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1、_1第第 6 6 章章 GPSGPS 定位信息显示器的设计定位信息显示器的设计6 61 1 功能要求功能要求 本设计要求利用单片机、液晶显示器、GPS 的 OEM 板设计开发一种简易 GPS 定位信息显示器。要求能显示经纬度、时间、水平面高度等实时信息。6 62 2 方案论证方案论证 本设计主要从三个方面来分析论证：1、GPS 处理模块的选择；2、显示器的选择；3、微处理器的选择。621 GPS 模块的选择GPS 模块主要有以下几个性能指标：1、 卫星轨迹：全球有 24 颗 GPS 卫星沿六条轨道绕地球运行（每四一组） ，GPS 接收模块就是靠接收这些卫星来进行定位。但一般在地球的同一边不会超
2、过 12 颗卫星，所以一般选择可以跟踪 12 颗卫星以下的器件，但所能跟踪的卫星数越多性能越好。大多数 GPS 接收器可以追踪812 颗卫星。计算 LAT/LONG（2 维）坐标至少需要 3 颗卫星，4 颗卫星可以计算 3 维坐标。2、 并行通道：一般消费类 GPS 设备有 25 条并行通道接收卫星信号。因为最多可能有 12卫星是可见的（平均值是 8 颗） ，GPS 接收器必须按顺序访问每一颗卫星来获取每颗卫星的信息。市面上的 GPS 接收器大多数是 12 并行通道型的，这允许它们连续追踪每一颗卫星的信息，12 通道接收器的优点包括快速冷启动和初始化卫星的信息，而且在森林地区可以有更好的接收效
3、果。一般 12 通道接收器不需要外置天线，除非你是在封闭的空间中，如船舱、车厢中。3、 定位时间：这是指重启 GPS 接收器时，它确定现在位置所需的时间。对于 12 通道接收器，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为 35 分钟，热启动时为1530 秒，而对于 2 通道接收器，冷启动时大多超过 15 分钟，热启动时为 25 分钟。4、 定位精度：在 SA 没有开启的情况下，普通 GPS 接收器的水平位置定位精度在 5m10m左右。5、 DGPS 功能：为了将 SA 和大气层折射带来的影响降为最低，有一种叫做 DGPS 发送机的设备。它是一个固定的 GPS 接收器（在 GPS
4、模块使用现场 100km200km 的半径内设置）接收卫星的信号，它确切地知道理论上卫星信号传送到的精确时间是多少，然后将它与实际传送时间相比较，然后计算出“差” ，这十分接近于 SA 和大气层折射的影响，它将这个差值发送出去，其他GPS 接收器就可以利用它得到一个更精确的位置读数（5m10m 或者更少的误差） 。 许多 GPS 设备提供商在一些地区设置了 DGPS 发送机，供它的客户免费使用，只要客户所购买的 GPS 接收器有 DGPS 功能。6、 信号干扰：要获得一个很好的定位信号，GPS 接收器需要至少可以接收 35 颗卫星。如果在峡谷中或者两边高楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，可能
5、不能接收到足够的卫星，从而无法定位或者只能得到二维坐标。同样，如果在一个建筑里面，也可能无法更新位置，一些GPS 接收器有单独的天线可以贴在挡风玻璃上，或者一个外置天线可以放在车顶上，这有助于接收器收到更多的卫星信号。7、 其他的物理指标（如大小、重量）本设计采用的是 GARMIN 公司被广泛应用的 GPS 25 LP 型 GPS OEM 接收板。GARMIN 公司作为全球最大的 GPS OEM 板的供应商，其生产的 GPS 25 LP 型 GPS OEM 板具有以下主要性能指标：1、 并行 12 通道接收；2、 重捕时间100000 小时，民用级50000 小时） 、体积小、电源简单等特点，
6、非常适合于嵌入式系统、移动设备、掌上设备的使用。本设计采用点阵型 LCD 液晶显示器 CGM12232。具有 122*32 点阵，不仅可以显示数字，还可以显示中文、英文甚至图片等，体积只有 61mm*19mm*5.7mm，功耗更低仅5V*2.5mA=12.5mW（不开背光） 。6 62 23 3 CPUCPU 的选择的选择一般 GPS 导航器都是 GPS 配合矢量电子地图来进行导航和航线记录。这些设备 CPU 的运算量和需要储存的数据量都很大，一般都使用 X86、ARM 等 32 位 CPU。考虑到本设计只需显示经纬度和时间等简单的信息，决定选择 Atmel 的 AT89C51 单片机作为主控
7、制器。6 63 3 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计_3图 6.1为 GPS 定位信息显示器系统设计原理框图。图 6.1 系统硬件原理框图系统硬件电路主要由 GPS-OEM 接收板、液晶显示器、AT89C51 单片机、键盘、RS-232 电平转换、单片机上电复位、电源等部分组成。GPS-OEM 板发送的串行数据经 RS-232（CMOS/TTL 电平转换）电路送至单片机串行口，经处理后通过键盘选择要显示的信息，送至 LCD 液晶显示器。LCD 液晶显示器为定时更新，更新周期约为 1S。上电复位电路为单片机上电提供上电复位。电源电路为各个电路提供稳定的+5V 电源。GPS OEM 板的设置用
8、预留的 RS-232 口，在计算机上用GARMIN 公司提供的软件(GARMIN Sensor/Smart Antenna Software)来进行设置。_41234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:2-Mar-2005 Sheet of File:D:书书书书书-书书书C书书书书书书书书书书书书书书书GPS.ddbDrawn By:P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5
9、/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL 218XTAL 119GND20A8/P2.021A9/P2.122A10/P2.223A11/P2.324A12/P2.425A13/P2.526A14/P2.627A15/P2.728PSEN29ALE30EA31AD7/P0.732AD6/P0.633AD5/P0.534AD4/P0.435AD3/P0.336AD2/P0.237AD1/P0.138AD0/P0.039VCC40IC1AT89C52TXD2 RXD2 PPS TXD1 RXD1 PWR-DN VAUX GND VIN VIN NC NMEAU1GPSK A D7 D
10、6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A0 R/WVDDGNDVLCDRETCS1CS2U2122321 2J3CON2VCCVCCVCCQ1 9012LE DA0 R/W CS2 CS1 VCCGND VCCCS1 CS2 R/W A0LE DS2DOWNS1UPR2 270J4 PW_CZI1G2O3IC2 7805 VCCD21N4007D41N4007D31N4007D51N4007 GNDC4470uY111.0592MC2 20PC3 20PRESTC1 10UR1 10KRESTVCCVCC162738495J1DB91 2 3 4 5 6 7 8 9J2 CON9UP DOW
11、NDOWNUPC6 0.01UC7 0.01UVCCC8 0.01UGNDQ2 NPNR447KR347KVCC_5631 电源电路的设计电源电路的设计电源电路采用两种供电方式：1、机内变压器供电；2、机外外接电源供电，具体如图6.2。两种供电方式可以任选一种，在机内自动切换。机外外接供电采用傻瓜式接口,无需辨认直流电正负极，可任意接入 8-15V 的交流或直流电压。机内变压器输入 220V 交流电压，输出 7V 交流电压。经过全桥式整流桥输出大约 9V 的脉动电压，经过 470U 的滤波电容，得到平稳的直流电压。此电压再经过三端稳压器 7805 稳压输出稳定的+5V 电压。外接供电口输入的电
12、源也经过机内另一组全桥式整流桥，再经过滤波，稳压，然后输出。输入口的整流桥堆实现了傻瓜式接口。当输入直流电源的时候无论怎么接由 D1、D4，或者D2，D3 中的一组完成极性转换。如果输入的是交流电源则由 D1D4 组成的全桥完成整流。 J1I1G2O3IC1 7805D1 1N4007D31N4007D21N4007D41N4007 GNDC1470uVCCC2 10UT1TRANS11234D5BRIDGE1AC 220VDC 7-15V 图 6.2 电源电路原理图6 63 32 2 AT89C51AT89C51 单片机系统单片机系统系统电路的主芯片采用美国 ATMEL 公司的 AT89C5
13、1 FLASH 单片机，它与 MCS-51 系统产品兼容，具有 4K 字节可重编程 Flash 存储器，5V20的电源使用电压、1288 位的内部 RAM，两个 16 位定时器/计数器，6 个中断源，以及低功耗空闲和掉电方式等一系列的功能。AT89C51 单片机的电源、复位、晶振振荡电路如图 6.3 所示。_6P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20A8/
14、P2.021A9/P2.122A10/P2.223A11/P2.324A12/P2.425A13/P2.526A14/P2.627A15/P2.728PSEN29ALE30EA31AD7/P0.732AD6/P0.633AD5/P0.534AD4/P0.435AD3/P0.336AD2/P0.237AD1/P0.138AD0/P0.039VCC40IC1AT89C51Y111.0592MC2 20PC3 20PC1 10UR1 10KRESTVCCC8 0.01UVCC图 6.3 AT89C51 单片机的电源、复位、晶振振荡电路图复位电路。单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出 RST
15、 引脚两个机器周期的高电平便可完成系统复位。外部复位电路是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST 上的电压是 VCC 和电容器上电压之差，因而 RST 电压大小与 VCC 相同。随着充电的进行，电容器上电压不断上升，RST 电压就随着下降，RST 脚上只要保持 10mS 以上高电平系统就有效复位。电容 C 可取 10-33uF，电阻R 可取 1.2-10k。系统设计中 C 取 10uF，电阻 R 取 10k，充电时间常数为 1010-610103=100mS。晶振振荡电路。XTAL1 脚和 XTAL2 脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英
