饒 云程 莉胡文雅劉忠成

（1.武漢工程大學電氣信息學院 武漢 430205）（2.武漢易思達科技有限公司 武漢 430205）

1 引言

隨著科技發(fā)展，衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)已逐步融入了我們的生活，為社會提供了極大的便利，正是由于衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、定位精度高、實時性好等優(yōu)點，其在多個領(lǐng)域得到了應用。以導航技術(shù)為基礎的各項應用在很大程度上提高了社會生產(chǎn)力，方便了人們的工作生活，對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重大意義。

本文采用廣播星歷的方式來實時獲取接收機的當前地理位置信息，解析報文數(shù)據(jù)，通過STM32單片機進行優(yōu)化處理后顯示在TFT屏上。接收并解析由GPS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理中心的一項重要任務，處理該任務的GPS定位模塊具備高可靠性（reliability）和高有效性（efficiency）。能夠正確高效地分析NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù)。本文將編程技術(shù)運用到NMEA0183協(xié)議的解析中，實現(xiàn)了一種高效穩(wěn)定、高精確度的解析方法。

2 工作原理

GPS模塊通過接受定位衛(wèi)星的廣播星歷計算出自己當前的位置速度等信息，然后將這些信息用NMEA0183協(xié)議封裝［6～7］，并通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心（通常為嵌入式系統(tǒng)）進行處理。

為了完成對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的提取和顯示，采用和芯星通的UM220定位芯片，并且選擇STM32F103RCT6為單片機主控芯片，配上TFT顯示屏幕顯示實時獲取到的衛(wèi)星定位信息。

CDT是和芯星通提供的一款搜星工具，能夠通過串口顯示GPS模塊搜到的衛(wèi)星個數(shù)和從衛(wèi)星的廣播星歷中獲取的地理位置信息，也可以通過ConsoleWindows配置GPS模塊的顯示數(shù)據(jù)的頻度和消息類別。

NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù)類別有十幾種，這些信息的作用分別是：$GPGLL：輸出大地坐標信息；$GPZDA：輸出UTC時間信息；$GPRMC：輸出GPS推薦的最短數(shù)據(jù)信息［4］等。

$GPRMC語句中包括經(jīng)緯度、速度、時間和磁偏角等字段，這些數(shù)據(jù)為導航定位應用提供了充分的信息，所以選擇GPRMC返回語句作為定位信息，下面是該語句的詳細語句定義信息。

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10〉，<11>，<12>

$GPRMC語句意義如表1所示。

表1 GPRMC語句意義

通過查看數(shù)據(jù)手冊知道$GPRMC的消息類別ClassID是4，配置$GPRMC的頻度為1，讓它每秒更新一次數(shù)據(jù)，其它的消息類別全部設置為0（關(guān)閉），語句格式為$CFGMSG，msgClass，msgID，rate，所以需要通過串口向GPS模塊輸入配置信息如圖1。

圖1 GPS配置信息

在Windows10系統(tǒng)下，通過USB轉(zhuǎn)串口線連接GPS模塊，通過CDT軟件配置GPS模塊的串口號和波特率等參數(shù)，電腦CDT軟件測試獲取到的地理信息結(jié)果如圖2。

圖2 CDT測試顯示圖

測試結(jié)果顯示通過串口配置GPS的定位信息能返回規(guī)則的$GPRMC，這樣就能每秒獲取$GPRMC報文信息，沒有其他的雜項，方便編程提取串口數(shù)組成員，顯示經(jīng)緯度、速度和UTC時間當重要參數(shù)信息。

3 總體設計

根據(jù)MMEA0183衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)協(xié)議和軟件測試結(jié)果，讓單片機串口接收衛(wèi)星定位芯片返回的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)協(xié)議解析成當前所處的地理信息，發(fā)送到TFT屏幕上顯示［8～11］。UM220的技術(shù)指標如表2所示。

表2 UM220的技術(shù)指標

整體設計結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，UM220定位芯片模塊通過天線獲取GPS衛(wèi)星定位信息，解算出當前經(jīng)緯度并通過串口返回到STM32單片機，通過編寫串口程序，依次從緩沖區(qū)提取數(shù)組成員，根據(jù)MMEA0183通信協(xié)議，解析到TFT屏幕上顯示［12～14］。

圖3 結(jié)構(gòu)框圖

4 硬件設計

定位模塊整體設計電路原理圖如圖4所示，采用上拉10K電阻的方式來設計定位芯片的復位電路，當按鍵S11按下時BDRST引腳電位由高電位跳變成低電位［15～17］。系統(tǒng)采用2.85V電源的有源天線，通過SMA接口連接UM220模塊的RF_IN和VCC_RF引腳，利用發(fā)光二極管做穩(wěn)壓二極管，將3.3V電壓穩(wěn)定到2.85V，給天線供電［18］。研究只使用了UM220模塊的RXD1、TXD1引腳，這兩個引腳上接入通過串口芯片連接到STM32單片機，復位電路通過S11按下時候BDRST電位由高向低跳變實現(xiàn)低電平復位［20～21］。

圖4 定位模塊電路原理圖

5 軟件設計

從串口調(diào)試助手分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，定位芯片模塊默認打開所有類別的數(shù)據(jù)上傳頻度，這樣會對單片機采集數(shù)據(jù)和分析單一的$GNRMC并提取相應的信息造成極大的干擾和代碼復雜度，基于單一變量原則，采用事先配置模塊信息的方式來初始化模塊，使它按照頻度為1的速率輸出單一的$GNRMC語句。配置好后采集數(shù)據(jù)分析［22］，例如：

$GPRMC，074529.82，A，2429.6717，N，11804.6973，E，12.623，32.122，010806，，W，A*08

從這條語句中可以得知當前的緯度是北緯24.296717、東經(jīng)118.046973，從串口緩沖數(shù)組中取數(shù)組成員［19～27］是緯度，［29］是南緯還是北緯，［31～40］是經(jīng)度，［42］是東經(jīng)還是西經(jīng)，整個的軟件設計流程圖如圖5。

STM32單片機開機上電后通過串口發(fā)送配置信息給UM220模塊，完成初始化工作，初始化成功后UM220會向單片機返回OK，然后就是規(guī)則的$GPRMC信息發(fā)送給單片機，通過編程實現(xiàn)單片機解析串口數(shù)組，把每個字段信息輸出到TFT顯示屏的指定位置。

圖5 軟件設計流程圖

6 結(jié)果測試

在不同的地點、時間和天氣環(huán)境下得到的測試結(jié)果分別做了5次仿真實驗，通過仿真結(jié)果可以很好的驗證本設計具有定位準確、性能穩(wěn)定的特點。

圖6 Matlab仿真圖

由圖可知，在配置GPS定位模塊只上報$GNRMC語句和不做任何處理，僅僅通過代碼編程去識別的方式進行對比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過配置處理后的定位數(shù)據(jù)顯示時間（晴天學校）要明顯低于不經(jīng)過處理的時間（陰雨天宿舍）。關(guān)于GPS定位應用研究的實物效果圖如圖7所示。

圖7 實物效果圖

7 結(jié)語

本文經(jīng)過軟件和硬件的電路設計，以及對衛(wèi)星通信報文分析，采用STM32單片機作為數(shù)據(jù)處理和顯示控制處理器，完成了對GPS衛(wèi)星定位模塊的初始化配置和對TFT屏的數(shù)據(jù)輸出顯示，針對過多的冗余定位信息進行了優(yōu)化，減小了顯示時間，達到了預期的實驗效果。