)據(jù)總線與ATmega16A的數(shù)據(jù)口PA口相連，用ATmega16A的地址高位引腳PB6作為K9F1208U0M的片選信號(hào)(CS)；PB5接K9F1208U0M的命令數(shù)據(jù)選擇端(CME)/DATA)，而PB4接K9F1208U0M的地址鎖存允許端(ALE)。

讀寫操作流程：進(jìn)行寫操作時(shí)先要寫入命令字80H，通知K9F1208U0M要進(jìn)行寫操作，然后順序?qū)懭肽康牡氐刂泛痛龑懭氲臄?shù)據(jù)。應(yīng)該注意的是，地址只需寫入一次，便可以連續(xù)寫入多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。地址指針的調(diào)整是由K9F1208U0M內(nèi)部邏輯控制的，不用外部干預(yù)。寫入操作是以頁(yè)為單位(1～528字節(jié))進(jìn)行的，即每次連續(xù)寫入能超過(guò)528個(gè)字節(jié)。這是由K9F1208U0M的工作方式?jīng)Q定的：寫入的數(shù)據(jù)先保存至Flash內(nèi)部的頁(yè)寄存器(528字節(jié))中，然后再寫入存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)寫完之后還要給K9F1208U0M發(fā)出1個(gè)寫操作指令10H，通知其將頁(yè)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)單元，隨后就應(yīng)該對(duì)狀態(tài)引腳進(jìn)行查詢。如果該引腳為低，表明此次寫操作結(jié)束。較后的步驟是數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果采用了ECC校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑒t此步驟可以省略。

使用ATmega16A控制器完成Flash驅(qū)動(dòng)函數(shù)主要包括：讀ID；塊擦除；寫入一頁(yè)數(shù)據(jù)；壞塊檢測(cè)；讀取一頁(yè)數(shù)據(jù)。

另外，注意事項(xiàng)有：在以K9F1208U0M為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要注意無(wú)效塊的問(wèn)題。無(wú)效塊即包含一個(gè)和多個(gè)無(wú)效數(shù)據(jù)位的塊。由于結(jié)構(gòu)方面的原因，一塊(32頁(yè))中有一個(gè)無(wú)效位也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)塊無(wú)效。因此，系統(tǒng)必須在寫入數(shù)據(jù)時(shí)避開(kāi)無(wú)效塊。出廠時(shí)，每片K9F12 08U0M的無(wú)效塊信息均保存在一個(gè)無(wú)效塊信息表中，可以根據(jù)該表中的原始無(wú)效塊信息識(shí)別無(wú)效塊的位置。在K9F1208U0M的使用過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)對(duì)無(wú)效塊情況進(jìn)行檢查和更新，以保證無(wú)效塊表內(nèi)容的準(zhǔn)確性。

3 微控器軟件程序設(shè)計(jì)

該ATmega16A軟件程序流程如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)該GPS接收系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，選擇一空曠地域組織了若干次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是固定地點(diǎn)接收衛(wèi)星信號(hào)。圖9是GPS接收系統(tǒng)實(shí)物圖和Flash數(shù)據(jù)讀取圖。

圖9中左邊是GPS接收系統(tǒng)的實(shí)物圖，右邊是通過(guò)該GPS接收系統(tǒng)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)Flash讀取而得到的信息。GPS衛(wèi)星接收系統(tǒng)采集到的坐標(biāo)是世界大地坐標(biāo)系(WGS-84)坐標(biāo)。輸出的數(shù)據(jù)格式為：“時(shí)間+維度+經(jīng)度+星數(shù)+高度”，接收回來(lái)的數(shù)據(jù)充分顯示系統(tǒng)穩(wěn)定度很高。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ATmega16A的GPS接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸、定位精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)穩(wěn)定度很高，易于推廣普及，可用于普通民用地理定位領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

作者：趙櫸云 張波濤 胡寧博 楊薇   來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)