GPS數(shù)據(jù)采集分析課件

1、基于GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計時間：2012-08-02 09:58:50 來源：現(xiàn)代電子技術(shù) 作者：史曉影關(guān)鍵字：GPS   數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)      摘要：為了設(shè)計高精度、全天候、全天時的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了GPS技術(shù)實現(xiàn)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(diào)整為我國的標準，并將調(diào)整后的經(jīng)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(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換等工作，為事故定位、搜查救援等工作提供了技術(shù)依據(jù)。關(guān)鍵詞：GPS數(shù)據(jù)采集；

2、定位；數(shù)據(jù)處理；單片機    隨著科技的發(fā)展，移動技術(shù)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(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有測量精度高、速度快、用戶數(shù)量不限、抗干擾能力強等優(yōu)點。不僅用于軍事領(lǐng)域，還廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、野外探險等領(lǐng)域。本系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集精確度較高；采集到的位置可以控制在2 m范圍之內(nèi)，接收數(shù)據(jù)并處理的時間小于2 s，存精確度和實時性上要優(yōu)于其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計   

3、0;硬件系統(tǒng)中主要由主控制器、液晶顯示模塊和CPS射頻前端，數(shù)據(jù)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(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，將模擬中頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過串口傳入單片機，單片機接收的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過時差，坐標處理等操作，在通過LCD顯示出來。2 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)21 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(xié)議：1位開始位，8位

4、數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗。輸出數(shù)據(jù)采用的是ASC碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息。語句達十余種，其中定位語句$GPRMC其結(jié)構(gòu)為：    $GPRMC，<1><2>，<3><4>，<5><6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>*hh<CR><LF>    其中：    “GP”-交談識別符； &#

5、160;  “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(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容為：    1)定位點的協(xié)調(diào)世界時間(UTC)，hhmmss(時分秒)格式；    2)定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位；    3)定位點緯度，ddmmmmmmm(度分)格式；  

6、60; 4)緯度半球，N(北半球)或S(南半球)；    5)定位點經(jīng)度，dddmmmmmmm(度分)格式；    6)經(jīng)度半球，E(東經(jīng))或W(西經(jīng))；    7)地面速度，0000節(jié)9999節(jié)；    8)地面航向，0000度3599度；    9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式；    10)磁偏角，0000度180度；    11)磁偏角方向，E(東)或W(西)。22 G

7、PS數(shù)據(jù)接收    利用單片機的串行接口接收GPS傳送過來的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，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(zhuǎn)換，硬件電路圖如圖2所示。    GPS模塊輸出的是數(shù)據(jù)流，每秒鐘更新一次數(shù)據(jù)。必須要用單片機對其輸出的數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)進行提取，以方便用戶直接讀取。首先打開串口中斷服務(wù)子程序，開始接收數(shù)據(jù)，判斷其是否有“$”符號，然后根據(jù)逗號的個數(shù)進行判斷數(shù)據(jù)的類型，然后分別存儲時間、經(jīng)度、緯度、日期等信號，若接收到“n”則接收結(jié)束

8、。    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，435095221，N，1252406042，E，0000，0000，130507，0091，W*50    這是一條GPS定位數(shù)據(jù)信息語句，涵義是UTC時間為10時33分20秒，位置在北緯43度509522分，東經(jīng)125度240604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

9、10，地磁變化方向為西，校驗和為50H。根據(jù)接收的信息用單片機進行相應(yīng)的處理，就可以得到所需的信息了，信息處理過程見3節(jié)。3 對接收信息的處理    數(shù)據(jù)的處理主要包括兩個方面：    1)時間的處理    直接從衛(wèi)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(zhuǎn)換處理程序如下：   

10、     2)定位的處理    GPS接受的經(jīng)度、緯度等信息采用的是美國的84坐標系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)換成我國的54坐標系統(tǒng)。為便于描述設(shè)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(shù)m，n-大地坐標轉(zhuǎn)換到指教坐標需要使用的參數(shù)，則有：        4 結(jié)束語

11、60;   本系統(tǒng)討論了用單片機對GPS數(shù)據(jù)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(xiàn)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(wěn)定的特點，具有一定的使用價值。GPS模塊的數(shù)據(jù)格式對GPS模塊的數(shù)據(jù)處理本質(zhì)上還是串口通信程序設(shè)計，只是GPS模塊的輸出遵循固定的格式，通過字符串檢索查找即可從模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)中找出需要的數(shù)據(jù)，常用的GPS模塊大多采用NMEA-0183 協(xié)議。NMEA-0183 是美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association)所指

12、定的標準規(guī)格，這一標準制訂所有航海電子儀器間的通訊標準，其中包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通訊協(xié)議。以下是一組正常的GPS 數(shù)據(jù)$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,0000*35$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,*38$GPVTG,0.0,T,M,0.00,N,0.0,K*50下面分別對每組數(shù)據(jù)的含義進行分析。GPS 固定數(shù)據(jù)輸出語句($GPGGA)，這是一幀GPS 定位的主要數(shù)據(jù)，也是使用最廣的數(shù)據(jù)。為了便于理解，下面舉例

13、說明$GPGGA語句各部分的含義。例：$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,0000*35其標準格式為：$GPGGA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M，(10)，M，(11)，(12)hh(CR)(LF)各部分所對應(yīng)的含義為：(1) 定位UTC 時間：08 時20 分06 秒(2) 緯度(格式ddmm.mmmm:即dd 度，mm.mmmm 分)；(3) N/S(北緯或南緯)：北緯38 度52.9276 分；(4) 經(jīng)度(格式dddmm.mmmm：即ddd 度，mm.mmmm

14、 分)；(5) E/W(東經(jīng)或西經(jīng))：東經(jīng)115 度27.4283 分；(6) 質(zhì)量因子(0=沒有定位，1=實時GPS，2=差分GPS)：1=實時GPS；(7) 可使用的衛(wèi)星數(shù)(08)：可使用的衛(wèi)星數(shù)=08；(8) 水平精度因子(1.099.9)；水平精度因子=1.0；(9) 天線高程(海平面，9999.999999.9，單位：m)；天線高程=20.6m);(10) 大地橢球面相對海平面的高度(999.99999.9，單位：m):無;(11) 差分GPS 數(shù)據(jù)年齡，實時GPS 時無:無;(12) 差分基準站號(00001023)，實時GPS 時無:無;總和校驗域；hh 總和校驗數(shù):35(CR)

15、(LF)回車，換行。GPRMC（建議使用最小GPS 數(shù)據(jù)格式）$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,*38$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11><CR><LF>(1) 標準定位時間（UTC time）格式：時時分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）。(2) 定位狀態(tài)，A = 數(shù)據(jù)可用，V =

16、 數(shù)據(jù)不可用。(3) 緯度，格式：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）。(4) 緯度區(qū)分，北半球（N）或南半球（S）。(5) 經(jīng)度，格式：度度分分.分分分分。(6) 經(jīng)度區(qū)分，東（E）半球或西（W）半球。(7) 相對位移速度， 0.0 至1851.8 knots(8) 相對位移方向，000.0 至359.9 度。實際值。(9) 日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）。(10) 磁極變量，000.0 至180.0。(11) 度數(shù)。(12) Checksum.(檢查位)$GPVTG 地面速度信息例：$GPVTG,0.0,T,M,0.00,N,0.0,K*50字段0：$GPVTG，語句ID，表

17、明該語句為Track Made Good and Ground Speed（VTG）地面速度信息字段1：運動角度，000 - 359，（前導位數(shù)不足則補0）字段2：T=真北參照系字段3：運動角度，000 - 359，（前導位數(shù)不足則補0）字段4：M=磁北參照系字段5：水平運動速度（0.00）（前導位數(shù)不足則補0）字段6：N=節(jié)，Knots字段7：水平運動速度（0.00）（前導位數(shù)不足則補0）字段8：K=公里/時，km/h字段9：校驗值表 1 GPS模塊主要參數(shù)GPS模塊主要參數(shù)GPS芯片組SiRF Star III工作頻率L1, 1575.42 MHz粗捕獲碼 （C/A）率1.023

18、 MHz chip rate同時跟蹤通道數(shù)20靈敏度-159 dBm定位精度5m（2維均方根, 允許廣域差分系統(tǒng)）最小速度0.1 m/s時間精度1S（與GPS時間同步）默認坐標系1984年世界大地坐標系（WGS-84）重獲時間0.1S（平均值）熱啟動1S（平均值）溫啟動38S（平均值）冷啟動42S（平均值）最高工作海拔18km（60000feet）最大移動速率515m/S（1000knots）最大加速度4g最大急沖度20m/S3電源電壓5V±0.5V整機電流約60mA，不超過100mA整板外形61mm×49mm×17mmGPS芯片外形27.9mm×20m

19、m×2.9mm波特率9600bps數(shù)據(jù)輸出格式SiRF二進制格式或NMEA 0183 GGA, GSA, GSV, RMC,VTG,GLL數(shù)據(jù)輸出電平同時具備TTL電平和RS232電平數(shù)據(jù)輸出接口20pin插針（TTL電平）和DB9母座 （RS232電平）天線類型外置有源GPS天線（3.3V/5V電壓可選， 默認為3.3V）后備電池CR1220鋰電池，3V，不可充電工作溫度-40ºC至+85ºCGPS模塊的應(yīng)用程序設(shè)計GPS模塊的應(yīng)用程序設(shè)計主要分為兩部分，第一部分為串口的設(shè)置于數(shù)據(jù)讀取，第二部分為數(shù)據(jù)的分析和需要數(shù)據(jù)的提取。與其他的關(guān)于設(shè)備編

20、程的方法一樣，在Linux下，操作、控制串口也是通過操作起設(shè)備文件進行的。在Linux下，串口的設(shè)備文件是/dev/ttyS0或/dev/ttyS1等。因此要讀寫串口，我們首先要打開串口，然后根據(jù)GPS模塊的配置參數(shù)對串口的波特率、校驗、流控制等進行設(shè)置，這些參數(shù)設(shè)置均通過對termios結(jié)構(gòu)中c_cflag的配置實現(xiàn)，串口配置部分函數(shù)如下：int gps:set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop) struct termios newtio,oldtio; if ( tcgetattr( fd,&oldt

21、io) != 0) perror("SetupSerial 1"); return -1; bzero( &newtio, sizeof( newtio ) ); newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD; newtio.c_cflag &= CSIZE; switch( nBits ) case 7: newtio.c_cflag |= CS7; break; case 8: newtio.c_cflag |= CS8; break; switch( nEvent ) case 'O': /奇校驗 newtio.c_

22、cflag |= PARENB; newtio.c_cflag |= PARODD; newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP); break; case 'E': /偶校驗 newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP); newtio.c_cflag |= PARENB; newtio.c_cflag &= PARODD; break; case 'N': /無校驗 newtio.c_cflag &= PARENB; break; switch( nSpeed ) case 2400: cfse

23、tispeed(&newtio, B2400); cfsetospeed(&newtio, B2400); break; case 4800: cfsetispeed(&newtio, B4800); cfsetospeed(&newtio, B4800); break; case 9600: cfsetispeed(&newtio, B9600); cfsetospeed(&newtio, B9600); break; case 115200: cfsetispeed(&newtio, B115200); cfsetospeed(&am

24、p;newtio, B115200); break; default: cfsetispeed(&newtio, B9600); cfsetospeed(&newtio, B9600); break; if( nStop = 1 ) newtio.c_cflag &= CSTOPB; else if ( nStop = 2 ) newtio.c_cflag |= CSTOPB; newtio.c_ccVTIME = 0; newtio.c_ccVMIN = 0; tcflush(fd,TCIFLUSH); if(tcsetattr(fd,TCSANOW,&new

25、tio)!=0) qDebug()<<"com set error"<<endl; return -1; qDebug()<<"set done!"<<endl; return 0;在GPS數(shù)據(jù)的處理上首先將窗口數(shù)據(jù)存入一個字符串，接著通過對字符串數(shù)據(jù)的判斷來提取數(shù)據(jù)內(nèi)容，判斷分為兩步，首先判斷是什么類型的數(shù)據(jù)，在本程序的設(shè)計中需要讀取$GPRMC和$GPGGA兩組數(shù)據(jù)，因此首先判斷字符串GPS_BUF5是C還是A，由于數(shù)據(jù)是通過符號“，”進行隔開，因此通過查找“，”來確定數(shù)據(jù)位置。在實現(xiàn)上將得到逗號位置函

26、數(shù)單獨封裝調(diào)用，程序如下：/得到指定序號的逗號位置int gps:GetComma(int num,char *str) int i,j=0; int len=strlen(str); for(i=0;i<len;i+) if(stri=',') j+; if(j=num) return i+1; return 0;接下來根據(jù)數(shù)據(jù)格式，通過逗號位置，提取數(shù)據(jù)信息，程序如下：void gps:gps_parse() int tmp; char c; c = GPS_BUF5; if(c='C') /"GPRMC" GPS->D.hour =(GPS_BUF 7-'0')*10+(GPS_BUF 8-'0'); GPS->D.minute =(GPS_BUF 9-'0')*10+(GPS_BUF10-'0'); GPS->D.second =(GPS_BUF11-'0')*10+(GPS_BUF12-'0'); tmp = GetComma(9,GPS_BUF); GPS->D.day =(GPS_BUFtmp+0-'0')*10+(GPS_BUFtmp+1-'0'); G