基于PIC单片机和GPS接收模块的手持式GPS定位系统
1 引言
gps以其高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉吸引全世界许多用户。gps的广泛应用改变了人们的工作方式，提高工作效率，带来巨大的经济效益。这里提出一种基于em411gps接收模块和pic18f2550单片机的手持式gps定位系统设计方案。该系统采用点阵字符液晶屏显示接收gps卫星数据，并用sd卡记录所接收到的gps信息，从而实现gps数据导入电子地图。
2 nema协议简介
目前，gps采用nmea-0183协议做为发送和接收数据的标准，nmea-0183是美国国家海洋电子协会（nationalmarine electronics association）为统一海洋导航规范而制定的标准，该格式标准已成为国际通用的一种格式，协议内容在兼容nmea-180和nmea-0182的基础上。增加了gps、测深仪、罗经方位系统等多种设备接口和通讯协议定义，同时还允许一些特定厂商对其设备通信自定协议。nmea-0183格式数据串的所有数据都采用ascⅱ文本字符表示，数据传输以“$”开头，后面是语句头。语句头由5个字母组成。其前2个字母表示“系统id”，即表示该语句是属于何种系统或设备，例如gp表示该语句属于gps定位系统，hc表示该语句属于罗经方位系统; 后3个字母表示“语句id“，表示该语句是关于何方面的数据。语句头后是数据体，包含不同的数据体字段，语句末尾为校验码（可选），以回车换行符《cr》《lf》结束，也就是acsii字符 “回车”（十六进制的0d）和“换行”（十六进制的0a）。数据字段以逗号分隔识别，空字段保留逗号。在gps系统中常用语句有gpgga（gps定位信息），gpgsa（当前卫星信息），gpgsv（可见卫星信息），gprmc（推荐定位信息），gpgll（定位地理信息），gpvtg（地面速度信息） 等。gps数据传输是以标准异步串行方式发送，其串行通信波特率为4 800 b/s、数据位8位、停止位1位、无奇偶校验位。文献［2］给出各种gps语句的详细数据格式。
3 em411 gps接收模块简介
gps接收模块性能主要决定于其内部使用的gps核心芯片组，gps芯片组sirf star iii通过采用20万次/频率的相关器（correlators）提高了灵敏度并能在室内定位。冷开机/暖开机/热开机的时间分别达到42 s/38 s/1 s，可同时追踪20个卫星信道。
em411型gps接收模块采用sirf star iii高效能gps芯片组，其具有特点：极佳的灵敏度（追踪感度：-159 dbm）;讯号微弱时，ttff（time to first fix）定位仍十分迅速;支持nmea 0183语言格式：gga，gsa，gsv，rmc，gll，vtg;内建超大电容，可储存快速获取的卫星讯号数据;内建陶瓷天线;led指示灯显示卫星定位状况：led不亮时接收器关闭，led恒亮时未定位或搜寻讯号，led闪烁时已定位。此外，em411体积小巧，外形尺寸为30 mm×30 mm×10.5 mm，工作时供电电压为4.5～6.5 v，消耗电流为60 ma。对外提供6个引脚，使用时引脚1、5接地，引脚2接电源，引脚3为串口输出数据线，引脚4为串口输入数据线，引脚6悬空。
4 系统硬件设计
4.1 gps接收部分
图1为便携式gps接收机的gps接收部分的电路，由于该系统设计是手持式便携设备，所有器件选型都应考虑节省成本，节能。图1中，mcu选用 pic18f2520，它是采用纳瓦技术的低功耗8位单片机，具有一系列能在工作时显著降低功耗的功能，非常适合手持便携式设备使用。该器件内部具有32 k flash程序存储器，具备spi、uart、i2c等接口以及1o位a/d转换器，借助于内部pll倍频器，时钟速度可高达40 mhz;可通过其uart接口（引脚rc6和rc7）实现与em411 gps接收模块的通信，由于em411串口输出的最大电平为2.85 v，低于pic18f2520 uart端口所要求的最小驱动电平4 v，因此在pic18f2520和em411之间需增加由u2（74hct04）构成的ttl/rs232电平转换电路，否则pic18f2520将不能接收em411的定位信息。pic18f2520通过其spi接口（引脚rc0，rc3，rc4，rc5）与sd卡通信。sd卡对外提供两种访问模式：sd模式和spi模式。sd模式允许4线的高速数据传输。spi模式使用通用的spi接口，相比sd模式传输速率有所降低，使用spi。接口的优点是仅用4根数据线即可完成sd卡的读写。通信模式不同，sd卡引脚功能也不同。由于pic18f2520内部具有spi接口，本方案采用spi模式实现对 sd卡的访问，图1中cs（rc0）为mcu向卡发送的片选信号，sclk（rc3）为mcu向卡发送的时钟信号。sdi为mcu向卡发送的单向数据信号，sd0为卡向mcu发送的单向数据信号，此外所有的sd卡插座还具有cd与wp两个引脚，cd引脚是sd卡检测信号引脚，当有卡插人时，该引脚对地短路（在插座内部连接）。wp是写保护信号引脚，在卡插入且没有写保护时，该引脚对地短路（在插座内部连接）。
该系统设计采用20×4的点阵字符液晶显示器显示所接收的gps定位信息，液晶显示器设置于4 bit工作方式，mcu通过4根数据线以及使能引脚控制lcd的显示以节省mcui/o端口资源。该系统设置2个按键用于控制sd卡的数据存储。当sw1 键按下时，通过软件延时设定数据保存时间间隔，sw2键按下时，系统将接收到的gps定位信息写入sd卡。图1中，开关k2用于打开、关闭lcd背光电源：pic18f2520的ra端口资源暂未使用。可留待以后系统升级时使用，例如将电池输出的直流模拟电压信号输入到ra端口，利用 pic18f2520的10 bit a/d转换器将其转换为数字信号后。在lcd上显示电池电量，便于用户使用。
4.2 电源部分
便携式gps接收机采用两节aa型1.5 v电池供电，使用微功耗、高效率dc-dc变换器lt1300，将3 v电压转换为5 v以供电路使用，lt1300最低输入电压低至1.8 v，转换效率高达88%。当输入电压为2 v、输出电压为5 v时，lt1300的输出电流可达220 ma。lt1300采用8引脚soic封装，引脚1为信号地（gnd），引脚2为输出选择（sel），当其与输入电源相接时，输出5 v电压，当该引脚接地时则lt1300输出3.3 v电压。引脚3（shutdown）用于选择工作方式，该引脚接地时，lt1300为正常工作方式;当该引脚接高电平时，lt1300为掉电工作模式。引脚4（sense）是lt1300的输出端。其引脚5为限流，当该引脚接地时，其最大的开关电流为400 ma。lt1300的引脚6～8分别为电源输入、输出开关、电源地。图2为lt1300构成的gps接收机电源电路。图2中开关k1是gps接收机的总电源开关。由于gps接收机的主机部分使用5 v电压，因此lt1300的引脚2、引脚6与电池的正极相连，引脚3、引脚5、引脚1、引脚8接地。工作时引脚7需外接电感和二极管，其作用是当电池电量消耗过大时，lt1300内部的开关效应会引起电感l1上的电流交替增大，此时二极管vd1会将这部分能量转储到电容c4中，以提高lt1300的输出电压。该部分设计的二极管以及电感l1、电解电容c4参数选择均参考lt1300数据资料中推荐的型号和参数。需要注意的是，由于lt1300是高速、高电流器件，因此在pcb板布局时应尽量使电感l1靠近引脚7放置，走线应尽量短，并应将电源地与信号地相连以减少电路中的干扰噪声。
5 系统软件设计
图3为便携式gps接收机的主程序流程。首先是pic18f2520的初始化，主要包括通用i/o端口，uart，spi，以及lcd初始化，并在 lcd 上显示开机初始信息。接着pic18f2520开始接收从em411传送的gps定位信息，该系统设计的pic18f2520只接收gpsgga以及 gpsrmc语句信息并将保存接收到的信息。然后从中提取要显示在lcd上的信息，并将其写入预先定义的显示用缓存数组中再送往lcd显示。然后键盘扫描，如果有键按下则进行键盘中断程序的处理。当sw1键按下时，软件通过延时子程序设定一个固定的保存时间间隔。当sw2键按下时，软件执行sd卡驱动子程序，微芯公司提供了pic单片机使用的完整的sd卡驱动程序代码，可以方便地将gps定位信息以fat文件格式保存到sd卡中，并可在windows操作系统下打开这些文件。sd卡驱动子程序主要完成sd卡初始化、卡插入检测、写保护检测、 sd卡读/写命令的发送/接收、文件的更名、文件数据的传送等任务。文献［6］给出了微芯公司有关 pic单片机sd卡驱动程序的详细说明。
6 结束语
电路搭建好后，选择室外空旷地带、写字楼室内、繁华街道、汽车内等环境对便携式gps接收机进行测试，在室外、室内以及移动的汽车内该gps接收机均能很好的接收多颗卫星的gps定位信息，关闭lcd背光显示的情况下，可连续工作超过10 h。借助sd卡以及pc机可实现将接收到的gps数据导入到google earth等电子地图中。由en411 gps接收模块以及pic18f2520构成的手持式gps接收机具有电路简单、成本低、灵敏度高等优点，接收到的数据能以fat文件格式保存到sd卡中，具有较高的实用价值，该系统设计可广泛应用于野外作业、户外运动等领域。
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3 em411 gps接收模块简介
gps接收模块性能主要决定于其内部使用的gps核心芯片组，gps芯片组sirf star iii通过采用20万次/频率的相关器（correlators）提高了灵敏度并能在室内定位。冷开机/暖开机/热开机的时间分别达到42 s/38 s/1 s，可同时追踪20个卫星信道。
em411型gps接收模块采用sirf star iii高效能gps芯片组，其具有特点：极佳的灵敏度（追踪感度：-159 dbm）;讯号微弱时，ttff（time to first fix）定位仍十分迅速;支持nmea 0183语言格式：gga，gsa，gsv，rmc，gll，vtg;内建超大电容，可储存快速获取的卫星讯号数据;内建陶瓷天线;led指示灯显示卫星定位状况：led不亮时接收器关闭，led恒亮时未定位或搜寻讯号，led闪烁时已定位。此外，em411体积小巧，外形尺寸为30 mm×30 mm×10.5 mm，工作时供电电压为4.5～6.5 v，消耗电流为60 ma。对外提供6个引脚，使用时引脚1、5接地，引脚2接电源，引脚3为串口输出数据线，引脚4为串口输入数据线，引脚6悬空。
4 系统硬件设计
4.1 gps接收部分
图1为便携式gps接收机的gps接收部分的电路，由于该系统设计是手持式便携设备，所有器件选型都应考虑节省成本，节能。图1中，mcu选用 pic18f2520，它是采用纳瓦技术的低功耗8位单片机，具有一系列能在工作时显著降低功耗的功能，非常适合手持便携式设备使用。该器件内部具有32 k flash程序存储器，具备spi、uart、i2c等接口以及1o位a/d转换器，借助于内部pll倍频器，时钟速度可高达40 mhz;可通过其uart接口（引脚rc6和rc7）实现与em411 gps接收模块的通信，由于em411串口输出的最大电平为2.85 v，低于pic18f2520 uart端口所要求的最小驱动电平4 v，因此在pic18f2520和em411之间需增加由u2（74hct04）构成的ttl/rs232电平转换电路，否则pic18f2520将不能接收em411的定位信息。pic18f2520通过其spi接口（引脚rc0，rc3，rc4，rc5）与sd卡通信。sd卡对外提供两种访问模式：sd模式和spi模式。sd模式允许4线的高速数据传输。spi模式使用通用的spi接口，相比sd模式传输速率有所降低，使用spi。接口的优点是仅用4根数据线即可完成sd卡的读写。通信模式不同，sd卡引脚功能也不同。由于pic18f2520内部具有spi接口，本方案采用spi模式实现对 sd卡的访问，图1中cs（rc0）为mcu向卡发送的片选信号，sclk（rc3）为mcu向卡发送的时钟信号。sdi为mcu向卡发送的单向数据信号，sd0为卡向mcu发送的单向数据信号，此外所有的sd卡插座还具有cd与wp两个引脚，cd引脚是sd卡检测信号引脚，当有卡插人时，该引脚对地短路（在插座内部连接）。wp是写保护信号引脚，在卡插入且没有写保护时，该引脚对地短路（在插座内部连接）。
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4.2 电源部分
便携式gps接收机采用两节aa型1.5 v电池供电，使用微功耗、高效率dc-dc变换器lt1300，将3 v电压转换为5 v以供电路使用，lt1300最低输入电压低至1.8 v，转换效率高达88%。当输入电压为2 v、输出电压为5 v时，lt1300的输出电流可达220 ma。lt1300采用8引脚soic封装，引脚1为信号地（gnd），引脚2为输出选择（sel），当其与输入电源相接时，输出5 v电压，当该引脚接地时则lt1300输出3.3 v电压。引脚3（shutdown）用于选择工作方式，该引脚接地时，lt1300为正常工作方式;当该引脚接高电平时，lt1300为掉电工作模式。引脚4（sense）是lt1300的输出端。其引脚5为限流，当该引脚接地时，其最大的开关电流为400 ma。lt1300的引脚6～8分别为电源输入、输出开关、电源地。图2为lt1300构成的gps接收机电源电路。图2中开关k1是gps接收机的总电源开关。由于gps接收机的主机部分使用5 v电压，因此lt1300的引脚2、引脚6与电池的正极相连，引脚3、引脚5、引脚1、引脚8接地。工作时引脚7需外接电感和二极管，其作用是当电池电量消耗过大时，lt1300内部的开关效应会引起电感l1上的电流交替增大，此时二极管vd1会将这部分能量转储到电容c4中，以提高lt1300的输出电压。该部分设计的二极管以及电感l1、电解电容c4参数选择均参考lt1300数据资料中推荐的型号和参数。需要注意的是，由于lt1300是高速、高电流器件，因此在pcb板布局时应尽量使电感l1靠近引脚7放置，走线应尽量短，并应将电源地与信号地相连以减少电路中的干扰噪声。
5 系统软件设计
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6 结束语
电路搭建好后，选择室外空旷地带、写字楼室内、繁华街道、汽车内等环境对便携式gps接收机进行测试，在室外、室内以及移动的汽车内该gps接收机均能很好的接收多颗卫星的gps定位信息，关闭lcd背光显示的情况下，可连续工作超过10 h。借助sd卡以及pc机可实现将接收到的gps数据导入到google earth等电子地图中。由en411 gps接收模块以及pic18f2520构成的手持式gps接收机具有电路简单、成本低、灵敏度高等优点，接收到的数据能以fat文件格式保存到sd卡中，具有较高的实用价值，该系统设计可广泛应用于野外作业、户外运动等领域。
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