ATmega16A低成本的GPS接收系統設計

摘要：針對傳統的GPS接收系統因硬件結構復雜、成本較高，而造成GPS設備難以普及應用的問題，設計了一種基于ATmega16A的低成本、可存儲、無線傳輸的GPS接收系統。該系統采用單片機ATmega16A接收和處理GPS模塊信號，并通過無線收發模塊將處理后的GPS數據傳輸到上位機中；也可將數據實時存儲到Flash上，通過USB接口完成數據讀取。實驗結果表明該系統性能穩定、實時性高，具有良好的應用前景。
關鍵詞：全球定位系統；ATmega16A；接收系統

引言
GPS(全球定位系統)是為海上、陸地和空中各種運輸工具和移動設備的導航和定位而開發的，具有高精度、全天候、全球性和點間無需通視等優點，使測量技術發生了質的飛躍。在GPS的行業應用中，數據接收系統是最基本的設備。目前，數據接收系統具有智能化和可擴展性不斷增強的發展趨勢，表現為內嵌的MCU性能越來越高，外圍接口越來越豐富，但軟硬件成本不斷上升，減緩了GPS接收系統平民化的趨勢。綜上所述，本文設計了一種基于單片機ATmega16A的低成本、可存儲、無線傳輸GPS接收系統。實驗證明，該系統穩定度高，可以滿足各種工程測量以及勘察測量等民用要求。

1 GPS接收系統結構及工作原理
GPS接收系統實現本地GPS信號讀取、系統控制、數據接收、數據存儲、數據讀取和無線收發等功能。其系統結構框圖如圖1所示。

GPS接收系統工作過程為：ATmega16A利用GPS模塊獲取其所在位置的經緯度等信息，并將該測試點處的數據通過USB接口傳輸到PC機中，通過上位機軟件完成對數據的轉化。此外，ATmega16A帶有片上Flash，也可實現對接收數據的存儲功能，以便進行離線處理。ATmega16A通過控制無線收發模塊，實現了對數據發送的功能。

2 GPS接收系統硬件設計
GPS接收系統主要由電源模塊、GPS模塊、GPS天線模塊、控制模塊、無線收發模塊和數據存儲模塊等部分組成。
2．1 電源模塊
電源模塊是GPS接收系統工作的重要組成部分，實現的是系統供電功能。在GPS接收系統中，主要耗電的部分為無線收發模塊，該模塊工作在1 W接收功率時工作電流可達到700 mA，因此需要采用大電流的電源芯片，以保證系統供電需求。LM2576最大供電電流可達到3 A，完全滿足系統大功率接收時對電流的要求。此外，系統中其他模塊工作電壓為3．3 V，采用REG1117(3．3 V)芯片為系統提供工作所需電壓。電源模塊設計原理圖如圖2所示。

2．2 GPS模塊
GPS模塊是影響系統測量精度的關鍵，該系統中GPS采用SDT11E模塊進行設計。該模塊具有-158dBm的接收靈敏度，定位精度可達2．5 m。高接收靈敏度和定位精度可以有效保證該系統的適用范圍。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。通常會在天線的前端加入一個低噪聲放大器，使得接收機內維持一個低的噪聲系數，這時需要由接收機前端通過RF同軸電纜對放大器供電。需要注意的是，當使用GPS接收機解算位置的時候，實際上是在估計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。對于測量型GPS接收機天線，電子和物理相位中心會有厘米級的差異。
系統采用的是SDT11E型GPS接收機，它的天線單元如圖4所示。它具有的功能是接收由衛星發射來的信號。