GPS全球定位系統(tǒng)應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)word格式

PAGEVGPS全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用摘要GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)），是一個(gè)全球性、全天候、全天時(shí)、高精度的導(dǎo)航定位和時(shí)間傳遞系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)(ITS)是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，它是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。其中，交通信息采集系統(tǒng)是最為基本、最重要的系統(tǒng)之一。它為交通管理、交通信息公眾發(fā)布等提供了大量的基礎(chǔ)交通信息，是其他交通管理系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文以GPS在智能交通系統(tǒng)(ITS)中的典型應(yīng)用為例，介紹了GPS系統(tǒng)的組成、定位原理、定位誤差以及GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)特點(diǎn)等，并以臺灣皇家數(shù)碼出品的GPS模塊作為地理信息數(shù)據(jù)采集載體，BENQM22GPRS模塊作為數(shù)據(jù)發(fā)送載體，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的交通信息資源采集系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)需要在確定的地理位置采集定位信息，如經(jīng)緯度信息，并標(biāo)記此地理位置，當(dāng)再次途徑此地理位置時(shí)，自動(dòng)用語音報(bào)告該地理位置信息，可對已采集的地理信息進(jìn)行人工編輯，包括刪除某一地理坐標(biāo)，在兩地理坐標(biāo)之間插入一新的地理坐標(biāo)，修改某地理坐標(biāo)的標(biāo)記，通過GPRS模塊將設(shè)備當(dāng)前所在的地理位置坐標(biāo)以短信的方式發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)處理中心，以作進(jìn)一步處理。文中對硬件和軟件的具體實(shí)現(xiàn)給予了深入探討，詳細(xì)分析了GPS輸出數(shù)據(jù)的通信標(biāo)準(zhǔn)及其數(shù)據(jù)幀的接收和參數(shù)提取的方法，最后對系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行了處理和分析并給出了系統(tǒng)的總結(jié)與展望。關(guān)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(chǔ)理論 21.1全球定位系統(tǒng)——GPS 21.1.1GPS發(fā)展概述 21.1.2GPS系統(tǒng)組成 21.1.3GPS衛(wèi)星信號 51.1.4GPS定位原理 51.1.5GPS定位誤差 61.1.6GPS應(yīng)用前景 71.2通用分組無線業(yè)務(wù)——GPRS 71.2.1GPRS發(fā)展概述 71.2.2GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 81.2.4GPRS業(yè)務(wù)特點(diǎn) 82硬件設(shè)計(jì) 92.1硬件總體框架設(shè)計(jì) 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(diǎn)陣液晶模塊介紹 122.5.2模塊主要硬件構(gòu)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(shù)據(jù)存儲 162.9語音模塊 173軟件設(shè)計(jì) 203.1軟件總體框架設(shè)計(jì) 203.2.1GPS數(shù)據(jù)格式(NMEA-0183) 223.2.2GPS數(shù)據(jù)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(diǎn)管理模塊 293.7.1新增站點(diǎn) 293.7.2刪除站點(diǎn) 303.7.3報(bào)站 303.8語音模塊 314軟硬件調(diào)試與測試結(jié)果 334.1軟硬件調(diào)試步驟 334.2軟硬件調(diào)試中遇到的問題 334.3測試結(jié)果 345總結(jié)與展望 35附錄 37致謝 39-PAGE40-前言隨著國內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和完善，許多城市相繼建立了各種類型的交通管理應(yīng)用系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)(ITS)無疑是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，它是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)[7]。當(dāng)前ITS的服務(wù)領(lǐng)域有：先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)、先進(jìn)的出行者信息系統(tǒng)、先進(jìn)的公共交通系統(tǒng)、先進(jìn)的車輛控制系統(tǒng)、營運(yùn)車輛調(diào)度管理系統(tǒng)等。其中，交通信息采集系統(tǒng)是最為基本、最重要的系統(tǒng)之一。它為交通管理、交通信息公眾發(fā)布等提供了大量的基礎(chǔ)交通信息，是其他交通管理系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)[6]。我國目前仍有少數(shù)地區(qū)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(cái)力。同時(shí)，人工采集所得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性往往較差，不能很好地反映道路交通實(shí)時(shí)狀況，基于此數(shù)據(jù)所做的道路交通規(guī)劃、管理方案具有一定的偏差，從而導(dǎo)致交通信息的綜合利用率不高，效能還有待進(jìn)一步挖掘。因此，需要建立一個(gè)快速，高效的交通信息資源采集系統(tǒng)。本文討論了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的GPS應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用GPS設(shè)備進(jìn)行交通地理信息數(shù)據(jù)采集，可存儲主要交通站點(diǎn)的地理位置信息，當(dāng)交通設(shè)備再次行進(jìn)到相應(yīng)站點(diǎn)時(shí)自動(dòng)報(bào)告站點(diǎn)信息，另外還通過GPRS網(wǎng)絡(luò)不間斷地將收集到的地理位置信息發(fā)往監(jiān)控中心，監(jiān)控調(diào)度中心可根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，或進(jìn)一步處理。

1基礎(chǔ)理論1.1全球定位系統(tǒng)——GPS 全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem）,簡稱GPS,是隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而建立起來的新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)。1.1.1GPS發(fā)展概述1958年12月，美國海軍和詹斯霍·普金斯(JohnsHopkins)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室為了給北極核潛艇提供全球?qū)Ш?，開始研制一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱之為美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，簡稱NNSS(navynavigationsatellitesystem)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星軌道通過地極，因此被稱為“子午(transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。1959年9月美國發(fā)射了第一顆試驗(yàn)性衛(wèi)星，經(jīng)過幾年試驗(yàn)，1964年該系統(tǒng)建成并投入使用。1967年美國政府宣布該系統(tǒng)解密并提供民用。雖然子午衛(wèi)星系統(tǒng)對導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義，但由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少(6顆工作衛(wèi)星)，運(yùn)行高度較低(平均約1000km)，從地面站觀測到衛(wèi)星的時(shí)間間隔也較長(平均約1．5小時(shí))，因而不能進(jìn)行三維連續(xù)導(dǎo)航。加上獲得一次導(dǎo)航解所需的時(shí)間較長，所以難以充分滿足軍事導(dǎo)航的需求。從大地測量學(xué)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(diǎn)定位精度3—5m，相對定位精度約為1m)，因此，該系統(tǒng)在大地測量學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)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(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航的需求，1973年美國國防部開始研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即為目前的“授時(shí)與測距導(dǎo)航系統(tǒng)／全球定位系統(tǒng)”(navigationsystemtimingandranging/globalpositioningsystem——NAVSTAR/GPS)，通常稱之為全球定位系統(tǒng)(GPS)。從該系統(tǒng)研制開始，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。GPS實(shí)施計(jì)劃共分三個(gè)階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)，從硬件和軟件上進(jìn)行試驗(yàn)。第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)，即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。1.1.2GPS系統(tǒng)組成 GPS系統(tǒng)主要由三大部分組成，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分所組成(圖1-1)： 圖1-1GPS系統(tǒng)的組成一、空間星座部分 全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座見圖1-2，由24（3顆備用衛(wèi)星）顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道上分布有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對地球赤道面的傾角為55°，各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°。在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交距相差30°。軌道平均高度約為20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時(shí)58分。因此，在同一觀測站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5個(gè)小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少為4顆，最多可達(dá)11顆。 GPS衛(wèi)星空間星座的分布保障了在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻至少有4顆衛(wèi)星被同時(shí)觀測，加上衛(wèi)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(xù)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。圖1-2全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座二、地面監(jiān)控部分GPS的地面監(jiān)控部分，目前由分布在全球的5個(gè)地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站和信息注入站。1．監(jiān)測站現(xiàn)有5個(gè)地面站均具有監(jiān)測站的功能。監(jiān)測站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)各一臺和若干環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測．以采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況。原子鐘提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而環(huán)境傳感器收集有關(guān)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。所有觀測資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理．并儲存和傳送到主控站．用以確定衛(wèi)星的軌道。2．主控站主控站一個(gè)，設(shè)在美國本土科羅拉多·斯平士(ColoradoSprings)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心CSOC。主控站除了協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)工作外，其主要任務(wù)是：(1)根據(jù)本站和其他監(jiān)測站的所有觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站；(2)提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)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(dǎo)航電文，送到注入站；(3)調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行；(4)啟用備用衛(wèi)星，以代替失效的工作衛(wèi)星。3．注入站注入站現(xiàn)有三個(gè)，分別設(shè)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(shè)備包括一臺直徑為3．6m的天線，一臺C波段發(fā)射機(jī)和一臺計(jì)算機(jī)。其主要任務(wù)是在主控站的控制下將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其他控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并檢測注入星系的正確性。整個(gè)GPS的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化的通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和精確控制下，各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。三、用戶設(shè)備部分GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的基礎(chǔ)。根據(jù)GPs用戶的不同要求，所需的接收設(shè)備各異。隨著GPS定位技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，許多國家都在積極研制、開發(fā)適用于不同要求的GPS接收機(jī)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。用戶設(shè)備主要由GPS接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件，以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成。而GPS接收機(jī)的硬件，一般包括主機(jī)、天線和電源，主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，并經(jīng)簡單數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)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(shù)據(jù)進(jìn)行精加工，以便獲得精密定位結(jié)果。根據(jù)GPS用戶不同的要求，GPS接收機(jī)也有許多不同的類型，一般可分為導(dǎo)航型、測量型和授時(shí)型。1.1.3GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文是一組不歸零制二進(jìn)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(dǎo)航電文發(fā)送給用戶，采用偽碼擴(kuò)頻技術(shù)將基帶信號的頻帶從50Hz擴(kuò)展到10.23MHz。這些導(dǎo)航電文是通過兩個(gè)載波頻率f1=1575.42MHz(L1載波),f2=1227.6MHz(L2載波)向地面發(fā)射。所以GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號就是將導(dǎo)航電文D(t)經(jīng)過二級調(diào)制后的信號。第一級是將D(t)碼調(diào)制C/A碼和P碼，實(shí)現(xiàn)對D(t)的偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻。第二級是將它們的組合碼分別調(diào)制在上述兩個(gè)載波頻率上。在載波L2上只調(diào)制了一種偽碼(P碼)，而在載波L1上調(diào)制了兩種碼(P碼和C/A碼)，并且是采用正交調(diào)制方式調(diào)制的。1.1.4GPS定位原理 GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點(diǎn)的位置[5]。如圖1-3所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式：圖1-3GPS定位原理示意圖上述四個(gè)方程式中待測點(diǎn)坐標(biāo)x、y、z和Vt0為未知參數(shù)，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。di(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。△ti(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。c為GPS信號的傳播速度（即光速）。四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：x、y、z為待測點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。Vti(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。Vt0為接收機(jī)的鐘差。由以上四個(gè)方程即可解算出待測點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)的鐘差Vt0。1.1.5GPS定位誤差在利用GPS進(jìn)行定位時(shí)，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(wèi)星有關(guān)的因素SA政策：美國政府從其國家利益出發(fā)，通過降低廣播星歷精度、在GPS基準(zhǔn)信號中加入高頻抖動(dòng)等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。衛(wèi)星星歷誤差：在進(jìn)行GPS定位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)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(jì)算出的衛(wèi)星位置都會與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。衛(wèi)星鐘差：衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差：衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。（2）與傳播途徑有關(guān)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(yīng)，使得GPS信號的傳播速度發(fā)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(guān)。對流層延遲：由于地球周圍的對流層對電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號的傳播速度發(fā)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(guān)。多路徑效應(yīng)：由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)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(yīng)。（3）與接收機(jī)有關(guān)的因素接收機(jī)鐘差：接收機(jī)鐘差是GPS接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異。接收機(jī)天線相位中心偏差：接收機(jī)天線相位中心偏差是GPS接收機(jī)天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)的相位中心之間的差異。接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差:在進(jìn)行GPS定位時(shí)，定位結(jié)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(jì)算機(jī)造成的影響:由于GPS控制部分的問題或用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)引入的誤差等。數(shù)據(jù)處理軟件的影響：數(shù)據(jù)處理軟件的算法不完善對定位結(jié)果的影響。1.1.6GPS應(yīng)用前景 過去,GPS的應(yīng)用大都集中在軍事領(lǐng)域，隨著時(shí)代發(fā)展，GPS現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于我們?nèi)粘Ｉ钪?，如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、陸地交通運(yùn)輸調(diào)度、監(jiān)控與導(dǎo)航，以及具有GPS定位功能個(gè)人手機(jī)等。如今，GPS的應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾部分：資源調(diào)查、土地探測、調(diào)度與監(jiān)控、導(dǎo)航與定位，其中,普遍看好汽車導(dǎo)航定位系統(tǒng)及個(gè)人手機(jī)定位系統(tǒng)市場。1.2通用分組無線業(yè)務(wù)——GPRS GPRS(GeneralPacketRadioService)即通用分組無線業(yè)務(wù)，它是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分組交換系統(tǒng)，與因特網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)相連，向移動(dòng)客戶提供豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。1.2.1GPRS發(fā)展概述通常將移動(dòng)通信分為三代。第一代是模擬的無線網(wǎng)絡(luò)，第二代是數(shù)字通信包括GSM、CDMA等，第三代是分組型的移動(dòng)業(yè)務(wù)，稱為3G。GPRS是介于第二代和第三代之間的一種技術(shù)，通常稱為2.5G，目前通過升級GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)?？梢苑Q之為2.5G，因?yàn)樗且粋€(gè)混合體，采用TDMA方式傳輸語音，采用分組的方式傳輸數(shù)據(jù)。1.2.2GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中引入三種新的邏輯網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(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(fā)送和接收數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)，而不是通過移動(dòng)交換中心(MSC)連接到語音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)進(jìn)行通信，GGSN對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如因特網(wǎng)。來自因特網(wǎng)標(biāo)識有移動(dòng)地址的IP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到移動(dòng)臺上。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。圖1-4GPRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖SGSN是GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它與MSC處于網(wǎng)絡(luò)體系的同一層。SGSN通過幀中繼與BTS相連，是GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與移動(dòng)臺之間的接口。SGSN的主要作用是記錄移動(dòng)臺的當(dāng)前位置信息，并且在移動(dòng)臺和GGSN之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN通過基于IP協(xié)議的GPRS骨干網(wǎng)連接到SGSN，是連接GSM。網(wǎng)絡(luò)和外部分組交換網(wǎng)(如因特網(wǎng)和局域網(wǎng))的網(wǎng)關(guān)，GGSN可以把GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠(yuǎn)端的TCP/IP網(wǎng)絡(luò);PCU負(fù)責(zé)管理分組分段和規(guī)劃、無線信道、傳輸錯(cuò)誤檢測和自動(dòng)重發(fā)、信道編碼方案、質(zhì)量控制、功率控制等。 1.2.4GPRS業(yè)務(wù)特點(diǎn) GPRS網(wǎng)為移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶主要提供突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能快速建立連接，無建鏈時(shí)延。GPRS特別適用于頻繁傳送小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用和非頻繁傳送大量數(shù)據(jù)。GPRS能提供的PTP（點(diǎn)對點(diǎn)）和PTM（點(diǎn)對多點(diǎn)）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)外，還能支持補(bǔ)充業(yè)務(wù)和短消息業(yè)務(wù)。

2硬件設(shè)計(jì)2.1硬件總體框架設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)處理器只提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行I/O接口，因此，在系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)串口切換電路。當(dāng)進(jìn)行地理信息采集時(shí)，處理器與GPS模塊連接，GPRS模塊處于閑置狀態(tài)；當(dāng)需要將收集到的地理信息發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心時(shí)，處理器與GPRS模塊連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，而GPS模塊處于閑置狀態(tài)。此外，系統(tǒng)還為這些模塊設(shè)計(jì)了電源管理模塊，以根據(jù)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(tǒng)中最核心，最關(guān)鍵的部分，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)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(jī)由先進(jìn)CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲器全部支持12時(shí)鐘和6時(shí)鐘操作。P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分別包含128字節(jié)和256字節(jié)RAM、32條I/O口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6輸入4優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)串行I/O口（可用于多機(jī)通信、I/O擴(kuò)展或全雙工UART）以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，可提供很寬的操作頻率范圍（頻率可降至0）?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式-空閑模式和掉電模式?？臻e模式凍結(jié)CPU，但RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作。掉電模式保存RAM的內(nèi)容，但是凍結(jié)振蕩器，導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的，時(shí)鐘可停止而不會丟失用戶數(shù)據(jù)。運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。89C51主要性能如下：◆89C51核心處理單元4k字節(jié)FLASH（89C51X2）8k字節(jié)FLASH（89C52X2）16k字節(jié)FLASH（89C54X2）32k字節(jié)FLASH（89C58X2）128字節(jié)RAM（89C51X2）256字節(jié)RAM（89C52X2/54X2/58X2）布爾處理器全靜態(tài)操作◆12時(shí)鐘操作，可選6個(gè)時(shí)鐘（通過軟件或并行編程器）◆存儲器尋址范圍64K字節(jié)ROM和64K字節(jié)RAM◆電源控制模式時(shí)鐘可停止和恢復(fù)空閑模式掉電模式◆兩個(gè)工作頻率范圍6時(shí)鐘模式時(shí)為0到20MHz12時(shí)鐘模式時(shí)為0到33MHz◆LQFP,PLCC或DIP封裝◆擴(kuò)展溫度范圍◆雙數(shù)據(jù)指針◆3個(gè)加密位◆4個(gè)中斷優(yōu)先級◆6個(gè)中斷源◆4個(gè)8位I/O口◆全雙工增強(qiáng)型UART幀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測自動(dòng)地址識別◆3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，T1（標(biāo)準(zhǔn)80C51）和增加的T2（捕獲和比較）◆可編程時(shí)鐘輸出◆異步端口復(fù)位◆低EMI(禁止ALE以及6時(shí)鐘模式)◆掉電模式可通過外部中斷喚醒圖2-289C51的結(jié)構(gòu)2.3GPS模塊選用的是由臺灣皇家數(shù)碼出品的GPS模塊，通訊方式是RS232（9600Bps），具有并行12通道，可同時(shí)跟蹤12顆衛(wèi)星，定位精度高，體積小，功耗低，它還可以將衛(wèi)星軌道參數(shù)、上次定位位置、時(shí)間及日期等數(shù)據(jù)保存在靜態(tài)存儲器中，以下是它的一些參數(shù)[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(dòng)時(shí)間(TTFF)：熱啟動(dòng)：8秒；溫啟動(dòng)：35秒；冷啟動(dòng)：55秒；定位準(zhǔn)確度：StandardDev.:3米(大約)；MaximumDev.:10米(最多)；跟蹤敏感性:-153dBm；導(dǎo)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(nèi)置了嵌入式TCP/IP，可以支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的透明和非透明傳輸,用于實(shí)時(shí)性要求較高，數(shù)據(jù)量相對較大，傳輸速度相對較快的數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域。它的通訊數(shù)據(jù)接口為UART，電平為TTL/CMOS電平，波特率為標(biāo)稱的300—115200bps的自適應(yīng)波特率，只要是這個(gè)區(qū)間的標(biāo)稱波特率，模塊自動(dòng)識別，無須用戶去干預(yù)，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(jìn)行通訊，非常方便。2.5LCD顯示模塊2.5.1HG1286416圖形點(diǎn)陣液晶模塊介紹HG1286416是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及格128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字。主要技術(shù)參數(shù)和性能：1)電源：VDD：+3V；模塊內(nèi)自帶負(fù)壓，用于LCD的驅(qū)動(dòng)電壓；2)顯示內(nèi)容:128(列)×64(行)點(diǎn)；3)全屏幕點(diǎn)陣；4)七種指令；5)與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)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(gòu)成說明模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。圖2-3結(jié)構(gòu)框圖IC3為行驅(qū)動(dòng)器。IC1，IC2為列驅(qū)動(dòng)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(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)相對應(yīng)。當(dāng)D/I=0時(shí)，在E信號下降沿的作用下，指令碼寫入IR。2.數(shù)據(jù)寄存器(DR)DR是用于寄存數(shù)據(jù)的，與指令寄存器寄存指令相對應(yīng)。當(dāng)D/I==1時(shí)，在下降沿作用下，圖形顯示數(shù)據(jù)寫入DR，或在E信號高電平作用下由DR讀到DB7～DB0數(shù)據(jù)總線。DR和DDRAM之間的數(shù)據(jù)傳輸是模塊內(nèi)部自動(dòng)執(zhí)行的。3.忙標(biāo)志(BF)BF標(biāo)志提供內(nèi)部工作情況。BF=1表示模塊在內(nèi)部操作，此時(shí)模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù)。BF=0時(shí)，模塊為準(zhǔn)備狀態(tài)，隨時(shí)可接受外部指令和數(shù)據(jù)。利用STATUSREAD指令，可以將BF讀到DB7總線，從檢驗(yàn)?zāi)K之工作狀態(tài)。4.顯示控制觸發(fā)器(DFF)此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。DFF=1為開顯示(DISPLAYOFF),DDRAM的內(nèi)容就顯示在屏幕上，DFF=0為關(guān)顯示(DISPLAYOFF)。DDF的狀態(tài)是指令DISPLAYON/OFF和RST信號控制的。5.XY地址計(jì)數(shù)器XY地址計(jì)數(shù)器是一個(gè)9位計(jì)數(shù)器。高3位是X地址計(jì)數(shù)器，低6位為Y地址計(jì)數(shù)器，XY地址計(jì)數(shù)器實(shí)際上是作為DDRAM的地址指針，X地址計(jì)數(shù)器為DDRAM的頁指針，Y地址計(jì)數(shù)器為DDRAM的Y地址指針。X地址計(jì)數(shù)器是沒有記數(shù)功能的，只能用指令設(shè)置。Y地址計(jì)數(shù)器具有循環(huán)記數(shù)功能，各顯示數(shù)據(jù)寫入后，Y地址自動(dòng)加1,Y地址指針從0到63。6.顯示數(shù)據(jù)RAM(DDRAM)DDRAM是存儲圖形顯示數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)為1表示顯示選擇，數(shù)據(jù)為0表示顯示非選擇。DDRAM與地址和顯示位置的關(guān)系見DDRAM地址表。7.Z地址計(jì)數(shù)器Z地址計(jì)數(shù)器是一個(gè)6位計(jì)數(shù)器，此計(jì)數(shù)器具備循環(huán)記數(shù)功能，它是用于顯示行掃描同步。當(dāng)一行掃描完成，此地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1,指向下一行掃描數(shù)據(jù)，RST復(fù)位后Z地址計(jì)數(shù)器為O。Z地址計(jì)數(shù)器可以用指令DISPLAYSTARTLINE預(yù)置。因此，顯示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的數(shù)據(jù)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(huán)滾動(dòng)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(qū)動(dòng)電壓4D/IH/LD/I=H表示DB7～DB0為顯示數(shù)據(jù)D/I=L表示DB7～DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=HE=H數(shù)據(jù)被讀到DB7～DB0R/W=LE=HL數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6EH/LR/W=LE信號下降沿鎖存DB7～DB0R/W=HE=HDDRAM數(shù)據(jù)讀到DB7～DB07DB0H/L數(shù)據(jù)線8DB1H/L數(shù)據(jù)線9DB2H/L數(shù)據(jù)線10DB3H/L數(shù)據(jù)線11DB4H/L數(shù)據(jù)線12DB5H/L數(shù)據(jù)線13DB6H/L數(shù)據(jù)線14DB7H/L數(shù)據(jù)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(fù)位信號,低電平復(fù)位18VEE-10VLCD驅(qū)動(dòng)負(fù)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(shè)計(jì)3個(gè)按鍵，直接采用I/O口控制，采用軟件去抖動(dòng)消除抖動(dòng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)接口，采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如圖2-6所示。圖2-6串口電路圖2.8GPS數(shù)據(jù)存儲利用串行EEPROM（24C02）存儲采集到的數(shù)據(jù)。AT24C02有地址線A0～A2，串行數(shù)據(jù)引腳SDA，串行時(shí)鐘輸入引腳SCL，寫保護(hù)引腳WP等引腳，它采用IIC總線讀寫。其引腳較少，對組成的應(yīng)用系統(tǒng)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(shí)鐘輸入端。在時(shí)鐘的正跳沿即上升沿時(shí)把資料寫入EEPROM；在時(shí)鐘的負(fù)跳沿即下降沿時(shí)把資料從EEPROM中讀出來。 圖2-724c02管腳圖④SDA引腳，串行數(shù)據(jù)I/O端，用于輸入和輸出串行數(shù)據(jù)。這個(gè)引腳是漏極開路的埠，故可以組成“線或”結(jié)構(gòu)。⑤A0,A1,A2引腳，是芯片地址引腳。在型號不同時(shí)意義有些不同，但都要接固定電平。⑥WP引腳，寫保護(hù)端。這個(gè)端提供了硬件數(shù)據(jù)保護(hù)。當(dāng)把WP接地時(shí)，允許芯片執(zhí)行一般讀寫操作；當(dāng)把WP接VCC時(shí)，則對芯片實(shí)施寫保護(hù)。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(shù)，把語音信號以原始的模擬形式直接存儲在片內(nèi)EEPROM存儲器中，無需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和壓縮處理等，從而減少了失真、大大提高了錄放音質(zhì)量，并具有抗斷電、音質(zhì)好、使用方便、可反復(fù)錄放、無需專用的語音開發(fā)工具、能隨意列改內(nèi)容和耗電省等優(yōu)點(diǎn)，很適合于現(xiàn)場錄放音系統(tǒng)。ISD系列芯片采用SPI(SerialPeripheral

Interface)串行外設(shè)接口或MSI(MicrowireserialInterface)微傳輸線串行接口，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)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(jìn)行放大。LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)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(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)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(tài)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(diào)，20-200。低失真度.圖2-10LM386管腳圖利用單片機(jī)AT89C51做為主控單元，用單片機(jī)的3個(gè)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(shù)據(jù)輸人端(SCLK時(shí)鐘上升沿觸發(fā)):SCLK串行時(shí)鐘輸端。另外單片機(jī)上設(shè)置三個(gè)按鍵，結(jié)合系統(tǒng)需要可以作為錄音，刪除錄音，放音功能控制。由于整個(gè)系統(tǒng)使用的是+5V電源供電，而ISD4002的正常工作電壓為+3V，單獨(dú)給它配置一個(gè)+3V電壓十分不便，而且現(xiàn)在的電子產(chǎn)品講究的都是單電源供電。通過ISD4002的芯片數(shù)據(jù)手冊發(fā)現(xiàn)它的工作電流十分微小，功耗很低。于是，采用一個(gè)綠色的LED發(fā)光二極管（工作時(shí)壓降約2V）進(jìn)行降壓，得到+3V電壓，為ISD4002提供工作電壓（工作狀態(tài)下實(shí)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(gòu)成集電極放大電路。接到ANAIN+端，錄音的音質(zhì)最佳。語音輸出部分電路：輸出端選用音頻功率放大器LM386構(gòu)成，增益設(shè)置為200，通過調(diào)節(jié)3號引腳處的電位器可以調(diào)節(jié)音量大小。（揚(yáng)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(shí))。由于ISD4003系列器件的直接揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功率為12.5mW，其輸出信號經(jīng)電阻衰減后再加到LM386的輸人端，否則電壓擺動(dòng)會導(dǎo)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(shè)計(jì)3.1軟件總體框架設(shè)計(jì) 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(tǒng)層次方塊圖3.2GPS模塊軟件 該模塊主要負(fù)責(zé)接收GPS發(fā)送過來的導(dǎo)航定位信息，并對這些信息進(jìn)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：typedef struct{ Time_TYPE Time; //世界時(shí)間 Latitude_TYPE Latitude; //緯度 Longtitude_TYPE Longtitude;//經(jīng)度 uint16 Altitude; //120to12.0meter//海拔高度 uint8 HDOP; //18to1.8//水平精度系數(shù) uint8 VDOP; //18to1.8//垂直精度系數(shù) uint8 StlUsed; //衛(wèi)星個(gè)數(shù) Stl_TYPE Satellite[MAXSATELLITE];//衛(wèi)星狀態(tài)； uint16 Speed; //速度18to1.8Km/hr uint8 Status;//高4位表示數(shù)據(jù)是否有效,低4位表示所測量的}GPS_DATA_TYPE; //是3維或2維數(shù)據(jù)Time：用于保存時(shí)間，它的定義也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體Time_TYPE。Latitude：用于保存緯度，它的定義也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體Latitude_TYPE。Longtitude：用于保存經(jīng)度，它的定義也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體Longtitude_TYPE。Altitude：用于保存海拔高度，它是一個(gè)16位整型，有符號，其單位是0.1米。HDOP：是水平精度系數(shù)。VDOP：是垂直精度系數(shù)。StlUsed：是衛(wèi)星個(gè)數(shù)Satellite：是衛(wèi)星狀態(tài)，共保存12個(gè)衛(wèi)星的狀態(tài)，它的定義也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體Stl_TYPE。Speed：用于保存當(dāng)前的移動(dòng)速度，單位是0.1Km/hrStatus：是GPS所獲取的信息的當(dāng)前狀態(tài)，高4位表示數(shù)據(jù)是否有效，0為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，其它值為正確，低4位表示所測量的是3維或2維數(shù)據(jù)（海拔高度無效）。3為3維，2為2維。Time_TYPE是用來保存時(shí)間的，包括年月日。typedefstruct{uint8Day;uint8Mon;uint8Year;uint8Hour;uint8Min;uint8Sec;uint16ms;uint8Flag;//A正確;V錯(cuò)誤}Time_TYPE;Time_TYPE結(jié)構(gòu)里除了Flag，所有數(shù)據(jù)都是以10進(jìn)制表示，所有的時(shí)間值都是以世界時(shí)的形式保存，在加上8個(gè)小時(shí)就是當(dāng)前的北京時(shí)間。Flag用于表示當(dāng)前的時(shí)間值是否正確。檢查Flag的值，如果等于‘A’表示數(shù)據(jù)正確，‘V’表示錯(cuò)誤。Latitude_TYPE結(jié)構(gòu)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(gè)位和十位，mm表示小數(shù)點(diǎn)后兩位，mmmm表示小數(shù)點(diǎn)后3～6位。Longtitude_TYPE結(jié)構(gòu)體:typedefstruct{charIndicator;uint16ddd;uint8mm;uint16mmmm;}Longtitude_TYPE;Indicator用于表示東經(jīng)（’E’）或西經(jīng)（’W’）,ddd表示經(jīng)度的個(gè)位、十位和百位，mm表示小數(shù)點(diǎn)后兩位，mmmm表示小數(shù)點(diǎn)后3～6位。Stl_TYPE結(jié)構(gòu)體:typedefstruct{uint8ID;uint16AZnEL;//118degreesand79degreesto11879;uint8SNR;//satellitesignaldBHz}Stl_TYPE;ID表示衛(wèi)星的ID編號，AznEL表示衛(wèi)星所在的位置，緯度表示低兩位，經(jīng)度表示高3位。SNR表示當(dāng)前該衛(wèi)星的信號強(qiáng)度。3.2.1GPS數(shù)據(jù)格式(NMEA-0183)GPS的通訊接口協(xié)議采用美國的NMEA（NvationalMarineElectronicAssociation）0183ASCII碼協(xié)議。NMEA-0183是一種航海，海運(yùn)方面關(guān)于數(shù)字信號傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)定義了電子信號所需要的傳輸協(xié)議、傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間。下面列舉一些常用的信息格式：位置信息（GGA）:$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF><1> UTC時(shí)間，hhmmss格式<2> 經(jīng)度ddmmmmmm格式<3> 經(jīng)度方向N或S<4> 緯度dddmmmmmm格式<5> 緯度方向E或W<6> GPS狀態(tài)批示，0-未定義；1-無差分定位信息；2-帶差分定位信息<7> 使用衛(wèi)星號<8> 精度百分比<9> 海平面高度<10> 大地隨球面相對海平面的高度<11> 差分GPS信息<12> 差分站ID號GPSDOP和衛(wèi)星活動(dòng):$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(dòng)，A-自動(dòng)<2> 當(dāng)前狀態(tài)，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(dāng)前GPS衛(wèi)星狀態(tài)（GSV）:$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF><1> GSV語句的總數(shù)目<2> 當(dāng)前GSV語句數(shù)目<3> 顯示衛(wèi)星的總數(shù)目00~12<4> 衛(wèi)星的PRV號星號<5> 衛(wèi)星仰角<6> 衛(wèi)星旋角<7> 信噪比語句共有兩條，每條最多包括4顆衛(wèi)星的處所。每個(gè)衛(wèi)星有4個(gè)數(shù)據(jù)，即<4>-星號；<5>-仰角；<6>-方位；<7>-信噪比；最簡特性（RMC）:$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF><1> 定位時(shí)UTC時(shí)間，hhmmss格式<2> 狀態(tài)，A——定位，V——導(dǎo)航<3> 經(jīng)度ddmmmmmm格式<4> 經(jīng)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(dāng)于二維羅盤）<9> 當(dāng)前UTC日期，ddmmyy格式<10> 太陽方位<11> 太陽方向3.2.2GPS數(shù)據(jù)接收與處理GPS接收機(jī)只要處于工作狀態(tài)，就會源源不斷地把接收并計(jì)算出來的GPS導(dǎo)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(jīng)過分類提取之前是無法加以利用的，必須通過程序?qū)⒏鱾€(gè)字段的信息從緩沖字節(jié)流中提取出來，將其轉(zhuǎn)換成有實(shí)際意義的、可供高層使用的定位信息數(shù)據(jù)。GPS發(fā)送過來的數(shù)據(jù)主要由幀，幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPGSV以及$GPRMC等，這些幀頭標(biāo)識了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各幀均以回車符和換行符作為幀尾標(biāo)識一幀的結(jié)束。通常，我們所關(guān)心的定位數(shù)據(jù)如經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等均可從$GPGGA幀中獲得。至于其他幾種幀格式，除了特殊用途外，平時(shí)并不常用。雖然接收機(jī)也在源源不斷地發(fā)送各種數(shù)據(jù)幀，但在處理時(shí)，通過對幀頭的判斷，只對包含所需數(shù)據(jù)的幀進(jìn)行數(shù)據(jù)提取處理。由于幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號分割，因此，在處理緩存數(shù)據(jù)時(shí)，通過搜索ASCII碼$來判斷是否幀頭。在對幀頭的類別進(jìn)行識別后，在通過對所經(jīng)歷逗號個(gè)數(shù)的計(jì)算來判斷當(dāng)前正在處理的是哪一種定位導(dǎo)航參數(shù)，并作出相應(yīng)的處理。將所需的信息提取到內(nèi)存后，還需作進(jìn)一步的處理，因?yàn)閺腉PS接收機(jī)中獲得的時(shí)間信息為格林威治時(shí)間，還要在獲取時(shí)間上加上8小時(shí)才能得到北京時(shí)間。數(shù)據(jù)接收流程圖和數(shù)據(jù)處理流程圖如下所示：SKIPIF1<0圖3-2數(shù)據(jù)接收處理流程圖3.2.3GPS數(shù)據(jù)存儲利用24c02對接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。在程序開始時(shí)，先從24c02中讀取上一次關(guān)機(jī)時(shí)所存儲的數(shù)據(jù)，主要包括GPS的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和ISD4002語音芯片的地址。I2C總線時(shí)需如下圖:圖3-3I2C總線圖 CPU寫數(shù)據(jù)到24C02的數(shù)據(jù)格式如下:圖3-424c02寫數(shù)據(jù)示意圖 CPU從24C02內(nèi)讀數(shù)據(jù)格式如下:圖3-524c02讀數(shù)據(jù)示意圖S表起始條件,A表示應(yīng)答響應(yīng),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(fā)送AT+CMGF=n命令設(shè)置,n=0,選擇PUD格式；n=1，選擇純文本格式。執(zhí)行命令成功后，模塊返回OK。PDU格式是默認(rèn)的編碼方式，可以使用任何字符集，但是其編碼比較復(fù)雜；純文本格式雖然比較簡單，但足以滿足本系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的要求，因此，本系統(tǒng)選擇純文本格式。 2）發(fā)送短消息 在純文本格式下，發(fā)送AT+CMGS=“string”（string是發(fā)送目的手機(jī)的號碼），等模塊返回“>”符號后，發(fā)送短消息的內(nèi)容，以“^Z”結(jié)束，模塊就開始發(fā)送短消息。發(fā)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(jīng)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(zhuǎn)換生成的圖形數(shù)據(jù)送給LCD。顯示的地圖如圖3-6所示，讀寫時(shí)序如圖所示。圖3-6LCD顯示的地圖讀寫時(shí)序：寫操作時(shí)序圖3-7LCD寫操作時(shí)序2.讀操作時(shí)序圖3-8LCD讀操作時(shí)序3.讀寫時(shí)序參數(shù)表表3-1LCD讀寫時(shí)序參數(shù)表名稱符號最小值典型值最大值單位E周期時(shí)間Tcyc1000nsE高電平寬度Pweh450nsE低電平寬度Pwel450nsE上升時(shí)間Tr25nsE下降時(shí)間Tf25ns地址建立時(shí)間Tas140ns地址保持時(shí)間Tah10ns數(shù)據(jù)建立時(shí)間Tdsw200ns數(shù)據(jù)延遲時(shí)間Tddr320ns寫數(shù)據(jù)保持時(shí)間Tdhw10ns讀數(shù)據(jù)保持時(shí)間Tdhw20ns3.5鍵盤模塊 鍵盤模塊要實(shí)現(xiàn)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(gè)按鍵，所以，軟件上要實(shí)現(xiàn)鍵盤的分時(shí)復(fù)用。設(shè)61A板上的三個(gè)按鍵分別為k1,k2,k3,具體的按鍵功能定義如下：1）短按k1，進(jìn)入添加站點(diǎn)狀態(tài)，此時(shí)，k2按鍵功能分別定義為確定,結(jié)束語音輸入。2）按k2，進(jìn)入刪除站點(diǎn)狀態(tài)，此時(shí)，k3按鍵功能定義為翻頁，k1按鍵功能定義為確定。3）按k3，進(jìn)入查詢站點(diǎn)狀態(tài)，此時(shí)，k3按鍵功能定義為翻頁，翻閱結(jié)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(shù)為：波特率=9600，數(shù)據(jù)位=8位，停止位=1位，無奇偶校驗(yàn)。下圖為向GPS和GPRS發(fā)送字符串命令的流程圖。在GPS串口數(shù)據(jù)接收時(shí)因?yàn)閿?shù)據(jù)集中且數(shù)據(jù)量較多，所以不采用中斷方式接收，用查詢方式接手相關(guān)數(shù)據(jù)。3.7站點(diǎn)管理模塊3.7.1新增站點(diǎn) 將當(dāng)前采集到的經(jīng)緯度坐標(biāo)添加到站點(diǎn)序列里，并更新flash存儲器里的站點(diǎn)數(shù)據(jù)。3.7.2刪除站點(diǎn) 將某一個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)從站點(diǎn)序列里刪除，更新每個(gè)站點(diǎn)的索引，并更新flash存儲器里的站點(diǎn)數(shù)據(jù)。3.7.3報(bào)站 每隔一秒鐘，就將當(dāng)前采集到的經(jīng)緯度坐標(biāo)于站點(diǎn)序列里的進(jìn)行比較，查看是否進(jìn)入某個(gè)站點(diǎn)所在的區(qū)域，是則調(diào)用語音模塊報(bào)告該站點(diǎn)的信息。在進(jìn)行經(jīng)緯度坐標(biāo)的比較時(shí)，先比較其經(jīng)緯度的整數(shù)部分是否相同，相同則再比較其小數(shù)部分是否落入某個(gè)站點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，不相同則跟下一個(gè)站點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行比較。下圖是判斷是否進(jìn)入某一個(gè)站點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的流程圖3-10。SKIPIF1<0圖3-10報(bào)站流程圖3.8語音模塊 ISD4002可以進(jìn)行多段錄語音放操作，每一段稱為一個(gè)信息段，一個(gè)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(shù)據(jù)和信息結(jié)束標(biāo)志(EOM)組成。一個(gè)信息段占用一行或多行存儲空間，可以包含多個(gè)地址單元;一個(gè)地址單元最多只能作為一個(gè)獨(dú)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(dú)立尋址。錄放操作都是從任一行的行首開始.可以一直持續(xù)到行尾，內(nèi)部的行地址計(jì)數(shù)器加1指向下一行的起點(diǎn)。錄音時(shí)語音每一段結(jié)束后芯片自動(dòng)設(shè)有段結(jié)束標(biāo)志(EOM)，芯片錄滿后設(shè)有溢出標(biāo)志(OVF)。按某一段的起始地址進(jìn)行放音操作，遇到段結(jié)束標(biāo)志(EOM)即自動(dòng)停止放音，單片機(jī)收到段結(jié)束標(biāo)志(EOM)就開始觸發(fā)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(shí)現(xiàn)語音的自動(dòng)組合。 命令字的高5位為操作碼，低11位為操作地址。狀態(tài)字的最高2位分別是溢出標(biāo)志OVF和信息段末尾標(biāo)志EOM，緊跟其后的是行地址計(jì)數(shù)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(tài)字如圖3-11。根據(jù)下圖可設(shè)計(jì)出單片機(jī)控制程序，在主程序中完成一些初始化的工作及錄放結(jié)束工作，如ISD上電、掉電等，另外循環(huán)掃描鍵盤，檢查啟動(dòng)鍵是否按下、根據(jù)錄放開關(guān)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序。圖3-12給出錄音