文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)07-0010-04
隨著GPS系統(tǒng)的完善，對于GPS定位系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求，各種GPS應用平臺應運而生[1]。GPS全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）是覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，可以采集到地球上任意觀測點的經(jīng)緯度和高度，以實現(xiàn)導航、定位、授時等功能，其應用領(lǐng)域廣泛[2]。
本系統(tǒng)采用高精度的E580模塊接收GPS信號，再輔以低功耗MSP430[3]單片機對信息進行接收和存儲，進而在LCD上顯示目標的坐標，最終將數(shù)據(jù)傳送至上位機，在虛擬地球儀軟件Google Earth中直觀地顯示目標軌跡。該平臺具有高可靠性、高測量精度、超低功耗、全球覆蓋、操作簡單等特點[4]。系統(tǒng)成本低廉，易于工程實現(xiàn)，可以應用到廣泛的工程領(lǐng)域，如：罪犯追捕、物流及時查詢、目標跟蹤或公交查詢等。
1 系統(tǒng)硬件設計
1.1 系統(tǒng)總體框架
系統(tǒng)可分為兩部分：
第一部分：對GPS信號的接收和處理，具體過程為：通過天線接收到原始信號，并將信號送入E580模塊；然后采用E580的串口與單片機通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送給MSP430單片機；單片機對數(shù)據(jù)進行提取和處理，并將數(shù)據(jù)進行存儲。
第二部分：在Google Earth軟件中實現(xiàn)軌跡顯示，具體過程為：當PC向單片機發(fā)送正確的讀取密碼后，通過上位機軟件接收數(shù)據(jù)并生成Google Earth識別的KML格式文件，用Google Earth 打開該文件后地圖上將顯示對應的目標軌跡圖。
除此之外，單片機在提取出所需的GPS信息后，在FYD16032液晶上實時顯示目標的坐標，并且可以通過按鍵進行各種交互操作。系統(tǒng)總設計框圖如圖1所示。
硬件系統(tǒng)可分為接收模塊、微處理器模塊、顯示模塊以及人機接口模塊。各個功能模塊的具體功能如下：
接收模塊：接收原始的GPS信號，存儲為固定格式的數(shù)據(jù)信息并傳送給單片機，報告自己的狀態(tài)，并接收單片機的控制。
微處理器模塊：控制并接收GPS模塊的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理后在LCD上顯示出坐標信息，并把數(shù)據(jù)存儲在Flash中；同時，將數(shù)據(jù)傳給PC機，接收PC機控制，實現(xiàn)與PC機的通信功能。
PC控制模塊：PC接收軟件主要功能是接收數(shù)據(jù)并生成Google Earth可以打開的KML軌跡文件。
人機接口模塊：包括LCD顯示模塊和鍵盤控制模塊。
1.2 E580模塊硬件電路
高感低功耗的E580每秒數(shù)據(jù)更新率為4次，具有16個通道，可以同時跟蹤16顆GPS衛(wèi)星，跟蹤靈敏度可達-158 dBm。不僅能滿足陸地導航的要求，而且能達到飛行器的動態(tài)要求。E580采用ANTARRIS4定位技術(shù)，內(nèi)置節(jié)能模式（FIXNOW）可提供極低功率架構(gòu)。E580從硬件和軟件上都十分易于使用，非常適合用于系統(tǒng)集成，只需要外加天線和電源即可工作。E580擁有2個UART和一個USB口，其數(shù)據(jù)可以通過任意接口來讀取。對于天線部分的設計，需要加50 ?贅的阻抗匹配線，采用Si9000軟件對微帶線進行設計，并采用計算后的數(shù)值進行PCB的布線[5]。
E580系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
GPS接收模塊E580采用串口通信，與單片機的電器連接如圖3所示。
1.3 MSP430通過USB與上位機通信
由于USB總線具有傳輸速度快、占用資源少和真正的即插即用等優(yōu)點，故在該系統(tǒng)中采用了常用的USB通信芯片F(xiàn)T245來進行單片機與上位機之間的通信。FT245主要進行USB與并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程由硬件自動完成，開發(fā)者無需考慮硬件設計。FT245通過8根數(shù)據(jù)線(D0~D7)及讀/寫控制線(RD、WR)來完成與單片機的數(shù)據(jù)交互，內(nèi)含一個128 B的接收緩沖區(qū)和一個384 B的發(fā)送緩沖區(qū)，此外還包括1個內(nèi)置的3.3 V穩(wěn)壓器、一個6 MHz振蕩器、8倍頻的時鐘倍頻、USB鎖相環(huán)和EEPROM接口。具體電路如圖4所示。
1.4 Flash存儲器
在該系統(tǒng)中需要對接收到的GPS信息進行保存，這種數(shù)據(jù)量比較大，為了更好地進行本地處理和軌跡的重現(xiàn)，加入了大容量的Flash存儲器M25P80。M25P80具有8個引腳，與MSP430F148單片機的硬件連接非常簡單，僅需片選信號、串行數(shù)據(jù)輸入、輸出以及時鐘信號4條線與MSP430F148的SPI接口相連。硬件連接圖如圖5所示。
MSP430F148單片機的最小系統(tǒng)部分以及LCD顯示模塊在此就不再贅述。
1.5 LCD顯示模塊
FYD16032是一種具有8 bit并行或3線串行兩種接口方式，內(nèi)部含有簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；顯示分辨率為160×32。使用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。LCD顯示格式如下：
緯度：104.13951633
經(jīng)度：30.6741392
GPS接收系統(tǒng)中，采用3線接口方式，引腳連接關(guān)系如表1所示。
2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)工作流程：MSP430F148通過其串口進行實時數(shù)據(jù)接收，當單片機核心板按下“啟動”鍵，在接收到以SGPRMC為開始的信息后，提取當前有效信息的經(jīng)緯度，并存儲在系統(tǒng)的Flash中，同時顯示在LCD上；在進行數(shù)據(jù)接收時，按下“停止”按鍵，此時系統(tǒng)停止接收，數(shù)據(jù)全部存儲在系統(tǒng)的Flash中，之后可以通過USB傳輸?shù)絇C機，上位機經(jīng)過KML格式轉(zhuǎn)換后即可在Google Earth上顯示目標軌跡。
2.1 下位機端程序設計
單片機接收數(shù)據(jù)后在串行中斷函數(shù)中進行數(shù)據(jù)格式的判斷。數(shù)據(jù)接收格式為NMEA標準格式[6]，本系統(tǒng)采用了接收推薦的最小語句格式：
SGPRMC，hhmmss，status，latitude，N，longitude，E，spd，
cog，ddmmyy，mv，mvE，mode*cs<CR><LF>
GPRMC語句中，GPS模塊輸出的信息依次為：小時、分鐘、秒、狀態(tài)(接收數(shù)據(jù)是否有效)、北緯度、東經(jīng)度、速度等以及最后的信息結(jié)束標志(信息結(jié)束標志為：回車，換行)。
下位機程序流程如圖6所示。
2.2 上位機軟件設計
2.2.1 KML文件
系統(tǒng)采用KML的文件格式進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。Google Earth中有KML和KMZ兩種類型的地標文件。KML文件是Keyhole客戶端進行讀寫的文件格式，是一種XML描述語言，并且是一種文本格式，使用起來簡潔易懂，可以通過程序自動生成KML文件。因此，使用KML格式的文件非常利于Google Earth應用程序的開發(fā)。雙擊KML文件即可從Google Earth中打開地標文件，但值得注意的是KMZ/KML地標文件名不能包含中文字符，文件存放的路徑也不能有中文字符，否則將無法在Google Earth中打開。
2.2.2 軟件界面
該系統(tǒng)通過USB將接收到的GPS數(shù)據(jù)送給PC機后[7]，上位機實時記錄數(shù)據(jù)并顯示在界面上，同時點擊界面中“生成歷史軌跡”按鈕，即可將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成KML格式的文件，該操作界面是采用Visual C++ 6.0設計的。
上位機界面可以在接收數(shù)據(jù)的同時顯示緯度和經(jīng)度，它還包括了“接收數(shù)據(jù)”控制按鈕、“生成當前坐標”控制按鈕以及“生成歷史軌跡”控制按鈕。密碼欄為輸入接收數(shù)據(jù)的密碼，范圍是0～255，具體的密碼可以在程序中設定。該界面的操作過程是用戶先向下位機發(fā)送密碼，下位機接收到密碼后進行判斷，若與之相符，則開始向PC機傳送數(shù)據(jù)，點擊“接收數(shù)據(jù)按鈕”會生成TXT文件并存放在所規(guī)定的路徑里，再點擊生成歷史軌跡按鈕就會生成KML格式的文件。
2.2.3 KML文件轉(zhuǎn)換
接收到的數(shù)據(jù)為TXT格式的文件，通過程序自動生成Google Earth客戶端能夠識別的KML格式的文件后，在Google Earth軟件中就可顯示目標的軌跡圖。試驗中可以采用單點的KML文件格式和多點的KML格式兩種方式，以成都理工大學的地理位置為參照對象。
轉(zhuǎn)換后的多點的KML文件格式為：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<kml xmlns="http://earth.google.com/kml/2.0">
<Folder><name>軌跡</name><Placemark><Style>
<LineStyle>
<color>e500ffff</color><width>4</width></LineStyle>
</Style><LineString><altitudeMode>relativeToGround
</altitudeMode><coordinates>
104.13951633,30.674139
104.13962,30.67411733
104.139659,30.67422833
104.13967817,30.6743225
104.13966717,30.67433567
……
</coordinates></LineString></Placemark></Folder></kml>
此文件在Google Earth中顯示所有點連成的軌跡線，軌跡顏色、寬度以及名字都可以在程序中由用戶自定義。
3 試驗結(jié)果
實驗過程中，以成都理工大學行政區(qū)域的地理位置為參照對象進行了目標的運行軌跡記錄，然后在Google Earth中再現(xiàn)該運行軌跡采用的是多點KML文件格式。實驗軌跡圖如圖7所示。
本文介紹了基于MSP430F148的便攜式軌跡記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)的設計思路、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設計方法。采用E580來接收GPS信號，以MSP430F148為控制中心，將目標信息實時顯示在LCD上，并將數(shù)據(jù)存儲在Flash中，傳給上位機通過Google Earth軟件進行軌跡的再現(xiàn)。通過各項實驗測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了預期的功能及指標[8]。該平臺功耗低，操作簡單，可以非常靈活地應用到物流跟蹤、公交查詢、野外探險、精細農(nóng)業(yè)等工程領(lǐng)域中。
參考文獻
[1] 曾吉全．GPS車輛自導航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．西安：西安電子科技大學，2004．
[2] 韓九強，張新曼，劉瑞玲．現(xiàn)代測控技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2007.
[3] 謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎(chǔ)與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[4] 徐太忠.便攜式電子系統(tǒng)的低功耗設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2001(8)：11-13.
[5] 徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[6] 肖遠亮.NMEA-0183數(shù)據(jù)標準在GPS技術(shù)中的應用[J].物探裝備，2003，13(2)：12-21，33.
[7] 胡輝.GPS數(shù)據(jù)采集軟件的實現(xiàn)[J]．全球定位系統(tǒng)，2008(1)：25-30.
[8] 孔慶華．現(xiàn)代交通電子控制技術(shù)[M]．哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，2004.