便携式地理信息采集仪的设计

　　摘 要：本文根据地理信息数据采集的需求，以单片机MSP430F149为核心，集成GPS模块、LCD模块，详细论述了便携式地理信息采集仪的设计，包括硬件方案和软件方案的设计。该系统可以分别记录并且存储各个需要采集点的地理位置信息，并且可以将采集到的信息传送到上位机，以便研究人员对采集到的数据信息进行分析研究。

　　关键词：单片机;GPS模块;LCD模块

　　0.引言

　　随着数字化社会的快速发展，地理位置信息的采集分析越来越重要，如何使数据的采集分析更加简便易行，是每个地理信息研究机构最关心的问题。地理位置信息数据的采集是地理分析研究机构的分析研究基础，但是以往的数据只限于人工采集，采集记录的数据与实际数据之间存在较大的误差，对数据的应用以及地理环境的分析等都会造成了很大的影响。便携式地理信息采集仪可以方便快捷地采集相应位置的地理信息，并且可以全天候工作，真实可靠地记录数据，从而可以避免人为误差。

　　1.地理信息采集仪的功能

　　为了真实有效的采集记录采样点的地理位置的信息，以便地理信息研究机构对采集数据的正确分析，便携式地理信息采集仪的功能如下：

　　1)信息采集功能

　　对需要测控采集的采样点的地理信息(如经度、维度、海拔等)能进行准确无误的采集。

　　2)数据存储功能

　　每个地理位置采集点的地理信息一对一记录保存，以便工作人员分析各采集点的地理位置信息。

　　3)数据传输功能

　　地理信息采集仪可以将各个位置采集点的采集到的数据通过RS232传输给上位机。

　　2.系统硬件设计

　　系统以单片机MSP430F149为核心控制器[1]，集成GPS模块、LCD显示模块、串行存储器模块、RS232接口模块和电源管理模块。系统框图见图1。

　　图1系统框图

　　Fig.1Systemdiagram

　　2.1单片机单元

　　系统采用TI公司的MSP430F149单片机作为核心控制器[2]，此款单片机具有16位的CPU集成寄存器和常数发生器，可使单片机实现最大化的代码效率;集成JTAG，支持在线编程;两个通用全双工串行同步/异步通信接口;6个8位I/O口;外部中断输入接口。单片机串口0负责接收GPS模块输出的数据信息，分析并且提取接收到的有效地理信息数据，一方面送到LCD显示模块显示，同时进行数据存储，并且可以将存储的数据传输给计算机。

　　2.2GPS模块

　　2.2.1GPS概述

　　GPS(GlobalPositioningSystem)是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。它是目前世界上精度高的一种导航系统，已被广泛用于军事、经济、地理信息测控及其他领域。GPS定位系统由以下三个部分组成：

　　(1)GPS卫星星座(空间部分)：24颗卫星(其中三颗备用)，分布在6个轨道平面上，每个轨道面均匀布设4颗卫星，从而保障了地球上任何地点和时刻都能观察到4颗卫星。它能发射L1和L2波段的信号。

　　(2)地面监控系统(地面控制部分)：中央控制系统，跟踪卫星定轨，用来监测卫星的状态，对卫星轨道信息进行修正。

　　(3)GPS信号接收机(用户设备部分)：接收设备，主要由天线、电源、数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。其基本结构是天线单元和接收单元，天线单元主要作用是捕获、跟踪卫星，接收GPS卫星发射的信号。接收单元主要作用是记录GPS信号，对信号进行滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，以获得有用的定位信息。

　　2.2.2GPS模块介绍

　　图2系统结构图

　　Fig.2Systemdiagram

　　GPS采用GS-87模块[3]，它是一个高效能、低功耗的智能型卫星接收模块或称作卫星接收引擎，它采用美国瑟孚SiRFstarIII公司所设计的第三代卫星定位接收芯片，是一个完整的卫星定位接收器具备全方位功能。其系统结构如图2，GPSAntenna(GPS天线)接收卫星信号，将微弱的电磁波能转化为相应电流。电流经过LNA(低噪音放大器)被放大，在通过filter滤波器将其变频处理，送入SIRFStarIII(由GRF3W和GSP3组成)进行处理，将处理后的信号通过串口与单片机进行连接。用户通过对单片机的软件编程控制，将GPS接收到的信息进行处理，提取出对用户有用的信息。

　　2.2.3GPS模块接口电路的设计

　　GS-87模块共有6个引脚，它与单片机主要进行串口通信，故它们之间连接时可通过GS-87的数据接收引脚RXA与数据发送引脚TXA分别与单片机的串口UART0(TXD0和RXD0)相连。GS-87的TXA引脚为串行数据输出端口A，是主要的数据传输通道，用于输出导航和测量的数据;RXA为串行数据接收端口A，是主要的接收通道，用于接收来自单片机的控制命令;VCC外接+3.3~5.5的电源输入端口，为保证模块工作时不受外界电磁噪声的干扰，在电源端VCC与地端GND之间安装旁路电容，旁路电容C19主要用来去除高频电磁脉冲，电解电容C33主要用来去除低频干扰以及储存电荷功能;RXB为辅助串行数据接收端口B，用于差分定位;TimeMark默认为从GS-87提供1脉冲每秒输出信号，用于同步一微秒的时间。在车载终端系统设计中只需用到VCC、RXA、TXA、GND即可满足功能要求。GPS模块电路连接图如图3所示：

　　图3 GS-87电路连接原理图

　　Fig.3GS-87Connectiondiagram

　　2.3LCD显示模块电路设计

　　车载终端设备采用的显示器为HG12864液晶模块，它有串行和并行两种接法，本设计中采用并行接口与单片机的P6口相连。如图4所示为它的并行连接时序图

　　图4LCD时序图

　　Fig.4LCDsequencediagram

　　它与单片机的具体连线图如图5所示：

　　图5LCD与MSP430F149的连接原理图

　　Fig.5ConnectiondiagrambetweenLCDandMSP430F149

　　单片机P6数据输入输出接口连接HG12864的数据端DB0～DB7，RS引脚为指令/数据选择信号端口，RS为高电平时单片机向LCD写入数据，RS为低电平时单片机向LCD写入指令;R/W引脚为LCD的读写选择信号端口，R/W高电平时单片机读出LCD端口数据，R/W低电平时单片机向LCD端口写入数据;E引脚为LCD模块的使能信号，高电平有效。分别通过单片机的P5.5、P5.6、P5.7引脚进行控制。

　　3.系统软件设计

　　3.1主程序功能

　　主程序负责初始化、开中断、分析解析GPS数据、数据显示指导系统进入各种相应的工作状态。主程序流程图见图6a。

　　图6程序流程图

　　Fig.6ProgramFlowDiagram

　　3.1GPS数据接收程序设计

　　车载终端的设计需要从GPS定位信息中提取出有用的信息并且显示出来，所以也需要了解各种NMEA数据的含义。下面仅列出GPS固定数据输出语句(GPGGA)输出范例，各数据代表的意义如表1所示。输出范例：

　　$GPGGA,025812.487,3752.5236,N,11229.1768,E,1,07,1.0,9.0,M,,,,0000*18

　　表1GPGGA数据含义

　　Tab.1GPGGAdatameaning

　　当GPS模块有数据输出时，单片机进入串口中断程序。程序首先判断是否为数据头标志即“$GPGGA”，若判断到数据正确则程序进入数据接收模式，直到接收到“*”表示数据接收成功，否则退出中断程序等待下次数据的到来。以下为部分中断程序代码。

　　While((IFG1&URXIFG0)==1);

　　{UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;

　　if(UART0_RX_BUF[0]!='$')num=0;

　　if(num==5)

　　{if(UART0_RX_BUF[2]!='P')num=0;

　　if(UART0_RX_BUF[3]!='G')num=0;

　　if(UART0_RX_BUF[4]!='G')num=0;

　　}

　　if(num==90)

　　{for(i=70;i<90;i++)

　　{if(UART0_RX_BUF[i]!='*')num=0;

　　elsek=i;}

　　}

　　}

　　}

　　3.3显示程序设计

　　信息采集仪具有实时数据显示功能，可以将采集到的地理信息显示出来，工作人员可以更直观的掌握地理信息数据。单片机接收到GPS数据并且解析完成后，将需要显示的信息(经纬度、海拔等)存储到显示缓冲器内，以便显示时调用。本设计采用定时器中断方式进行数据显示，当定时器溢出中断时，进入数据显示程序，显示程序调用显示缓冲器内数据，通过P6端口送到LCD显示模块进行显示。显示程序流程图如图6b：

　　4.结论

　　地理信息分析研究一门发展迅速的学科，是气候变化，地理地貌的研究的基础，其应用涉及到民用、军用各个行业，所以信息的采集精确程度一直备受各方面关注。便携式地理信息采集仪硬件以及软件均采用模块化设计，易于升级与维护。经过实际运行，采集数据准确可靠，为地理信息研究部门提供了第一手资料。避免了以往人工记录存在较大误差的缺点，该系统具有良好的推广价值和应用前景。

　　参考文献：

　　[1]薛小铃,刘志群,贾俊荣.单片机接口模块应用与开发实例详解[M].1版.北京:北京航空航天出版社,2010.

　　[2]TexasInstrumentsIncorporated.Msp430x1xxFamilyUser’sGuide[M].2006.

　　[3]广州鑫图科技发展有限公司.GS-87数据手册