GPS定位信息显示系统毕业论文.docx
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GPS定位信息显示系统毕业论文
GPS定位信息显示系统毕业论文
第1章GPS简介及基本理论
1.1关于GPS的概述
GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositionSystem的字头缩写词（NAVSTAR/GPS）的简称。
它的含义是，利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球卫星定位系统。
现在国际上已经公认：
将这一全球定位系统简称：
GPS。
自古以来，人类就致力于定位和导航的研究工作。
1957年10月世界上第一颗卫星发射成功之后，利用卫星惊醒定位和导航的研究工作提到了议事日程。
1958年底，美国海军武器试验室委托霍布金斯大学应用物理实验室研究美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem—NNSS）。
这个系统中，卫星的轨道通过地极，所以又称为子午仪卫星导航系统（Transit）。
1964年1月用于北极星核潜艇的导航定位研究成功，并逐步用于各种军舰的导航定位。
1967年7月，经美国政府批准，对其广播星历解密，并提供民用，为远洋船舶导航和海上定位服务。
由此显示出了卫星定位的巨大潜力。
尽管子午仪卫星导航系统已得到广泛应用，并显示出巨大的优越性，但是，这系统再实际应用方面却存在十分严重的缺陷。
改系统是由5－6个卫星组成的导航网。
卫星运行高度较低（平均约1000km），运行周期为107分钟。
对同一个卫星每天通过次数最多为13次。
由于采用多普勒定位原理，一台接收机一般需要观测15次合格的卫星通过，才能达到±10M的单点定位精度，再全球围，它给出的定位信息只能是全天候的连续二维坐标——经度和纬度，不能给出高程。
这种系统，一方面由于所需的观测时间较长，不能给用户，尤其是高动态用户（如：
飞机、车辆等）提供实时和导航服务；另一方面，由于卫星导航较低，受大气影响严重，定位精度的提高受到限制，因而限制了高动态用户和高精度用户的使用。
对舰船而言，利用这个系统只能对惯性导航系统和其他无限电导航系统进行连续的精确修正，它的作用远不能满足全球实时定位
的要求。
鉴于子午仪卫星导航系统对潜艇和对水面船舶导航的可靠服务以及该系统存在的缺陷。
美国于60年代末着手研究新的卫星导航系统，以满足海陆空三军和民用不盟对导航越来越高的要求。
为此，美国海军提出了名为“Timation”的计划，该计划采用12－18颗卫星组成的全球定位网，卫星高度约10000Km，轨道呈圆形，周期为八小时，并与1967年5约31日和1969年9约30日分别发射了timation-1和Timation-2两颗试验卫星，与此同时，美国空军提出了名为“621-B”计划，它采用3－4个星群覆盖全球，每个星群由4－5颗卫星组成，中间一颗采用同步定点轨道，其余几颗采用周期为24小时倾斜轨道。
这两种计划的目标一致，即建立全球定位系统。
但两个计划的实施方案和容不同，各有优缺点。
考虑到两个计划的各自优缺点以及美国难于同时负担研制两套系统的庞大经费开支，1973年美国代理国防部长批准成立一个联合计划局，并在洛杉矶空军航天处设立办事机构。
在联合计划局的领导下，诞生了GPS方案。
这个方案是由24颗卫星组成的实用系统。
这些卫星分布在互成120。
的三个轨道平面杉，每个轨道平面平均分布8颗卫星。
这样，对于地球任何位置，均能同时观测到6－9颗卫星。
预计粗码定位经度为100m左右，精码定位经度为10m左右。
1978年，由于压缩国防预算，减少了对GPS计划的拨款，于是将实用系统的卫星数由24颗减为18颗，并调整了卫星配置。
18颗卫星分布在互成60。
的6个轨道面上，轨道倾角为55。
。
每个轨道面上布设3颗卫星，彼此相距120。
。
从一个轨道面的卫星到下一个轨道面的卫星之间错过40。
这样的卫星配置即使全部卫星正常工作，其平均可靠度仅为0.9969。
如果卫星发生故障，将使可靠性大大降低。
因此1990年初又对卫星配置进行了第三次修改。
最终的GPS方案是由21颗工作卫星和三颗在轨备用卫星。
卫星的轨道参数基本上与第二方案相同。
只是为了减少微型漂移，降低对所需轨道位置保持的要求，为卫星的高度提高了49km，即长半轴由26650km提高到了26609km。
这样，由每年调整一次卫星位置改为每七年调整一次。
GPS实施计划共分为三个阶段：
第一阶段：
为方案论证和初步设计阶段。
从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行了试验。
试验结果令人满意。
第二阶段:
为全面研制和试验阶段。
从1979年到1984年，又陆续发射了7颗式样卫星。
这一阶段称之为BlockI。
与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。
试验表明，GPS的定位经度远远超过设计标准。
利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到14m。
由此证明，GPS计划是成功的。
第三阶段：
为使用组网阶段。
1989年2月4日第一柯GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设极端。
这种工作卫星称为BlockII和BlockIIA卫星。
1.2GPS的组成
GPS包括下列三大部分：
GPS卫星（空间部分）、地面支撑系统（地面监控部分）、GPS接收机（用户部分）。
1.GPS卫星：
自1978年2月22日发射第一颗GPS试验卫星以后，到1985年10月9日发射最后一颗GPS试验卫星，共有11颗试验卫星在轨道上运行。
这些试验卫星称为blockI卫星。
现在只有四颗卫星仍在工作。
试验卫星是在加利福尼亚的登堡空军基地采用AtlasF火箭发射入轨的。
运行轨道呈近似圆形，长半轴26560km，倾角为64度，轨道高度约20000km。
这些卫星只分布在A，C两个轨道平面那，其目的是为了保证亚利桑那州的Yama试验基地能够获得最长的连续观测时间。
每颗卫星按下列方式编号：
（1）顺序编号按照GPS试验卫星发射时间的先后次序对卫星进行编号。
（2）根据GPS试验卫星发射时间的伪随机噪声码（PRN码）对卫星进行编号，在导航定位中，采用PRN编号，这一规则一直沿用至今。
（3）IRON编号：
IRON伪InterRangeOperationNumber的缩写，意思是部距离操作码。
IRON编号是美国和加拿大组成的北美空军指挥部给定的一种随机号，以此识别所选择的目标。
（4）NASN编号：
这是美国航天局在其文件中给GPS试验卫星的编号。
（5）国际识别号：
他的第一部分表示该卫星的发射年代，第二部分表示该发射卫星的序列号，字母A表示发射的有效负荷。
2.地面支撑系统：
在导航定位中，采用的是卫星后方交会原理。
因此必须首先知道卫星的位置，而位置是由卫星星历计算出来的。
地面支撑系统的功能就是观测卫星并计算其星历，编辑电文注入卫星，然后由卫星以广播星历的方式实时地传送给用户。
地面支撑系统包括1个主控站，3个注入站和5个监测站，如图1-1所示
图1-1地面监控系统方框图
3.用户接收机：
自从GPS全部建成以后，它将昼夜不停地发送导航定位信息，在地球地任何地方和任何时间实现实时定位。
这其中最终要地关键设备就是用户接收机。
近十几年，世界各国地企业公司和研所单位都相继研制各种类型地接收机。
据1998年1月出版地《GPSWORLD》统计，已有60多家企业生产出400多种型号地GPS接收机。
GPS接收机可以按照不同要求进行分类，如按编码信息分类，按接受地数据分类，按接收机通道分类、按照动态性能分类、按用途分类、按工作模式分类等。
但总起来说，可分为两大类：
导航型和测地型。
导航型接收机结构简单、体积小、耗电省、精度低、价钱便宜，一般采用单频C/A码伪距接受技术，定位经度为100m，用于航空、航海和陆地实时导航中：
现在发展地差分GPS技术，能使定位精度提高到1-3米，大大拓宽了应用围、有极少数接收机采用P码接受技术，使单点定位精度达到10m，这种接收机专为军用。
GPS接收机地种类虽然很多，但它的结构基本一致，分为天线单元和接受单元
两大部分，如图1-2所示：
图1-2GPS接收机基本结构
（1）天线单元：
它是由接受天线和前置放大器组成。
GPS接收机天线有：
定向天线、偶极子天线、微带天线、螺旋天线等。
对天线地性能要求是：
高增益，低噪声系数、大的动态围。
由于高性能场效应FET放大器地出现，现在多采用有源微带天线。
（2）接收单元：
1）通道单元：
它的主要功能是接收来自天线单元的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理过程，实现对GPS信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置的数据信息。
根据不同需要，可设计成6-12通道。
通道是由硬件和软件组成。
每个通道在某一时可跟踪一颗卫星。
当此卫星锁定后，便占据这一通道，直到此卫星信号失锁为止。
由于科学技术的反战，并行多通道接收机已经称为主趋势。
双通道和多路复用的接收机已经被淘汰。
在相关型接收机中，码延迟锁定环和载波相位锁定环是重要的部件。
a）码延迟锁定环（DLL）是将本地伪随机码与卫星的伪随机码对齐，实现卫星的
根中、锁定、识别和伪距测量。
b）载波相位锁定环（PLL）是利用本机的COSTAS环，将其载波相位与卫星载波相位锁定，藉以解调出导航电文，并进行载波相位测量。
2）计算和显示单元它的功能是：
a）工作开始的自检；
b）根据采集到的卫星星历，伪距观测量计算三维坐标和速度；
c）人机对话，按照输入航路点进行导航、输入卫星高度截止角、历元间隔、数据更新率、控制屏幕显示以及其他指令。
3）存储单元用于存储输入的各种数据，例如，初始化时间和坐标、导航点、星历、原始观测量等。
4）电源机装有专用锂电池（3v），专供接收机的时钟和RAM存储器保存星历和初始化数据用的，保证在关机时存储数据。
1.3GPS信号结构
GPS卫星信号包括三种信号分量：
载波、测距码和数据码。
时钟频率f0=10.23MH，利用频率综合器产生所需要的频率。
GPS信号的产生过程如图1-3所示：
图1-3GPS信号的产生
GPS工作所需的信号按如下图的方式进行合成，然后向全球发射，形成现在随时随地都能接收到信号。
对用户而言，最感兴趣的是测距码和数据流（导航电文）。
图1-4GPS信号构成图
第2章方案论证
2.1单片机的选择
2.1.1AT89C51
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本与MCS-51兼容。
1、4K字节可编程闪烁存储器
2、三级程序存储器锁定
3、128*8位部RAM
4、32可编程I/O线
5、两个16位定时器/计数器
6、5个中断源
7、可编程串行通道
8、低功耗的闲置和掉电模式
9、片振荡器和时钟电路
2.1.2AT8051
8051片有4kROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。
但是编的程序你无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代烧写，并是一次性的，今后芯片厂都不能改写其容。
一个8为微处理器CPU片数据存储器RAM和
特殊功能寄存器SFR片程序存储器ROM，两个定时/计时器T0,T1，可以作定时器，也可以用对外部脉冲进行计数。
四个8位可编程的并行I/O端口，每个端口既可作输入，也可作输出一个串行端口，用于数据的串行通信、中断控制系统读、部时钟电路。
在众多的8051系列单片机中，AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89xx做的编程器均带有这些功能。
显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。
再着，AT89C51、目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
AT89S51除了完全兼容8051外，还多了ISP编程和看门狗功能。
2.2显示器的选择
本次设计采用LED显示器。
LED显示器是单片机应用系统中常用的输出器件，它由若干个发光二极管组成，当二极管导通时，相应的部分发亮。
其优点为：
1、主动发光，一般产品亮度大于1cd/
高的可达10cd/
。
2、工作电压低，约为2V。
3、由于是正向偏置工作，因此性能稳定，工作温度围广，寿命长。
4、响应速度快。
5、尺寸小。
2.2.1LED动态显示扫描方式
LED动态显示扫描方式是将所有位的LED段选线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用，这样可以将电路简化，各位的共阴极或共阳极分别由相应的I/O口控制，从而实现各位的分时选通。
动态显示的实质是以牺牲CPU的时间来换取元件的减少，而且显示位数越多，占用CPU的时间越长。
2.2.2LED静态显示扫描方式
LED静态扫描方式是在显示器工作时，各位的共阴极（共阳极）连接在一起并接地（+5V），每位的段选线分别与一个8位的锁存器相连接，每个LED的显示字符一经确定，相应的锁存器输出将维持不变，直至显示下一个字符。
因此，静态显示器的输出亮度较高。
LED静态扫描方式的接口编程容易，但缺点是占用较多的口线。
如果使用锁存器接口，则有几位LED显示器就需要几个锁存器。
正因为如此在显示位数较多的情况下，不易使用静态扫描方式。
本次设计只使用6个LED显示器，显示位数不多，因此采用6片8位移位寄存
器串级使用的LED静态显示方式。
2.3GPS接收板的选择
GPS接收板在市场上种类较多，GARMIN公司的GPS25-LVS系列OEM接收板具有很高的性价比，能够满足各种导航和实时领域的需要。
GPS25-LVS系列接收板采用5V供电，置保护电池，RS232、TTL两种电平自动输出NEMA01832.0格式（ASCII字符型）语句，其主要性能特点如下：
并行12通道，可同时接收12颗卫星；
定位精度：
15m；
可接收实时差分信号用于精确定位，信号格式为RTCMSC-104，波特率自适应；
1PPS秒脉冲信号输出；
双串口（TTL）输出，波特率可由软件设置（9600–115200）；
工作环境温度：
-35℃-+85℃；
输入电压：
直流+5V；
功耗：
1W；
后备电源：
板置3V锂电池；
天线接口：
50ohm有源天线（5V）。
第3章硬件电路设计
本设计采用的硬件主要包括：
本文介绍使用GARMIN公司的GPS25-LVS系列OEM（OriginalEquipmentManufacturer）、AT89C51芯片、LED显示模块、操作按键以及电源部分。
其中，89C51芯片是系统中心控制单元，它具有全双工异步通信口，可与OEM板接口进行数据读取，处理和输出。
OEM板与单片机进行串口通信时，由于都采用TTL电平，故两者之间不需进行电平转换就可直接通信。
单片机在获得定位信息后，就可通过操作按键将定位信息显示在液晶显示模块上，其硬件电路框图如图3-1所示。
图3-1硬件电路框图
3.1单片机最小系统介绍
3.1.1所用单片机引脚介绍
本次设计所用主要芯片是89C51，如图3-2所示，现对各组成部分的情况介绍如下：
中央处理器，部数据存储器，部程序存储器，定时器，串行口，中断控制系统，及时钟电路等等。
信号引脚介绍：
图3-289C51引脚图
P0口：
P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过部强上拉输出1。
P1口：
P1口是带部上拉的双向I/O口向P1口写入1时P1口被部上拉为
高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为部上拉而输出电流。
P1口第2功能：
T2（P1。
0）定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出（见可编程输出）。
T2EX（P1。
1）定时/计数器2重装载控制。
P2口：
P2口是带部上拉的双向I/O口向P2口写入1时P2口被部上拉为高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P2口会因为部上拉而输出电流（见DC电气特性）在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址（MOVXDPTR）此时通过部强上拉传送1当使用8位寻址方式（MOVRi）访问外部数据存储器时，P2口发送P2特殊功能寄存器的容。
P3口：
P3口是带部上拉的双向I/O口向P3口写入1时P3口被部上拉为高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为部上拉而输出电流（见DC电气特性）P3口还具有以下特殊功能。
RXD（P3.0）：
串行输入口
TXD（P3.1）：
串行输出口
INT0（P3.2）：
外部中断0
INT1（P3.3）：
外部中断
T0（P3.4）：
定时器0外部输入
T1（P3.5）：
定时器1外部输入
WR（P3.6）：
外部数据存储器写信号
RD（P3.7）：
外部数据存储器读信号
ALE：
地址锁存使能在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节在正常情况ALE输出信号恒定为1/6振荡频率并可用作外部时钟或定时注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略ALE可以通过置位SFR的auxlilary0禁止置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。
PSEN：
程序存储使能当执行外部程序存储器代码时PSEN每个机器周期被激活两次在访问外部数据存储器时PSEN无效访问部程序存储器时PSEN无效。
EA：
当此脚为低电平时，对ROM的操作限定在外部程序存储器，而它为高电平时，则对ROM的读操作是从部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
XTAL1：
晶体1反相振荡放大器输入和部时钟发生电路输入。
XTAL2：
晶体2反相振荡放大器输出。
3.1.2复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。
在振荡器工作时将RST脚保持至少两个机器周期高电平12时钟模式为24个振荡器周期6时钟模式为12振荡器周期可实现复位为了保证上电复位的可靠RST保持高电平的时间至少为振荡器启动时间通常为几个毫秒再加上两个机器周期复位后振荡器以12时钟模式运行当已通过并行编程器设置为6时钟模式时除外。
单片机在RESET为高电平控制下，程序计数器（PC）和特殊功能寄存器的复位如表3－1所示。
单片机的复位并不影响芯片部RAM状态，只要RESET引脚保持高电平，单片机将循环复位。
在复位有效期间，ALE﹑PSEN将输出高电平。
表3-1复位后寄存器状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0—P3
0FFH
SCON
00H
IP
××000000B
SBUF
不定
IE
0×000000
PCON
0×××0000
本次设计复位电路，如下图3-3所示：
图3-3复位电路的设计
3.1.3时钟电路
时钟电路产生与单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。
而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间的关系。
在51芯片部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端引脚为XTAL2，在芯片的外部通过这两个脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成一个稳定的自激振荡器。
如下图3-4所示：
图3-4时钟电路的设计
部程序存振荡晶体可在1.2MHz~12MHz之间选择，电容值无严格要求，但在
电容值取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF~100pF之间取值，但在60pF~70pF时振荡器有较高的频率稳定性。
本设计选取晶振为12MHz，电容为30pH。
3.2显示电路
3.2.1LED显示器结构
LED显示器的结构及其段名如图3-5所示。
连同小数点在，一共是八个LED。
点亮适当的字段，能显示0～9的数字和某些字符和符号。
这种显示器有两种形式：
一种是发光二极管的阴极连在一起的共阴极显示器，另一种是阳极连在一起的共阳极显示器。
七段显示器的字符形状有些失真，能显示的字符数量较少，但控制简单，使用方便，故在数字显示和控制仪器中得到了广泛应用。
图3-5LED显示器管脚图
3.2.2LED显示器工作原理
点亮显示器的方法有静态和动态两种。
在设计中选用动态显示。
所谓动态显示，就是轮流点亮各位显示器，该方法只需一个八位段码输出口和一个八位扫描输出口（显示位数小于八位时），后者的作用是依次接通各位LED。
动态显示需要较大的驱动电流，故在输出口之后尚需加接驱动器。
显示器的亮度既同驱动电流有关，也同点亮时间与间隔时间的比例有关。
调整电流和时间参数，可实现亮度较高且较稳
定的显示。
将数据或字符转换成相应的七段代码，可采用硬件译码或软件译码的方法来实现。
用硬件译码电路实时性虽好，但电路复杂，成本较高。
在仪器仪表中通常采用简便易行的软件法进行译码即用软件查表将字符转换成七段代码，再输出至锁存器。
设计中就采用这种软件译码法，以减小本次设计的成本。
2.2.3LED显示器驱动电路
LED显示器的每一段发光二极管点亮时,通过的平均电流为10-20mA,如此大的电流无论是单片机的端口线,还是扩展的普通I/O口线,都无法直接提供,所以通常段选码端口和位选码端口都必须外加驱动器,再与LED块的段和位选引脚相连。
本设计中采用三极管构成驱动电路,利用三极管的放大作用驱动LED显示。
LED轮流显示实时事件、经度、纬度信息。
驱动电路如图3-6所示:
图3-6LED驱动电路
3.3GPS模块与处理器接口电路
GPS25-LVS系列OEM接收板采用12脚的接口，接口各引脚的功能如图3-7所示。
设计中使用了串口1或12脚的NMEA输出，串口1可用于PC机对OEM接收板进行参数设置，12脚NMEA输出用于单片机信息处理。
GPS25-LVS系列接收板输出的数据采用0183格式输出，数据代码为ASCII码字符，接收板可输出12句语句，其中包括时间信息，所以电路中不用增加时钟电路。
GPS25-LVS的引脚功能如下图所示：
图3-7GPS25—LVS板引脚接口功能
GPS25-LVS接收板与89C51的连接电路如图3-8所示：
图3-8GPS25-LVS接收板与89C51的连接电路
89C51的P2.7脚接GPS25-LVS的数据输出引脚NMEA，通过读取GPS接收板发送过来的数据获得时间、经度、纬度。
在单片机收到引脚NMEA的信息后，先判断是否为语句引导头“$”，然后再接收信息容；在接收到“*”字符ASCII码后，再接收二字节结束接收。
然后根据语句识别区分出信息类别，对收到的ASCII码进行处理显示。
GPS25-LVS的7脚需连接一
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