GPS全球定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)通信在手機(jī)中的應(yīng)用

1、 GPS 全球定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)通信在手機(jī)中的應(yīng)用周 峰(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215104【摘 要】文章介紹了GPS 系統(tǒng)在手機(jī)中的實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用,以及GPS 的數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵算法。 【關(guān)鍵詞】GPS;數(shù)據(jù)通信;NMEA 【中圖分類號(hào)】TN914.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1008-1151(201011-0038-02 (一引言 為了滿足軍事應(yīng)用和民間用戶提出的更高要求,美國(guó)于1973年開(kāi)始研制一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),叫做導(dǎo)航性全球定位系統(tǒng)(Navstar Global Positioning System,簡(jiǎn)稱GPS 系統(tǒng)或者導(dǎo)航星(Navstar 。 Navstar

2、是Navigation Satellite Timing and Ranging 的縮寫,其含義是用導(dǎo)航衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行計(jì)時(shí)和測(cè)距。1978年以來(lái),一些北大西洋公約組織的國(guó)家和澳大利亞也參加了GPS 計(jì)劃。 GPS 可以在全球范圍內(nèi),全天候?yàn)楹Ｉ?陸上,空中,空間的用戶連續(xù)地提供高精度的位置,速度和時(shí)間信息。并且有良好的抗干擾和保密性能。對(duì)導(dǎo)航定位,交通管制,大地測(cè)量。以及精密授時(shí)等均有重要的意義。美國(guó)把發(fā)展GPS 系統(tǒng)作為促進(jìn)整個(gè)無(wú)線電導(dǎo)航現(xiàn)代化的核心,把建成GPS 系統(tǒng)作為無(wú)線電導(dǎo)航領(lǐng)域進(jìn)入二十一世紀(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。 GPS 系統(tǒng)能在全球范圍內(nèi)提供高精度的位置,速度和時(shí)間信息,所以在軍事和民間方面應(yīng)

3、用非常廣泛。在我國(guó),GPS 的應(yīng)用得到的大量的發(fā)展,特別是在民用方面,這幾年,GPS 嵌入在便攜設(shè)備特別是手機(jī)中,由于其便攜性和手機(jī)系統(tǒng)的普及和快速發(fā)展,得到了大量的普及,本文也是在這樣的背景下產(chǎn)生的。(二GPS 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.GPS 方案選擇 GPS 系統(tǒng)最初定位于軍事、航空、航海等專業(yè)領(lǐng)域,但近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展,體積、功耗和成本都得到極大改善,同時(shí)也受到消費(fèi)者需求和政府法規(guī)的推動(dòng),GPS 系統(tǒng)在民用市場(chǎng)開(kāi)始顯山露水,已在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和手持設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。一臺(tái)GPS 設(shè)備關(guān)鍵的元件有天線、低噪音放大器(LNA、射頻接收轉(zhuǎn)換(RF Section、數(shù)字部分(也稱數(shù)字基帶,Digita

4、l Baseband、微處理器(Microprocessor、微處理器周邊外設(shè)(Processor Peripherals、輸入輸出和驅(qū)動(dòng)(I/OandDriver等幾個(gè)部分。芯片提供商也強(qiáng)手如云,包括SiRF、u-blox、Ti、AnalogDevices、NXP、高通、英飛凌、索尼、意法半導(dǎo)體、Trimble(天寶、Atmel、SiGe、u-Nav 等等。本文采用主流供應(yīng)商SiRF公司的芯片,下面就sirf公司的方案,進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹:SiRF 是GPS 芯片的龍頭供應(yīng)商,產(chǎn)品線完整,能夠提供完整的解決方案。該公司成立于1995 年,2001 年的銷售額為1500 萬(wàn)美元,2005 年增長(zhǎng)到1

5、6520 萬(wàn)美元,2006 年上半年則比2005 年同期增長(zhǎng)69%,預(yù)計(jì)2006年銷售額達(dá)到2.8 億美元,5 年間銷售額增長(zhǎng)近20 倍。代表產(chǎn)品:基于SiRFstarIII 架構(gòu)的芯片GSC3e/LP 與GSC3f/LP、GSC3LT 與GSC3LTf、GSC3LTi and GSC3Ltif,基于SiRF Instant 架構(gòu)的GSCi-5000。 基于SiRF starIII 架構(gòu)的新芯片組配備20 萬(wàn)個(gè)相關(guān)器等,具有-159dBm 頂尖的接收靈敏度和低功耗,為便攜式和無(wú)線產(chǎn)品制造商提供了低功耗的GPS 解決方案。針對(duì)不同的應(yīng)用,SiRF starIII 產(chǎn)品在尺寸、功耗、性能上做了不同

6、的優(yōu)化,帶有"f"標(biāo)號(hào)的產(chǎn)品集成了閃存。 這些新產(chǎn)品是SiRF 在2004 年2 月推出的"GSC3f"與"GSC3"的低功耗升級(jí)產(chǎn)品。圖1 sirf 芯片圖2.GPS 的體系結(jié)構(gòu)圖2 Sirf GPS 方案模塊圖Sirf GPS 多模引擎模塊如上圖所示,在手機(jī)應(yīng)用中,sirf GPS 模塊的協(xié)議棧是工作在基帶芯片上的,GPS 模組接受GPS 從基帶芯片接收的輔助信息,同時(shí)處理所有的信號(hào)信息并計(jì)算衛(wèi)星的相關(guān)信息,GPS 模組提供一組串口與基帶芯片通信,基帶芯片負(fù)責(zé)提供串口的通信協(xié)議和GPS通訊,接受定位數(shù)據(jù),發(fā)送命令給GPS 模塊并接

7、受響應(yīng)?！臼崭迦掌凇?010-08-13 【作者簡(jiǎn)介】周峰(1979-,蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師,從事電子、電路的教學(xué)和研究。(三GPS 的模塊電路設(shè)計(jì)圖3Sirf GPS模組主要控制電路接口其中:GPSRST:在module上電期間置低,最小300ms。GPSANT:天線信號(hào)輸入。GPSBS: GPS上電期間,置高則啟動(dòng),置低進(jìn)入download 模式。GPSTX,GPSRX:GPS串口通信。(四GPS的數(shù)據(jù)通信1.GPS的數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)格式所有的Sirf 方案的GPS的模組遵循NEMA-0183的標(biāo)準(zhǔn), 圖4 NMEA的基本數(shù)據(jù)的定義格式 圖5數(shù)據(jù)格式的詳細(xì)定義實(shí)例2.GPS 的數(shù)據(jù)算法流

8、程圖講解:首先啟動(dòng)GPS,判斷當(dāng)前GPS是否已經(jīng)啟動(dòng),如已經(jīng)啟動(dòng),則不執(zhí)行GPS啟動(dòng)程序,如果當(dāng)前GPS處于未啟動(dòng)狀態(tài),則執(zhí)行GPS上電控制程序,同時(shí)配置基帶芯片的串口通信協(xié)議, GPS上電后,串口便于數(shù)據(jù)輸出,從串口讀取數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)Buffer,讀入數(shù)據(jù)后,需要判斷GPS數(shù)據(jù)的有效性,進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷是否符合NMEA協(xié)議格式。判斷數(shù)據(jù)合法后,便可以進(jìn)行GPS的數(shù)據(jù)處理,讀取一條完整的定位數(shù)據(jù)包(以“$”開(kāi)頭,以0x0a結(jié)束,同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)包的頭判斷數(shù)據(jù)包的類型,根據(jù)不同的類型調(diào)用響應(yīng)的解析程序,解析出有效數(shù)據(jù),將有效數(shù)據(jù)上報(bào)給GPS的地圖等應(yīng)用使用。(五GPS在手機(jī)設(shè)計(jì)中的調(diào)試方法1.GPS在手機(jī)

9、設(shè)計(jì)中的調(diào)試分為硬件部分調(diào)試和軟件部分調(diào)試硬件部分的調(diào)試包括GPS上電時(shí)序是否正確,GPS電路部分的設(shè)計(jì)可以參考sirf公司提供的公共板設(shè)計(jì)圖,同時(shí)根據(jù)本機(jī)電路的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?。在電路設(shè)計(jì)完畢后就可以,可以編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的上電驅(qū)動(dòng)就可以進(jìn)行GPS啟動(dòng)的調(diào)試。通過(guò)示波器可以查看是否GPS的上電時(shí)序滿足要求,如不滿足可以適當(dāng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)上電時(shí)序滿足要求,GPS一般就能夠順利啟動(dòng),這是GPS的NMEA格式的數(shù)據(jù)就會(huì)從GPSmoule中通過(guò)串口發(fā)出,可以通過(guò)示波器查看GPSTX管腳的波形,以判斷是否有數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)GPS的上電時(shí)序和GPSTX管腳數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)輸出這兩個(gè)條件滿足,便可以進(jìn)入軟件部分

10、的調(diào)試。軟件部分的調(diào)試主要是GPS串口數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn),可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn),一種是自己編寫測(cè)試程序,從串口讀取數(shù)據(jù),解析后從LCD輸出,另外一種方法可以使用SIRF DEMO 軟件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢查,如下圖所示。建議在開(kāi)發(fā)過(guò)程中兩種方法都實(shí)現(xiàn),第一中方法方便快捷,同時(shí)是和驅(qū)動(dòng)程序緊密結(jié)合的。第二中方法在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候,需要引出GPSTX 和GPSRX管腳到手機(jī)的18Pin上,或者測(cè)試時(shí)臨時(shí)飛線到串口的connector 上。圖1GPS的數(shù)據(jù)通信軟件工具2.工廠測(cè)試步驟以及數(shù)據(jù)需求工廠測(cè)試以及檢驗(yàn)的步驟是保證GPS手機(jī)的質(zhì)量保證以及合格供應(yīng)的一個(gè)有效工具和步驟,GPS模塊因?yàn)槠鋺?yīng)用的重要性以及設(shè)計(jì)

11、的復(fù)雜性,因此其合格的測(cè)試流程,是質(zhì)量的重要保證。GPS的測(cè)試分室內(nèi)和室外兩種(主要是GPS的信號(hào)源來(lái)區(qū)分,室內(nèi)部分主要是使用GPS信號(hào)模擬發(fā)生器來(lái)發(fā)出固定信號(hào)強(qiáng)度和地理數(shù)據(jù)的GPS信號(hào),手機(jī)接受模擬GPS信號(hào),通過(guò)GPS接受到的信號(hào)來(lái)檢驗(yàn)GPS的性能。室外部分主要通過(guò)從外部引入實(shí)際的GPS信號(hào)(GPS在室內(nèi)無(wú)法接受到信號(hào),通過(guò)GPS設(shè)備接受信號(hào),來(lái)檢驗(yàn)GPS性能。下面是GPS 測(cè)試時(shí)的技術(shù)需求:針對(duì)GPS手機(jī)工廠測(cè)試的主要技術(shù)參數(shù)關(guān)機(jī)電流待機(jī)電流定位電流C/N0OQC測(cè)試需求 (下轉(zhuǎn)第37頁(yè) 圖3 錄/放音電路圖(三音符頻率1.音符頻率對(duì)應(yīng)不同的音調(diào),音符的頻率有所不同。同一音調(diào)下,各音符的

12、頻率值的數(shù)學(xué)關(guān)系是等比級(jí)數(shù)關(guān)系,公比為122=1.059463094。不同的音調(diào),音符的頻率見(jiàn)表1 所示。 表1 對(duì)應(yīng)不同音調(diào)的音符頻率表 由單片機(jī)的一個(gè)I/O 引腳輸出音符的脈沖信號(hào),通過(guò)TDA2030推動(dòng)喇叭,就能發(fā)出一個(gè)音符的聲音。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)來(lái)控制單片機(jī)的I/O 引腳輸出信號(hào)的變化頻率,實(shí)現(xiàn)音頻脈沖信號(hào)的頻率要求。系統(tǒng)中利用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,設(shè)它工作在方式1,定時(shí)中斷,控制P2.0引腳的輸出信號(hào)在定時(shí)時(shí)間一到就取反,就可以在P2.0的引腳輸出相應(yīng)的方波頻率信號(hào),改變計(jì)數(shù)初值就可以改變頻率。定時(shí)器的定時(shí)值為某一音頻的周期(1/頻率的1/2,定時(shí)時(shí)間到就將輸出脈沖取反

13、,就可在P2.0腳上得某一音頻的脈沖,根據(jù)音符節(jié)拍重復(fù)此過(guò)程,就可得到維持一定時(shí)間的某一音頻的脈沖,喇叭就能發(fā)出一段時(shí)間的一個(gè)音符的聲音。若一個(gè)音符的頻率為f 音(Hz,單片機(jī)系統(tǒng)的晶體振蕩器的振蕩頻率為fosc,則定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間=1/2f 音,定時(shí)器的初值為=216-(1/f 音/(12/fosc。設(shè)計(jì)程序時(shí),給各音符編碼,由編碼查表,得到要放音音符的定時(shí)器的初值,從而控制方波信號(hào)的頻率就可讓喇叭放出各音符的聲音。(四節(jié)拍的產(chǎn)生用作音樂(lè)盒時(shí),曲目中各音符的節(jié)拍用延時(shí)時(shí)間產(chǎn)生。例如,1拍=0.4s,1/4拍=0.1s,從此類推;假設(shè)1/4拍執(zhí)行一次延時(shí)程序,則1/2拍就執(zhí)行兩次延時(shí)程序,所以

14、只要求出1/4延時(shí)時(shí)間,其余的節(jié)拍就是它的倍數(shù)。由于不同的音樂(lè)每小節(jié)的拍數(shù)不同,可以適當(dāng)調(diào)節(jié)一個(gè)延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)度。用作演湊器時(shí),由敲擊鍵盤的時(shí)間來(lái)產(chǎn)生各音符的節(jié)拍。(五系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在主程序中進(jìn)行音樂(lè)演奏器的功能,當(dāng)按下外部中斷0的按鍵時(shí),單片機(jī)響應(yīng)中斷,在中斷服務(wù)程序中完成播放樂(lè)曲的功能。由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0、T1完成對(duì)音頻脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)的功能,時(shí)間一到,P2.0取反輸出,就獲得了對(duì)應(yīng)音符的特定頻率的方波信號(hào),通過(guò)TDA2030推動(dòng)喇叭,發(fā)出音符的聲音。主程序流程圖如圖4所示,外部中斷服務(wù)流程圖如圖5所示,定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。圖4 主程序流程圖 圖5 外部中斷服務(wù)流程圖 圖6

15、 定時(shí)器中斷服務(wù)程序系統(tǒng)利用單片機(jī)、TDA2030、ISD1760芯片,將傳統(tǒng)與當(dāng)代技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,完成了多功能的音樂(lè)演奏器的功能,還可對(duì)ISD1760芯片的功能加深應(yīng)用,使系統(tǒng)更具有更智能化的功能?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 韓志軍,沈晉源,王振源.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)-入門向?qū)c設(shè)計(jì)實(shí)例M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.(上接第39頁(yè) 耦合C/N 0真實(shí)信號(hào)定位(從室外引進(jìn)信號(hào) PQC 抽檢抽取一定比例的手機(jī)在外部開(kāi)放地帶實(shí)際測(cè)試定位能力 設(shè)備需求單通道GPS 信號(hào)模擬器 多通道GPS 信號(hào)模擬器 GPS 信號(hào)放大器 信號(hào)衰減器 屏蔽室(六結(jié)束語(yǔ)導(dǎo)航性全球定位系統(tǒng)GPS 其全球性、全能性、全天侯性的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速優(yōu)勢(shì)必然會(huì)在諸多領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國(guó)家,GPS 技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于交通運(yùn)輸和交通工程。目前,GPS 全球定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)通信在手機(jī)中的應(yīng)用還剛剛起步,隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和GPS 技術(shù)的應(yīng)用研究的逐步深入,其在手機(jī)中的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛