基于GPS數據采集系統的設計

摘要：為了設計高精度、全天候、全天時的數據采集系統，采用了GPS技術實現通信，信息采用NMEA-0183格式，單片機接收GPS輸出的時間和定位信息后，將信息調整為我國的標準，并將調整后的經度、緯度、海拔高度和時間等信息通過液晶終端顯示。最終實現了GPS數據采集及轉換等工作，為事故定位、搜查救援等工作提供了技術依據。
關鍵詞：GPS數據采集；定位；數據處理；單片機

隨著科技的發展，移動技術的不斷成熟，定位導航開辟了一個重要的新興市場。GPS(Global Positioning System)以其高精度、全天候、全天時的特點，在定位、導航、測距等領域被廣泛應用，具有測量精度高、速度快、用戶數量不限、抗干擾能力強等優點。不僅用于軍事領域，還廣泛用于工農業生產、交通運輸、野外探險等領域。本系統實現的數據采集精確度較高；采集到的位置可以控制在2 m范圍之內，接收數據并處理的時間小于2 s，存精確度和實時性上要優于其他數據采集系統。

1 GPS數據采集系統的設計
硬件系統中主要由主控制器、液晶顯示模塊和CPS射頻前端，數據傳輸單元組成，如圖1所示。

GPS信號通過天線接收值射頻前端模塊，在射頻芯片中實現A／D轉換，將模擬中頻信號轉化為數字信號通過串口傳入單片機，單片機接收的數據信息經過時差，坐標處理等操作，在通過LCD顯示出來。

2 GPS數據采集系統的設計及實現
2．1 GPS語句的輸出格式
GPS-OEM板采用NMEA-0183通信格式，可以輸出多種句型，均以“$”開頭。其語句格式如表1所示。

輸出的語句按串口通信協議：1位開始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗。輸出數據采用的是ASCⅡ碼字符，內容包含了緯度、經度、速度、日期、航向及衛星狀況等信息。語句達十余種，其中定位語句$GPRMC其結構為：
$GPRMC，1>．2>，3>．4>，5>．6>，7>，8>，9>，10>，11>*hhCR>LF>
其中：
“GP”-交談識別符；
“RMC”-語句識別符；
“*”-校驗和識別符；
“hh”-為校驗和，其代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個字符)。
$GPRMC語句數據區的內容為：
1)定位點的協調世界時間(UTC)，hhmmss(時分秒)格式；
2)定位狀態，A=有效定位，V=無效定位；
3)定位點緯度，ddmm．mmmmm(度分)格式；
4)緯度半球，N(北半球)或S(南半球)；
5)定位點經度，dddmm．mmmmm(度分)格式；
6)經度半球，E(東經)或W(西經)；
7)地面速度，000．0節～999．9節；
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數據接收
利用單片機的串行接口接收GPS傳送過來的數據，其硬件原理如圖2所示，GPS的接口及單片機串口均采用TTL電平傳輸數據，所以GPS接口引腳4和3可直接與單片機的TXD和RXD引腳相連，無需電平轉換，硬件電路圖如圖2所示。

GPS模塊輸出的是數據流，每秒鐘更新一次數據。必須要用單片機對其輸出的數據流中的數據進行提取，以方便用戶直接讀取。首先打開串口中斷服務子程序，開始接收數據，判斷其是否有“$”符號，然后根據逗號的個數進行判斷數據的類型，然后分別存儲時間、經度、緯度、日期等信號，若接收到“＼n”則接收結束。
用C語言編程，其程序如下：


在PC機上接收的GPRMC語句信息如下：
$GPRMC，103320，A，4350．95221，N，12524．06042，E，000．0，000．0，130507，009．1，W*50
這是一條GPS定位數據信息語句，涵義是UTC時間為10時33分20秒，位置在北緯43度50．9522分，東經125度24．0604分，移動速度為0，移動范圍為0，日期為2007年5月13日，地磁變化為9．10，地磁變化方向為西，校驗和為50H。根據接收的信息用單片機進行相應的處理，就可以得到所需的信息了，信息處理過程見3節。

3 對接收信息的處理
數據的處理主要包括兩個方面：
1)時間的處理
直接從衛星接收到的時間信息是UTC時間(格林尼治時間)，需要處理成北京時間。
要變成北京時間需要加上8個小時，如果超過24小時，則減去24小時后，才是北京時間。
時間轉換處理程序如下：

2)定位的處理
GPS接受的經度、緯度等信息采用的是美國的84坐標系統，需要轉換成我國的54坐標系統。為便于描述設如下幾個參量：
大地坐標-(B，L，H)
平面坐標-(x，y，z)
橢球偏心率-C
橢球參數m，n-大地坐標轉換到指教坐標需要使用的參數，則有：



4 結束語
本系統討論了用單片機對GPS數據的讀取及處理的方法，分析了GPS模塊的信息格式并編制了通信軟件，不僅成功地實現了GPS定位信息的接收與提取，而且具有硬件電路簡單、成本低廉、編程方便、性能穩定的特點，具有一定的使用價值。