PAGEVGPS全球定位系統的應用摘要GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系統），是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞系統。智能交通系統(ITS)是未來交通系統的發展方向，它是將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術、控制技術及計算機技術等有效地集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。其中，交通信息采集系統是最為基本、最重要的系統之一。它為交通管理、交通信息公眾發布等提供了大量的基礎交通信息，是其他交通管理系統應用的基礎。本文以GPS在智能交通系統(ITS)中的典型應用為例，介紹了GPS系統的組成、定位原理、定位誤差以及GPRS網絡結構、業務特點等，并以臺灣皇家數碼出品的GPS模塊作為地理信息數據采集載體，BENQM22GPRS模塊作為數據發送載體，設計了一個簡單的交通信息資源采集系統與應用系統。該系統能夠根據需要在確定的地理位置采集定位信息，如經緯度信息，并標記此地理位置，當再次途徑此地理位置時，自動用語音報告該地理位置信息，可對已采集的地理信息進行人工編輯，包括刪除某一地理坐標，在兩地理坐標之間插入一新的地理坐標，修改某地理坐標的標記，通過GPRS模塊將設備當前所在的地理位置坐標以短信的方式發送到預先設定的數據處理中心，以作進一步處理。文中對硬件和軟件的具體實現給予了深入探討，詳細分析了GPS輸出數據的通信標準及其數據幀的接收和參數提取的方法，最后對系統測試結果進行了處理和分析并給出了系統的總結與展望。關鍵詞GPS；GPRS；信息資源采集

THEAPPLICATIONOFGLOBALPOSITIONINGSYSTEMABSTRACTGPSisaglobal,all-weather,high-precisionnavigationandpositioningandtimedeliverysystem.Theintellectualtrafficsystem(ITS)isthedirectionofthetrafficsysteminthefuture.Itisofadvancedinformationtechnology,datacommunicationstransmissiontechnology,electronicsensortechnology,controltechnologyandcomputertechnologyetc.,whichiseffectivelyintegratedthroughoutthewholeapplicationsoftrafficmanagementsystemsontheground,andsetupawidelyfulluse,real-time,accurateandefficientintegratedtrafficmanagementsystem.Thetrafficinformationcollectionsystemisthemostbasicandimportantsystem.Itprovidesalargeamountofbasictrafficinformationfortrafficmanagement,trafficinformationmassesreleaseetc.,andalsoitisthefoundationoftheapplicationofothertrafficmanagementsystem.ThispaperintroducesthecompositionofGPSsystem,positioningprinciple,positioningerror,GPRSnetworkstructureanditsbusinesscharacteristics,etc.,anduseGPSmodulewhichisproducedbyRoyalDigitalCompanyofTaiwanasgeographicinformationdatacollectioncarrier,BenQM22GPRSmoduleasadatatransmissioncarrier,workingoutasimpletrafficinformationresourcescollectionandapplicationssystem.Accordingtothedemand,thesystemcancollectpositioninginformationinthespecificlocation,suchaslongitudeandlatitudeinformation,andmarkthelocation.Whenonceagaincomearoundthatlocation,thesystemcanautomaticallyusevoicetoreporttheinformationofthatlocation.Itcanmanuallyeditcollectedgeographicinformation,includingdeletingaparticulargeographicalcoordinate,insertinganewgeographiccoordinatesbetweentwoexistgeographiccoordinates,modifyingageographiccoordinatemarking.ThegeographicalcoordinatesofthecurrentequipmentwillbesenttothepredetermineddataprocessingcenterthroughGPRSmoduleinSMS,sothatitcanmakefurtherprocess.Thispaperdiscussestherealizationofconcretehardwareandsoftwareindetail,analyzesthecommunicationprotocolofGPS’soutputdataparticularly,andworksoutasolutiontoreceivedataframeandretrievenavigationinformationfromGPS,atlastthispaperprocessestheexperimentresultsandgivestheconclusionandprospects.KEYWORDSGPS;GPRS;collectionofinformationresources

目錄摘要 IABSTRACT II前言 11基礎理論 21.1全球定位系統——GPS 21.1.1GPS發展概述 21.1.2GPS系統組成 21.1.3GPS衛星信號 51.1.4GPS定位原理 51.1.5GPS定位誤差 61.1.6GPS應用前景 71.2通用分組無線業務——GPRS 71.2.1GPRS發展概述 71.2.2GPRS網絡結構 81.2.4GPRS業務特點 82硬件設計 92.1硬件總體框架設計 92.2嵌入式處理器的選擇 92.3GPS模塊 112.4GPRS模塊 122.5LCD顯示模塊 122.5.1HG1286416圖形點陣液晶模塊介紹 122.5.2模塊主要硬件構成說明 122.5.3模塊的外部接口 142.6鍵盤模塊 152.7串口模塊 152.8GPS數據存儲 162.9語音模塊 173軟件設計 203.1軟件總體框架設計 203.2.1GPS數據格式(NMEA-0183) 223.2.2GPS數據接收與處理 233.3GPRS模塊軟件 263.4LCD顯示模塊 273.6串口通訊模塊 293.7站點管理模塊 293.7.1新增站點 293.7.2刪除站點 303.7.3報站 303.8語音模塊 314軟硬件調試與測試結果 334.1軟硬件調試步驟 334.2軟硬件調試中遇到的問題 334.3測試結果 345總結與展望 35附錄 37致謝 39-PAGE40-前言隨著國內交通基礎設施的建設和完善，許多城市相繼建立了各種類型的交通管理應用系統。智能交通系統(ITS)無疑是未來交通系統的發展方向，它是將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術、控制技術及計算機技術等有效地集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統[7]。當前ITS的服務領域有：先進的交通管理系統、先進的出行者信息系統、先進的公共交通系統、先進的車輛控制系統、營運車輛調度管理系統等。其中，交通信息采集系統是最為基本、最重要的系統之一。它為交通管理、交通信息公眾發布等提供了大量的基礎交通信息，是其他交通管理系統應用的基礎[6]。我國目前仍有少數地區以人工采集作為交通信息采集的主要手段，交通信息的采集需要投入大量的人力、物力和財力。同時，人工采集所得到的數據準確性往往較差，不能很好地反映道路交通實時狀況，基于此數據所做的道路交通規劃、管理方案具有一定的偏差，從而導致交通信息的綜合利用率不高，效能還有待進一步挖掘。因此，需要建立一個快速，高效的交通信息資源采集系統。本文討論了基于GPRS網絡的GPS應用系統，該系統利用GPS設備進行交通地理信息數據采集，可存儲主要交通站點的地理位置信息，當交通設備再次行進到相應站點時自動報告站點信息，另外還通過GPRS網絡不間斷地將收集到的地理位置信息發往監控中心，監控調度中心可根據得到的數據進行統計分析，或進一步處理。

1基礎理論1.1全球定位系統——GPS 全球定位系統（GlobalPositioningSystem）,簡稱GPS,是隨著現代化科學技術的發展而建立起來的新一代精密衛星定位系統。1.1.1GPS發展概述1958年12月，美國海軍和詹斯霍·普金斯(JohnsHopkins)大學物理實驗室為了給北極核潛艇提供全球導航，開始研制一種衛星導航系統，稱之為美國海軍導航衛星系統，簡稱NNSS(navynavigationsatellitesystem)系統。在該系統中，由于衛星軌道通過地極，因此被稱為“子午(transit)衛星系統”。1959年9月美國發射了第一顆試驗性衛星，經過幾年試驗，1964年該系統建成并投入使用。1967年美國政府宣布該系統解密并提供民用。雖然子午衛星系統對導航定位技術的發展具有劃時代的意義，但由于該系統衛星數目較少(6顆工作衛星)，運行高度較低(平均約1000km)，從地面站觀測到衛星的時間間隔也較長(平均約1．5小時)，因而不能進行三維連續導航。加上獲得一次導航解所需的時間較長，所以難以充分滿足軍事導航的需求。從大地測量學來看，由于它的定位速度慢(測站平均觀測1—2天)，精度較低(單點定位精度3—5m，相對定位精度約為1m)，因此，該系統在大地測量學和地球動力學研究方面受到了極大的限制。為了滿足軍事及民用部門對連續實時三維導航的需求，1973年美國國防部開始研究建立新一代衛星導航系統，即為目前的“授時與測距導航系統／全球定位系統”(navigationsystemtimingandranging/globalpositioningsystem——NAVSTAR/GPS)，通常稱之為全球定位系統(GPS)。從該系統研制開始，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。GPS實施計劃共分三個階段：第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發射了4顆試驗衛星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網，從硬件和軟件上進行試驗。第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。第三階段為實用組網階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功，表明GPS系統進入工程建設階段。1993年底實用的GPS網，即（21+3）GPS星座已經建成，今后將根據計劃更換失效的衛星。1.1.2GPS系統組成 GPS系統主要由三大部分組成，即空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分所組成(圖1-1)： 圖1-1GPS系統的組成一、空間星座部分 全球定位系統的空間衛星星座見圖1-2，由24（3顆備用衛星）顆衛星組成。衛星分布在6個軌道面內，每個軌道上分布有4顆衛星。衛星軌道面相對地球赤道面的傾角為55°，各軌道平面升交點的赤經相差60°。在相鄰軌道上，衛星的升交距相差30°。軌道平均高度約為20200km，衛星運行周期為11小時58分。因此，在同一觀測站上，每天出現的衛星分布圖形相同，只是每天提前4分鐘。每顆衛星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛星數目，隨時間和地點而異，最少為4顆，最多可達11顆。 GPS衛星空間星座的分布保障了在地球上任何地點、任何時刻至少有4顆衛星被同時觀測，加上衛星信號的傳播和接收不受天氣的影響，因此，GPS是一種全球性、全天候的連續實時定位系統。圖1-2全球定位系統的空間衛星星座二、地面監控部分GPS的地面監控部分，目前由分布在全球的5個地面站組成，其中包括衛星監測站、主控站和信息注入站。1．監測站現有5個地面站均具有監測站的功能。監測站是在主控站直接控制下的數據自動采集中心。站內設有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、計算機各一臺和若干環境數據傳感器。接收機對GPS衛星進行連續觀測．以采集數據和監測衛星的工作狀況。原子鐘提供時間標準，而環境傳感器收集有關當地的氣象數據。所有觀測資料由計算機進行初步處理．并儲存和傳送到主控站．用以確定衛星的軌道。2．主控站主控站一個，設在美國本土科羅拉多·斯平士(ColoradoSprings)的聯合空間執行中心CSOC。主控站除了協調和管理地面監控系統工作外，其主要任務是：(1)根據本站和其他監測站的所有觀測資料，推算編制各衛星的星歷、衛星鐘差和大氣層的修正參數等，并把這些數據傳送到注入站；(2)提供全球定位系統的時間基準。各測站和GPS衛星的原子鐘，均應與主控站的原子鐘同步，或測出其間的鐘差，井把這些鐘差信息編入導航電文，送到注入站；(3)調整偏離軌道的衛星，使之沿預定的軌道運行；(4)啟用備用衛星，以代替失效的工作衛星。3．注入站注入站現有三個，分別設在印度洋的迭哥加西亞(DiegoCarcia)、南大西洋的阿松森島(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設備包括一臺直徑為3．6m的天線，一臺C波段發射機和一臺計算機。其主要任務是在主控站的控制下將主控站推算和編制的衛星星歷、鐘差、導航電文和其他控制指令等，注入到相應衛星的存儲系統，并檢測注入星系的正確性。整個GPS的地面監控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現代化的通訊網絡聯系起來，在原子鐘和計算機的驅動和精確控制下，各項工作實現了高度的自動化和標準化。三、用戶設備部分GPS的空間部分和地面監控部分，是用戶應用該系統進行定位的基礎。根據GPs用戶的不同要求，所需的接收設備各異。隨著GPS定位技術的迅速發展和應用領域的日益擴大，許多國家都在積極研制、開發適用于不同要求的GPS接收機及相應的數據處理軟件。用戶設備主要由GPS接收機硬件和數據處理軟件，以及微處理機及其終端設備組成。而GPS接收機的硬件，一般包括主機、天線和電源，主要功能是接收GPS衛星發射的信號，以獲得必要的導航和定位信息及觀測量，并經簡單數據處理而實現實時導航和定位；GPS軟件部分是指各種后處理軟件包，其主要作用是對觀測數據進行精加工，以便獲得精密定位結果。根據GPS用戶不同的要求，GPS接收機也有許多不同的類型，一般可分為導航型、測量型和授時型。1.1.3GPS衛星信號GPS衛星發射的導航電文是一組不歸零制二進制編碼脈沖D(t)(稱為基帶信號)。其帶寬為△F=50Hz，傳遞速率50bit/s。為了有效地將該低碼率的導航電文發送給用戶，采用偽碼擴頻技術將基帶信號的頻帶從50Hz擴展到10.23MHz。這些導航電文是通過兩個載波頻率f1=1575.42MHz(L1載波),f2=1227.6MHz(L2載波)向地面發射。所以GPS衛星發射的信號就是將導航電文D(t)經過二級調制后的信號。第一級是將D(t)碼調制C/A碼和P碼，實現對D(t)的偽隨機碼擴頻。第二級是將它們的組合碼分別調制在上述兩個載波頻率上。在載波L2上只調制了一種偽碼(P碼)，而在載波L1上調制了兩種碼(P碼和C/A碼)，并且是采用正交調制方式調制的。1.1.4GPS定位原理 GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置[5]。如圖1-3所示，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其它數據可以確定以下四個方程式：圖1-3GPS定位原理示意圖上述四個方程式中待測點坐標x、y、z和Vt0為未知參數，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。di(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4到接收機之間的距離。△ti(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的信號到達接收機所經歷的時間。c為GPS信號的傳播速度（即光速）。四個方程式中各個參數意義如下：x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛星導航電文求得。Vti(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。Vt0為接收機的鐘差。由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vt0。1.1.5GPS定位誤差在利用GPS進行定位時，會受到各種各樣因素的影響。影響GPS定位精度的因素可分為以下四大類：（1）與GPS衛星有關的因素SA政策：美國政府從其國家利益出發，通過降低廣播星歷精度、在GPS基準信號中加入高頻抖動等方法，人為降低普通用戶利用GPS進行導航定位時的精度。衛星星歷誤差：在進行GPS定位時，計算在某時刻GPS衛星位置所需的衛星軌道參數是通過各種類型的星歷提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計算出的衛星位置都會與其真實位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。衛星鐘差：衛星鐘差是GPS衛星上所安裝的原子鐘的鐘面時與GPS標準時間之間的誤差。衛星信號發射天線相位中心偏差：衛星信號發射天線相位中心偏差是GPS衛星上信號發射天線的標稱相位中心與其真實相位中心之間的差異。（2）與傳播途徑有關的因素電離層延遲：由于地球周圍的電離層對電磁波的折射效應，使得GPS信號的傳播速度發生變化，這種變化稱為電離層延遲。電磁波所受電離層折射的影響與電磁波的頻率以及電磁波傳播途徑上電子總含量有關。對流層延遲：由于地球周圍的對流層對電磁波的折射效應，使得GPS信號的傳播速度發生變化，這種變化稱為對流層延遲。電磁波所受對流層折射的影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關。多路徑效應：由于接收機周圍環境的影響，使得接收機所接收到的衛星信號中還包含有各種反射和折射信號的影響，這就是所謂的多路徑效應。（3）與接收機有關的因素接收機鐘差：接收機鐘差是GPS接收機所使用的鐘的鐘面時與GPS標準時之間的差異。接收機天線相位中心偏差：接收機天線相位中心偏差是GPS接收機天線的標稱相位中心與其真實的相位中心之間的差異。接收機軟件和硬件造成的誤差:在進行GPS定位時，定位結果還會受到諸如處理與控制軟件和硬件等的影響。（4）其它GPS控制部分人為或計算機造成的影響:由于GPS控制部分的問題或用戶在進行數據處理時引入的誤差等。數據處理軟件的影響：數據處理軟件的算法不完善對定位結果的影響。1.1.6GPS應用前景 過去,GPS的應用大都集中在軍事領域，隨著時代發展，GPS現己廣泛應用于我們日常生活之中，如衛星導航系統、陸地交通運輸調度、監控與導航，以及具有GPS定位功能個人手機等。如今，GPS的應用領域主要有以下幾部分：資源調查、土地探測、調度與監控、導航與定位，其中,普遍看好汽車導航定位系統及個人手機定位系統市場。1.2通用分組無線業務——GPRS GPRS(GeneralPacketRadioService)即通用分組無線業務，它是在現有GSM網絡基礎上發展起來的分組交換系統，與因特網或企業網相連，向移動客戶提供豐富的數據業務。1.2.1GPRS發展概述通常將移動通信分為三代。第一代是模擬的無線網絡，第二代是數字通信包括GSM、CDMA等，第三代是分組型的移動業務，稱為3G。GPRS是介于第二代和第三代之間的一種技術，通常稱為2.5G，目前通過升級GSM網絡實現。可以稱之為2.5G，因為它是一個混合體，采用TDMA方式傳輸語音，采用分組的方式傳輸數據。1.2.2GPRS網絡結構 GPRS網絡是在現有GSM網絡中引入三種新的邏輯網絡實體，服務GPRS支持節點(SGSN)、網關GPRS支持節點(GGSN)以及分組控制單元(PCU)，使得用戶能夠在端到端分組方式下發送和接收數據。在使用中，控制器或電腦通過串行或無線方式連接到GPRS蜂窩電話上，GPRS蜂窩電話與GSM基站通信，但與電路交換式數據呼叫不同，GPRS分組是從基站發送GPRS服務支持節點(SGSN)，而不是通過移動交換中心(MSC)連接到語音網絡上。SGSN與GPRS網關支持節點(GGSN)進行通信，GGSN對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如因特網。來自因特網標識有移動地址的IP包，由GGSN接收，再轉發到SGSN，繼而傳送到移動臺上。其系統結構如圖1-4所示。圖1-4GPRS系統結構圖SGSN是GSM網絡結構中的一個節點，它與MSC處于網絡體系的同一層。SGSN通過幀中繼與BTS相連，是GSM網絡結構與移動臺之間的接口。SGSN的主要作用是記錄移動臺的當前位置信息，并且在移動臺和GGSN之間完成移動分組數據的發送和接收。GGSN通過基于IP協議的GPRS骨干網連接到SGSN，是連接GSM。網絡和外部分組交換網(如因特網和局域網)的網關，GGSN可以把GSM網中的GPRS分組數據包進行協議轉換，從而把這些分組數據包傳送到遠端的TCP/IP網絡;PCU負責管理分組分段和規劃、無線信道、傳輸錯誤檢測和自動重發、信道編碼方案、質量控制、功率控制等。 1.2.4GPRS業務特點 GPRS網為移動數據用戶主要提供突發性數據業務，能快速建立連接，無建鏈時延。GPRS特別適用于頻繁傳送小數據量的應用和非頻繁傳送大量數據。GPRS能提供的PTP（點對點）和PTM（點對多點）數據業務外，還能支持補充業務和短消息業務。

2硬件設計2.1硬件總體框架設計 硬件總體設計框架如圖2-1所示，主要由以下模塊組成：（1）嵌入式處理器模塊，（2）GPS模塊，（3）GPRS模塊，（4）LCD顯示模塊。圖2-1硬件總體設計示意圖GPS模塊和GPRS模塊均采用串行方式與處理器連接，但大多數處理器只提供一個標準的串行I/O接口，因此，在系統中設置了一個串口切換電路。當進行地理信息采集時，處理器與GPS模塊連接，GPRS模塊處于閑置狀態；當需要將收集到的地理信息發送到數據處理中心時，處理器與GPRS模塊連接，進行數據發送，而GPS模塊處于閑置狀態。此外，系統還為這些模塊設計了電源管理模塊，以根據不同模塊或者芯片的需要，提供相匹配的電源輸入。2.2嵌入式處理器的選擇 嵌入式處理器是嵌入式硬件系統中最核心，最關鍵的部分，應根據系統應用的要求、體積、成本等因素選擇合適的處理器。89C51系列單片機由先進CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲器全部支持12時鐘和6時鐘操作。P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分別包含128字節和256字節RAM、32條I/O口線、3個16位定時/計數器、6輸入4優先級嵌套中斷結構、1個串行I/O口（可用于多機通信、I/O擴展或全雙工UART）以及片內振蕩器和時鐘電路。此外，由于器件采用了靜態設計，可提供很寬的操作頻率范圍（頻率可降至0）。可實現兩個由軟件選擇的節電模式-空閑模式和掉電模式。空閑模式凍結CPU，但RAM、定時器、串口和中斷系統仍然工作。掉電模式保存RAM的內容，但是凍結振蕩器，導致所有其它的片內功能停止工作由于設計是靜態的，時鐘可停止而不會丟失用戶數據。運行可從時鐘停止處恢復。89C51主要性能如下：◆89C51核心處理單元4k字節FLASH（89C51X2）8k字節FLASH（89C52X2）16k字節FLASH（89C54X2）32k字節FLASH（89C58X2）128字節RAM（89C51X2）256字節RAM（89C52X2/54X2/58X2）布爾處理器全靜態操作◆12時鐘操作，可選6個時鐘（通過軟件或并行編程器）◆存儲器尋址范圍64K字節ROM和64K字節RAM◆電源控制模式時鐘可停止和恢復空閑模式掉電模式◆兩個工作頻率范圍6時鐘模式時為0到20MHz12時鐘模式時為0到33MHz◆LQFP,PLCC或DIP封裝◆擴展溫度范圍◆雙數據指針◆3個加密位◆4個中斷優先級◆6個中斷源◆4個8位I/O口◆全雙工增強型UART幀數據錯誤檢測自動地址識別◆3個16位定時/計數器T0，T1（標準80C51）和增加的T2（捕獲和比較）◆可編程時鐘輸出◆異步端口復位◆低EMI(禁止ALE以及6時鐘模式)◆掉電模式可通過外部中斷喚醒圖2-289C51的結構2.3GPS模塊選用的是由臺灣皇家數碼出品的GPS模塊，通訊方式是RS232（9600Bps），具有并行12通道，可同時跟蹤12顆衛星，定位精度高，體積小，功耗低，它還可以將衛星軌道參數、上次定位位置、時間及日期等數據保存在靜態存儲器中，以下是它的一些參數[4]：L1(1575.42MHz)接收頻率；工作溫度：-30°Cto+80°C；輸出資料格式：NMEA0183V3.0；啟動時間(TTFF)：熱啟動：8秒；溫啟動：35秒；冷啟動：55秒；定位準確度：StandardDev.:3米(大約)；MaximumDev.:10米(最多)；跟蹤敏感性:-153dBm；導航敏感性:-147.5dBm；捕獲敏感性:-136dBm；工作電壓：+3.3～+5V；功耗：跟蹤模式52mA；更新接收：每秒鐘(1pps)；外形體積尺寸：17.65×19.15×2.5mm。2.4GPRS模塊 選用的是BENQM22GPRS模塊，M22內置了嵌入式TCP/IP，可以支持數據業務的透明和非透明傳輸,用于實時性要求較高，數據量相對較大，傳輸速度相對較快的數據通信領域。它的通訊數據接口為UART，電平為TTL/CMOS電平，波特率為標稱的300—115200bps的自適應波特率，只要是這個區間的標稱波特率，模塊自動識別，無須用戶去干預，可以接成全串口或者半串口通訊。所謂的全串口，是指DB9的九條線都需要接上，所謂的半串口則只接RXD，TXD和GND就可以進行通訊，非常方便。2.5LCD顯示模塊2.5.1HG1286416圖形點陣液晶模塊介紹HG1286416是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/列驅動器及格128×64全點陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(16×16點陣)漢字。主要技術參數和性能：1)電源：VDD：+3V；模塊內自帶負壓，用于LCD的驅動電壓；2)顯示內容:128(列)×64(行)點；3)全屏幕點陣；4)七種指令；5)與CPU接口采用8位數據總線并行輸入輸出和8條控制線；6)占空比1/64；7)工作溫度：-10℃～+60℃，存儲溫度：-20℃～+70℃。2.5.2模塊主要硬件構成說明模塊硬件結構框圖如圖2-3所示。圖2-3結構框圖IC3為行驅動器。IC1，IC2為列驅動器。IC1，IC2，IC3含有以下主要功能器件。了解如下器件有利于對LCD模塊之編程。1.指令寄存器(IR)IR是用于寄存指令碼，與數據寄存器數據相對應。當D/I=0時，在E信號下降沿的作用下，指令碼寫入IR。2.數據寄存器(DR)DR是用于寄存數據的，與指令寄存器寄存指令相對應。當D/I==1時，在下降沿作用下，圖形顯示數據寫入DR，或在E信號高電平作用下由DR讀到DB7～DB0數據總線。DR和DDRAM之間的數據傳輸是模塊內部自動執行的。3.忙標志(BF)BF標志提供內部工作情況。BF=1表示模塊在內部操作，此時模塊不接受外部指令和數據。BF=0時，模塊為準備狀態，隨時可接受外部指令和數據。利用STATUSREAD指令，可以將BF讀到DB7總線，從檢驗模塊之工作狀態。4.顯示控制觸發器(DFF)此觸發器是用于模塊屏幕顯示開和關的控制。DFF=1為開顯示(DISPLAYOFF),DDRAM的內容就顯示在屏幕上，DFF=0為關顯示(DISPLAYOFF)。DDF的狀態是指令DISPLAYON/OFF和RST信號控制的。5.XY地址計數器XY地址計數器是一個9位計數器。高3位是X地址計數器，低6位為Y地址計數器，XY地址計數器實際上是作為DDRAM的地址指針，X地址計數器為DDRAM的頁指針，Y地址計數器為DDRAM的Y地址指針。X地址計數器是沒有記數功能的，只能用指令設置。Y地址計數器具有循環記數功能，各顯示數據寫入后，Y地址自動加1,Y地址指針從0到63。6.顯示數據RAM(DDRAM)DDRAM是存儲圖形顯示數據的。數據為1表示顯示選擇，數據為0表示顯示非選擇。DDRAM與地址和顯示位置的關系見DDRAM地址表。7.Z地址計數器Z地址計數器是一個6位計數器，此計數器具備循環記數功能，它是用于顯示行掃描同步。當一行掃描完成，此地址計數器自動加1,指向下一行掃描數據，RST復位后Z地址計數器為O。Z地址計數器可以用指令DISPLAYSTARTLINE預置。因此，顯示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的數據從哪一行開始顯示在屏幕的第一行。此模塊的DDRAM共64行，屏幕可以循環滾動顯示64行。2.5.3模塊的外部接口外部接口管腳功能表如表2-1所示，LCD電路原理圖如圖2-4。表2-1LCD管腳功能表管腳號管腳名稱LEVER管腳功能描述1VSS0電源地2VDD5.0V電源電壓3V05.0V-13V液晶顯示器驅動電壓4D/IH/LD/I=H表示DB7～DB0為顯示數據D/I=L表示DB7～DB0為顯示指令數據5R/WH/LR/W=HE=H數據被讀到DB7～DB0R/W=LE=HL數據被寫到IR或DR6EH/LR/W=LE信號下降沿鎖存DB7～DB0R/W=HE=HDDRAM數據讀到DB7～DB07DB0H/L數據線8DB1H/L數據線9DB2H/L數據線10DB3H/L數據線11DB4H/L數據線12DB5H/L數據線13DB6H/L數據線14DB7H/L數據線15CS1H/LH:選擇芯片(右半屏)信號16CS2H/LH:選擇芯片(左半屏)信號17RETH/L復位信號,低電平復位18VEE-10VLCD驅動負電壓19ELAC背光板電源20ELAC背光板電源圖2-4LCD顯示模塊電路圖2.6鍵盤模塊 設計3個按鍵，直接采用I/O口控制，采用軟件去抖動消除抖動的影響，如圖2-5所示。圖2-5按鍵電路圖2.7串口模塊 89C51輸出的是TTL電平，而RS-232C采用的是負邏輯，即邏輯“0”：+5V~+15V;邏輯“1”：-5V~-15V，若直接與TTL電平相連，將會燒壞TTL電路。為了匹配89C51的TTL電平和GPS模塊與GPRS模塊的RS-232C標準接口，采用MAX232進行電平轉換，如圖2-6所示。圖2-6串口電路圖2.8GPS數據存儲利用串行EEPROM（24C02）存儲采集到的數據。AT24C02有地址線A0～A2，串行數據引腳SDA，串行時鐘輸入引腳SCL，寫保護引腳WP等引腳，它采用IIC總線讀寫。其引腳較少，對組成的應用系統可以減少布線，提高可靠性。如圖2-7、2-8。各引腳的功能和意義如下：①VCC引腳，電源+5V。②GND引腳，地線。③SCL引腳，串行時鐘輸入端。在時鐘的正跳沿即上升沿時把資料寫入EEPROM；在時鐘的負跳沿即下降沿時把資料從EEPROM中讀出來。 圖2-724c02管腳圖④SDA引腳，串行數據I/O端，用于輸入和輸出串行數據。這個引腳是漏極開路的埠，故可以組成“線或”結構。⑤A0,A1,A2引腳，是芯片地址引腳。在型號不同時意義有些不同，但都要接固定電平。⑥WP引腳，寫保護端。這個端提供了硬件數據保護。當把WP接地時，允許芯片執行一般讀寫操作；當把WP接VCC時，則對芯片實施寫保護。圖2-824c02電路圖2.9語音模塊 采用ISD4002芯片，ISD系列芯片采用直接模擬存儲專利技術，把語音信號以原始的模擬形式直接存儲在片內EEPROM存儲器中，無需進行A/D轉換和壓縮處理等，從而減少了失真、大大提高了錄放音質量，并具有抗斷電、音質好、使用方便、可反復錄放、無需專用的語音開發工具、能隨意列改內容和耗電省等優點，很適合于現場錄放音系統。ISD系列芯片采用SPI(SerialPeripheral

Interface)串行外設接口或MSI(MicrowireserialInterface)微傳輸線串行接口，實現了主機對語音片靈活的尋址和控制。如圖2-9，為ISD4002芯片引腳圖。圖2-9ISD4002管腳圖采用功放集成電路LM386對ISD4002-輸出的語音信號進行放大。LM386是美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少，電壓增益內置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。LM386電路特性：靜態功耗低，約為4mA,可用于電池供電。工作電壓范圍寬，4-12Vor5-18V。外圍元件少。電壓增益可調，20-200。低失真度.圖2-10LM386管腳圖利用單片機AT89C51做為主控單元，用單片機的3個I/O口分別控制ISD4002的)SS器件選擇輸人(低電平有效);MOSI:串行數據輸人端(SCLK時鐘上升沿觸發):SCLK串行時鐘輸端。另外單片機上設置三個按鍵，結合系統需要可以作為錄音，刪除錄音，放音功能控制。由于整個系統使用的是+5V電源供電，而ISD4002的正常工作電壓為+3V，單獨給它配置一個+3V電壓十分不便，而且現在的電子產品講究的都是單電源供電。通過ISD4002的芯片數據手冊發現它的工作電流十分微小，功耗很低。于是，采用一個綠色的LED發光二極管（工作時壓降約2V）進行降壓，得到+3V電壓，為ISD4002提供工作電壓（工作狀態下實際測試為2.9V）。語音輸入部分電路：主要以三極管9013和駐極體傳聲器為核心，用PNP三極管構成集電極放大電路。接到ANAIN+端，錄音的音質最佳。語音輸出部分電路：輸出端選用音頻功率放大器LM386構成，增益設置為200，通過調節3號引腳處的電位器可以調節音量大小。（揚聲器采用0.5W/8歐姆）最大輸出功率約300mW左右(電源電壓為+5V時)。由于ISD4003系列器件的直接揚聲器驅動功率為12.5mW，其輸出信號經電阻衰減后再加到LM386的輸人端，否則電壓擺動會導致LM386失真。語音模塊電路圖如下：圖2-11語音模塊電路圖

3軟件設計3.1軟件總體框架設計 軟件模塊主要由GPS模塊，GPRS模塊，LCD顯示模塊，鍵盤模塊，串口通訊模塊，語音模塊等組成，如圖3-1所示。軟件模塊主要流程，如圖3-2所示。圖3-1系統層次方塊圖3.2GPS模塊軟件 該模塊主要負責接收GPS發送過來的導航定位信息，并對這些信息進行提取和解析，保存在全局變量GPS_DATA中，以供其他模塊使用。其GPS_DATA的數據結構定義如下：typedef struct{ Time_TYPE Time; //世界時間 Latitude_TYPE Latitude; //緯度 Longtitude_TYPE Longtitude;//經度 uint16 Altitude; //120to12.0meter//海拔高度 uint8 HDOP; //18to1.8//水平精度系數 uint8 VDOP; //18to1.8//垂直精度系數 uint8 StlUsed; //衛星個數 Stl_TYPE Satellite[MAXSATELLITE];//衛星狀態； uint16 Speed; //速度18to1.8Km/hr uint8 Status;//高4位表示數據是否有效,低4位表示所測量的}GPS_DATA_TYPE; //是3維或2維數據Time：用于保存時間，它的定義也是一個結構體Time_TYPE。Latitude：用于保存緯度，它的定義也是一個結構體Latitude_TYPE。Longtitude：用于保存經度，它的定義也是一個結構體Longtitude_TYPE。Altitude：用于保存海拔高度，它是一個16位整型，有符號，其單位是0.1米。HDOP：是水平精度系數。VDOP：是垂直精度系數。StlUsed：是衛星個數Satellite：是衛星狀態，共保存12個衛星的狀態，它的定義也是一個結構體Stl_TYPE。Speed：用于保存當前的移動速度，單位是0.1Km/hrStatus：是GPS所獲取的信息的當前狀態，高4位表示數據是否有效，0為錯誤數據，其它值為正確，低4位表示所測量的是3維或2維數據（海拔高度無效）。3為3維，2為2維。Time_TYPE是用來保存時間的，包括年月日。typedefstruct{uint8Day;uint8Mon;uint8Year;uint8Hour;uint8Min;uint8Sec;uint16ms;uint8Flag;//A正確;V錯誤}Time_TYPE;Time_TYPE結構里除了Flag，所有數據都是以10進制表示，所有的時間值都是以世界時的形式保存，在加上8個小時就是當前的北京時間。Flag用于表示當前的時間值是否正確。檢查Flag的值，如果等于‘A’表示數據正確，‘V’表示錯誤。Latitude_TYPE結構體:typedefstruct{charIndicator;uint8dd;uint8mm;uint16mmmm;}Latitude_TYPE;Indicator用于表示北緯（‘N’）或南緯（‘S’）,dd表示緯度的個位和十位，mm表示小數點后兩位，mmmm表示小數點后3～6位。Longtitude_TYPE結構體:typedefstruct{charIndicator;uint16ddd;uint8mm;uint16mmmm;}Longtitude_TYPE;Indicator用于表示東經（’E’）或西經（’W’）,ddd表示經度的個位、十位和百位，mm表示小數點后兩位，mmmm表示小數點后3～6位。Stl_TYPE結構體:typedefstruct{uint8ID;uint16AZnEL;//118degreesand79degreesto11879;uint8SNR;//satellitesignaldBHz}Stl_TYPE;ID表示衛星的ID編號，AznEL表示衛星所在的位置，緯度表示低兩位，經度表示高3位。SNR表示當前該衛星的信號強度。3.2.1GPS數據格式(NMEA-0183)GPS的通訊接口協議采用美國的NMEA（NvationalMarineElectronicAssociation）0183ASCII碼協議。NMEA-0183是一種航海，海運方面關于數字信號傳輸的標準，此標準定義了電子信號所需要的傳輸協議、傳輸數據時間。下面列舉一些常用的信息格式：位置信息（GGA）:$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF><1> UTC時間，hhmmss格式<2> 經度ddmmmmmm格式<3> 經度方向N或S<4> 緯度dddmmmmmm格式<5> 緯度方向E或W<6> GPS狀態批示，0-未定義；1-無差分定位信息；2-帶差分定位信息<7> 使用衛星號<8> 精度百分比<9> 海平面高度<10> 大地隨球面相對海平面的高度<11> 差分GPS信息<12> 差分站ID號GPSDOP和衛星活動:$GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh<CR><LF><1> 模式，M-手動，A-自動<2> 當前狀態，1-無定位信息，2-2D，3-3D<3> PRN號<4> 位置精度<5> 垂直精度<6> 水平精度當前GPS衛星狀態（GSV）:$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF><1> GSV語句的總數目<2> 當前GSV語句數目<3> 顯示衛星的總數目00~12<4> 衛星的PRV號星號<5> 衛星仰角<6> 衛星旋角<7> 信噪比語句共有兩條，每條最多包括4顆衛星的處所。每個衛星有4個數據，即<4>-星號；<5>-仰角；<6>-方位；<7>-信噪比；最簡特性（RMC）:$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF><1> 定位時UTC時間，hhmmss格式<2> 狀態，A——定位，V——導航<3> 經度ddmmmmmm格式<4> 經度方向N或S<5> 緯度dddmmmmmm格式<6> 緯度方向E或W<7> 速率<8> 方位（二維方向指向，相當于二維羅盤）<9> 當前UTC日期，ddmmyy格式<10> 太陽方位<11> 太陽方向3.2.2GPS數據接收與處理GPS接收機只要處于工作狀態，就會源源不斷地把接收并計算出來的GPS導航定位信息通過串口傳送過來。這些接收到的信息在沒有經過分類提取之前是無法加以利用的，必須通過程序將各個字段的信息從緩沖字節流中提取出來，將其轉換成有實際意義的、可供高層使用的定位信息數據。GPS發送過來的數據主要由幀，幀尾和幀內數據組成。根據數據幀的不同，幀頭也不相同，主要有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPGSV以及$GPRMC等，這些幀頭標識了后續幀內數據的組成結構，各幀均以回車符和換行符作為幀尾標識一幀的結束。通常，我們所關心的定位數據如經緯度、速度、時間等均可從$GPGGA幀中獲得。至于其他幾種幀格式，除了特殊用途外，平時并不常用。雖然接收機也在源源不斷地發送各種數據幀，但在處理時，通過對幀頭的判斷，只對包含所需數據的幀進行數據提取處理。由于幀內各數據段由逗號分割，因此，在處理緩存數據時，通過搜索ASCII碼$來判斷是否幀頭。在對幀頭的類別進行識別后，在通過對所經歷逗號個數的計算來判斷當前正在處理的是哪一種定位導航參數，并作出相應的處理。將所需的信息提取到內存后，還需作進一步的處理，因為從GPS接收機中獲得的時間信息為格林威治時間，還要在獲取時間上加上8小時才能得到北京時間。數據接收流程圖和數據處理流程圖如下所示：SKIPIF1<0圖3-2數據接收處理流程圖3.2.3GPS數據存儲利用24c02對接收到的GPS數據進行存儲。在程序開始時，先從24c02中讀取上一次關機時所存儲的數據，主要包括GPS的經緯度數據和ISD4002語音芯片的地址。I2C總線時需如下圖:圖3-3I2C總線圖 CPU寫數據到24C02的數據格式如下:圖3-424c02寫數據示意圖 CPU從24C02內讀數據格式如下:圖3-524c02讀數據示意圖S表起始條件,A表示應答響應,P表示停止條件.3.3GPRS模塊軟件 1）選擇短消息格式 短消息的格式通過發送AT+CMGF=n命令設置,n=0,選擇PUD格式；n=1，選擇純文本格式。執行命令成功后，模塊返回OK。PDU格式是默認的編碼方式，可以使用任何字符集，但是其編碼比較復雜；純文本格式雖然比較簡單，但足以滿足本系統發送數據的要求，因此，本系統選擇純文本格式。 2）發送短消息 在純文本格式下，發送AT+CMGS=“string”（string是發送目的手機的號碼），等模塊返回“>”符號后，發送短消息的內容，以“^Z”結束，模塊就開始發送短消息。發送成功，則模塊返回“+CMGS：<mr>[,<scts.]OK”；否則模塊返回ERROR。3.4LCD顯示模塊 LCD在使用之前經過初始化操作，將其初始化為圖形模式顯示，然后將由地圖轉換生成的圖形數據送給LCD。顯示的地圖如圖3-6所示，讀寫時序如圖所示。圖3-6LCD顯示的地圖讀寫時序：寫操作時序圖3-7LCD寫操作時序2.讀操作時序圖3-8LCD讀操作時序3.讀寫時序參數表表3-1LCD讀寫時序參數表名稱符號最小值典型值最大值單位E周期時間Tcyc1000nsE高電平寬度Pweh450nsE低電平寬度Pwel450nsE上升時間Tr25nsE下降時間Tf25ns地址建立時間Tas140ns地址保持時間Tah10ns數據建立時間Tdsw200ns數據延遲時間Tddr320ns寫數據保持時間Tdhw10ns讀數據保持時間Tdhw20ns3.5鍵盤模塊 鍵盤模塊要實現新增、刪除、確定、取消、翻頁等功能，由于直接采用61A板上的三個按鍵，所以，軟件上要實現鍵盤的分時復用。設61A板上的三個按鍵分別為k1,k2,k3,具體的按鍵功能定義如下：1）短按k1，進入添加站點狀態，此時，k2按鍵功能分別定義為確定,結束語音輸入。2）按k2，進入刪除站點狀態，此時，k3按鍵功能定義為翻頁，k1按鍵功能定義為確定。3）按k3，進入查詢站點狀態，此時，k3按鍵功能定義為翻頁，翻閱結束返回。具體按鍵處理的流程圖如圖3-9所示:SKIPIF1<0圖3-9鍵盤處理流程圖3.6串口通訊模塊串口通訊的參數為：波特率=9600，數據位=8位，停止位=1位，無奇偶校驗。下圖為向GPS和GPRS發送字符串命令的流程圖。在GPS串口數據接收時因為數據集中且數據量較多，所以不采用中斷方式接收，用查詢方式接手相關數據。3.7站點管理模塊3.7.1新增站點 將當前采集到的經緯度坐標添加到站點序列里，并更新flash存儲器里的站點數據。3.7.2刪除站點 將某一個站點的經緯度坐標從站點序列里刪除，更新每個站點的索引，并更新flash存儲器里的站點數據。3.7.3報站 每隔一秒鐘，就將當前采集到的經緯度坐標于站點序列里的進行比較，查看是否進入某個站點所在的區域，是則調用語音模塊報告該站點的信息。在進行經緯度坐標的比較時，先比較其經緯度的整數部分是否相同，相同則再比較其小數部分是否落入某個站點的區域內，不相同則跟下一個站點經緯度坐標進行比較。下圖是判斷是否進入某一個站點區域內的流程圖3-10。SKIPIF1<0圖3-10報站流程圖3.8語音模塊 ISD4002可以進行多段錄語音放操作，每一段稱為一個信息段，一個信息段由起始地址(在每次操作開始之前由信息起始指針(MSP)指定)、記錄數據和信息結束標志(EOM)組成。一個信息段占用一行或多行存儲空間，可以包含多個地址單元;一個地址單元最多只能作為一個獨立的段。因此1SD4002最多可以分為1200段。ISD4002存儲陣列中的每一行都可以獨立尋址。錄放操作都是從任一行的行首開始.可以一直持續到行尾，內部的行地址計數器加1指向下一行的起點。錄音時語音每一段結束后芯片自動設有段結束標志(EOM)，芯片錄滿后設有溢出標志(OVF)。按某一段的起始地址進行放音操作，遇到段結束標志(EOM)即自動停止放音，單片機收到段結束標志(EOM)就開始觸發下一段語音的起始地址，如此控制，就可以將很多、不同段的語音組合在一起成一句話放音出來，實現語音的自動組合。 命令字的高5位為操作碼，低11位為操作地址。狀態字的最高2位分別是溢出標志OVF和信息段末尾標志EOM，緊跟其后的是行地址計數器的值。ISD4000總共10條命令，由于篇幅所限，這里不一一列出。SPI端口的命令字和狀態字如圖3-11。根據下圖可設計出單片機控制程序，在主程序中完成一些初始化的工作及錄放結束工作，如ISD上電、掉電等，另外循環掃描鍵盤，檢查啟動鍵是否按下、根據錄放開關狀態跳轉到相應的子程序。圖3-12給出錄音