基于虚拟仪器技术的GPS信息采集系统(22页).doc

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1、-基于虚拟仪器技术的GPS信息采集系统-第 17 页本科毕业设计基于虚拟仪器技术的GPS信息采集系统摘 要近几年，以全球定位系统（Global Positioning System，GPS）为代表的定位与导航技术迅速发展，已经进入国民经济的各相关领域中，尤其是在农业相关研究领域获得越来越广泛的应用。GPS以其高精度、全天候和高效率的特点完全可以胜任设备定位以及数据传输的需求，因此，如何合理、高效的获取GPS定位信号是目前定位与导航技术领域中研究的热点课题，也是本设计的研究目标。本文阐述了目前国内外定位与导航技术的发展现状、研究成果以及存在的问题，并详细介绍了在此基础上针对应用系统开发中GPS设

2、备与PC的联机通信及信息提取问题。在分析NMEA-0183协议的基础上，探讨了GPS信息采集与解析的关键技术与方法，并利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件编写了GPS信号采集程序建立了GPS设备与PC间的串行通信。本研究设计的GPS信息采集系统使用LabVIEW软件采集Trimble 5700 GPS接收机输出的定位信息。GPS接收机与计算机的串口相连，LabVIEW程序从计算机串口读取GPS信息并实时、准确的显示出来。在定位数据动态、实时可视化的同时，将原始数据进行保存用于后续进一步分析。实验结果表明，设计的GPS信息采集系统能够实时采集GPS定位信息并显示其运动轨迹，其功能达到了最初的设计

3、目标。本设计对GPS 应用系统开发、工作状态监测、信号质量评估、导航仪性能分析等具有实用价值，也可作为定位结果优化处理的数据源。关键词：虚拟仪器 GPS LabVIEW 采集系统GPS Information Acquisition System Based on Virtual Instrument TechnologyWu Zetao(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: In recent years, the rapid develop

4、ment of positioning and navigation technology, represented by Global Positioning System (GPS), has entered in the relevant fields of the national economy. Especially, GPS has been widely used in agriculture related research fields. With the characteristics of high precision, all-weather and high eff

5、iciency, GPS is fully capable of positioning and data transmission requirements. Therefore, the reasonable and efficient introduction of GPS positioning technology is a hot topic in the research field of positioning and navigation, and is also the objective of this design.This paper described the de

6、velopment status at home and abroad, research achievements and existing problems of the positioning and navigation technology, and introduced the GPS -based on-line communication and information acquisition of GPS equipment and PC system. The key technology and method of GPS information collection a

7、nd analysis was discussed based on the analysis of NMEA 0183 protocol. Virtual instrument technology and LabVIEW software was used to develop a GPS signal acquisition program to establish the serial communication between PC and GPS equipment.The GPS information acquisition system designed in this st

8、udy reads the positioning information from a Trimble 5700 GPS receiver by using LabVIEW software. The GPS receiver connects with the serial port of a computer. A LabVIEW program reads GPS information from the serial port and display accurate track on a real time basis. With the dynamic, real-time vi

9、sualization of positioning data, the original data can be saved for further analysis. Experiments results show that, the GPS information acquisition system can collect real-time GPS positioning information and display the trajectory, which meets the original goals.This design has practical values to

10、 the development of GPS application system, working status monitoring, signal quality assessment, and navigation system performance analysis. The system can also be used as the data source for positioning results optimization.Key words: virtual instrument GPS LabVIEW acquisition system目 录1 前言11.1 课题

11、的研究背景11.2 课题研究的意义11.3 国内外发展现状及趋势21.4 本文研究内容42 虚拟仪器与LabVIEW52 .1 虚拟仪器简介52.2 LabVIEW简介62.3 LabVIEW 程序的构成63 理论分析及设计83.1 GPS数据传送方式83.2 GPS数据格式及数据处理103.3 GPS数据显示143.4 GPS数据保存154 测试与实验分析164.1 模拟实验测试164.2 实地实验测试184.2.1 GPS接收机简介184.2.2 实地实验过程194.2.3 实地实验分析195 结论205.1 结论205.2 讨论和建议21参 考 文 献22附录A 系统前面板24附录B 系

12、统程序框图25致 谢26华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1 前言1.1 课题的研究背景近几十年，随着计算机和通信技术得到迅猛发展，定位和导航技术发也逐渐开始发展起来，特别是美国全球定位系统（GPS）的建立（余丹等，2006），能够为全球用户提供全球范围内陆地、海洋以及空间的位置、速度和时间等信息，这给定位技术带来了革命性的变革，使得定位和导航系技术进入了一个高速发展阶段。GPS的最初研发只是为了军事目的，如今这一系统已经成为世界上应用最广泛的全球定位和导航系统。在全球经济一体化进程快速发展的时期，为了能够更加高效、合理地利用资源，实现更加可靠、便捷的定位和导航服务，各个国家和地区也在寻求卫

13、星定位和导航系统的合作。进入21世纪以来，定位和导航技术进入国民经济的各相关领域中，获得了广泛的应用，尤其是近几年来在消费和工业市场得到迅猛发展，并逐渐形成一个全新的技术领域，即智能定位系统(Intelligent Positioning System，IPS)。IPS就是通过采用先进的定位、信息和通信等高新技术，对传统的定位系统及管理体制进行改造，从而形成一种高精度、全天候、高效率新型现代定位系统。以GPS为代表的卫星导航应用产品逐渐成为现代社会信息来源的重要工具（张惠等，2012；Eastion RL，2001）。卫星导航技术与通信、遥感和大众消费产品的相互融合将会创造出许多新产品和新服务

14、，开拓出一个充满商机的市场。目前，定位与导航技术的研究和应用方兴未艾，基于这样的背景下设计开发一款GPS信息采集系统有其实际意义。1.2 课题研究的意义随着信息时代的发展、科学技术的进步，具有速度快、精度高的定位和导航技术发展迅速，GPS 应用的范围和领域已愈来愈广。GPS定位系统是美国新一代卫星定位导航系统，它由美国国防部于1994年3月全面架设完成，由24 颗GPS卫星组成，可覆盖全球 98%的区域，并可以在任何时间、任何地点为地球上的各类用户提供所在地的经纬度、海拔高度和时间等定位信息（赵洪岩等，2011）。由于GPS定位系统是一种高精度、全天候的实时定位系统，并且具有定位速度快、精度高

15、、使用费用低和操作简便等特点，所以在科学研究、工程技术、军事领域及其相关学科中取得了广阔的应用空间。GPS 定位技术在科学研究中的主要应用范围包括精密授时和时间同步、地球动力学研究、气象探测技术、电离层监测等；在工程技术中的主要应用范围包括大地控制网的建设、精密工程测量、工程结构变形监测、智能交通导航等；在军事领域中的主要应用范围包括低空遥感卫星定轨、制导武器位置定位与导航、精密武器时间同步指挥等。同时，GPS定位技术还在娱乐休闲、体育运动、动物跟踪、精细农业、林业管理、野外考察等人们的日常生活中发挥着重要的作用。GPS 定位技术的应用领域正在不断的扩大，上至军事科学，下至生产生活，已经无所不

16、在了。随着 GPS 定位技术的不断发展和进步，不仅可以扩展其应的范围，而且还能降低相关定位产品开发过程中的生产成本、技术成本和管理成本（项鑫等，2009）。GPS 设备定位仪通过对现代科学技术不同领域的研究，在科学技术相互结合、相互渗透、相互交叉的基础上，实现先进科学技术资源的优化配置，为新技术实际应用创造良好的理论模型和应用平台，为以后市场应用打下一个良好的基础。采用 GPS 作为定位工具可以轻松地完成一系列烦琐的工作，既能使人们更加快捷有效地工作，又能有力地促进生产水平的提高。随着科学技术的不断进步和发展，GPS 定位技术在工业领域的应用空间也将随着社会的进步和人们想象力的丰富而越来越广阔

17、，它在未来必将会发挥更大的作用。1.3 国内外发展现状及趋势目前在世界上，只有少数几个国家能够自主研发全球卫星导航定位系统。其中，以美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略全球卫星导航系统和我国的北斗卫星导航定位系统为代表的卫星导航定位系统在业内取得了广泛的认可和应用。我国的北斗卫星导航定位系统，是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继GPS、GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统（宁津生等，2013）。GPS是美国国防部在子午仪卫星导航系统的基础上建立发展起来的全球卫星导航定位系统，GPS卫星空间星座如图 1所示。自1974年以来，系统的建立经历了

18、方案论证、系统研制和生产实验等三个阶段，是美国继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一个庞大的空间计划（邱中军，2012）。在GPS设计之初，美国国防部的主要目的是使GPS系统能够为海陆空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核暴监测和应急通讯等一些军事目的。但随着GPS系统的开发应用，被广泛地应用于飞机、船舶和各种载运工具的导航、高精度的大地测量、精密工程测量、地壳形变测量、地球物理测量、航天发射和卫星回收等技术领域。GPS系统的广泛应用，引起了世界各国的关注。前苏联在全面总结其第一代卫星导航系统CICADA优劣的基础上，认真吸收了美国GPS系统的成功经验，自1982年10月，

19、开始研制发射第二代导航卫星GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。GLONASS卫星均匀地分布在3个轨道平面内，轨道倾角为64.8，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星距离地面高度为19100km，卫星的运行周期为11时15分钟，GLONASS系统可进行卫星测距。民用无任何限制，不收费。民用的标准精度为：水平精度为5070m，垂直精度75m，测速精度15cm/s，授时精度为1s。GLONASS卫星的平均工作寿命超过4.5年。1999年底补网发射了3颗卫星，至2000年初，该系统只有7颗卫星保持连续工作。200

20、0年10月补网又发射了3颗卫星。到2001年3月GLONASS系统中有13颗健全的卫星。从2004年后，GLONASS系统基本上进入了较好的运营状态。图 1 GPS卫星空间星座我国的北斗卫星导航系统(BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System)是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，缩写为BDS，与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称为全球四大卫星导航系统（贠敏等，2012）。北斗卫星导航系统2012年12月27日起提供连续导航定位与授时服务。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分

21、组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧盟“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。全球卫星定位导航系统从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航及定位问题，其已被广泛应用于航空航海、交通运输、地形测量等诸多领域，并已在测量工作中得到较为广泛的应用，对经典

22、大地测量学的各个方面也产生了极其深刻的影响，如在地壳运动监测、工程技术和卫星遥感等方面取得了许多宝贵经验。各国的导航定位系统由原来的单一军用逐渐转化军民两用后，在一段时间内得到高速的发展和应用，并正在兴起一个崭新的领域，现在全世界各个国家正在投入大量的人力、物力进行研究、开发和应用。因此，卫星导航定位产业的竞争将进入新的阶段。专家们预测全球卫星定位导航系统未来的发展趋势有：内陆卫星导航定位产品将会成为发展速度最快的 GPS 产业；多个卫星导航定位系统间信息的相互兼容将明显改善卫星导航定位的误差、精度和可靠性；单频测地型接收机和导航定位接收机的生产和研发将发展到世界各个地区；几个技术领先的厂家将

23、继续垄断双频高精度测地型接收机的制造；在一定时期内 GPS 将继续保持其在导航定位产品中绝对优势。近年来，GPS定位理论和软件科学的发展促进了GPS定位软件的研发，一批满足不同应用需求 的GPS定位软件亦已面世。国际上广泛使用的GPS相对定位软件有：美国麻省理工学院（MIT）和加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所（SIO）研制的GAMIT/GLOBK，美国喷气推进实验室（JPL）研制的GIPSY/OASIS软件和瑞士BERNE大学研制的Bernese软件。这些GPS数据处理软件的研发大多数是基于VC+等传统文本编程语言开发的，采用传统文本编程语言开发需要熟练掌握复杂的编程语言，编程过程

24、中需要考虑传统编程语言的许多句法细节，同时文本编程语言不够直观，易懂。GPS信息采集系统需要人机界面，而文本编程语言的人机界面开发功能并不十分强大，开发人机界面相对较为复杂。1.4 本文研究内容本设计基于文本编程语言开发GPS信息采集系统存在的问题，选择采用基于虚拟仪器技术的LabVIEW编程语言作为系统的开发语言。LabVIEW 作为一种开放型模块化的程序设计语言，采用G语言进行程序设计（余莉等，2006），充分体现出它在语言程序设计上的诸多优势， 即具有功能强大的用户界面、使用图形编程方法来设计图形程序、使用数据流编程、具有可独立运行的应用程序、可充分提高用户的效率、节约大量的时间和金钱等

25、。同时，又不用担心程序的质量和运行速度。LabVIEW 既适合编程经验丰富的用户使用，也适合编程经验不足的工程技术人员使用，被誉为工程师和科学家的语言（张千锋，2010）。本课题主要进行如下几个方面的研究工作：（1）GPS信息采集系统的设计与调试，针对应用系统开发中GPS设备与PC的联机通信及信息提取问题，在分析NMEA-0183协议的基础上，探讨了GPS信息采集与解析的关键技术与方法，并利用LabVIEW 建立了GPS设备与PC间的串行通信，实现了对GPS定位信息的采集、存储及对定位信息的实时显示。（2）测试实验，包括利用串口调试助手进行模拟实验与在华南农业大学华山区足球场进行的实地实验。2

26、 虚拟仪器与LabVIEW 2 .1 虚拟仪器简介虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是美国国家仪器公司（National Instruments Corp，简称NI）于1986年提出的（程学庆，2009），它是在以计算机为核心的硬件平台上，功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。该概念的提出引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河（薛新红等，2006）。虚拟仪器本质上是虚拟现实方面的一个应用结果，也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器。虚拟仪器充

27、分利用现代计算机强大的数据处理能力，在计算机及其周边硬件的支持下，利用系统软件完成对数据的采集、控制、分析以及处理等多种功能（张毅刚，2006；Ellis WS etal，1991）。通过软硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大突破了传统仪器在数据显示、传送和存储等方面的限制，使用户可以方便的对仪器进行操作、维护和扩展。虚拟仪器的主要载体是计算机，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，它通过在计算机上加装一组软件或和其相关的设备，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台传统意义上的电子仪器。虚拟仪器的最大特点是在系统内可以共享软硬件资源，使得现代计算机与传统仪器资源和 D

28、SP 技术相互充分的结合起来，打破以往由厂家定义仪器功能的模式，可由用户自己定义仪器的功能。在虚拟仪器中硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器的关键，使用相同的硬件模块，通过不同的软件编程方案，就可以实现功能完全不同的仪器仪表，并可以很方便的改变和增减整个仪器系统的功能与规模。目前最有影响力和发展前景的虚拟仪器编程语言是NI公司设计的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）和Labwindows/CVI（C for Virtual Instruments）。2.2 LabVIEW简介LabVIEW是目

29、前国际上唯一的编译型图形化编程语言，即“G”语言，这种编程语言使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，形象逼真，操作简单（金维香，2002；Gary W.Johnson etal，2005）。它是用工程人员所熟悉的术语、图形等图形化符号代替常规的文本语言编程（如BASIC、C语言等），具有丰富的和功能强大的函数库，很多函数可直接以子程序的方式进行调用，从底层各种数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序；从基本的功能函数到高级分析函数，几乎涵盖了仪器设计中需要的所有函数，同时LabVIEW还支持网络通讯协议（TCP/IP）、动态数据交换（DDE）和网络化多媒体对象技术（ActiveX）等应

30、用软件标准。它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件（程学庆，2009）。LabVIEW软件具有以下特点：（1）采用图形数据流编程。（2）有专门用于数据采集和仪器控制设计的功能和开发工具库。（3）拥有大量的调试手段。除了提供常规的程序调试机制，如单步、设置断点以外，还提供了能够更直观、更清晰地观测程序执行流程的调试方法（比如数据流动态显示、错误句柄等），同时，它还提供两种运行状态，即编辑状态和执行状态，从而将系统的开发与运行环境有机地结合起来。（4）具有很强的灵活性，虚拟仪器的功能由用户自己定义，这意味着可自由地组合计算机平台、硬件、软件以及各种实现应

31、用系统所需要的附件。2.3 LabVIEW 程序的构成所有版本的 LabVIEW 应用程序都包括前面板（Front Panel）、框图程序（Diagram Programme）和图标/连接器（Icon Connector）三个部分。如果将虚拟仪器和标准仪器相比较，那么前面板就相当于仪器仪表的面板，框图程序就相当于仪器仪表内部的功能部件，而图标/连接器就相当于仪器仪表上的指示标识和各个部件的连接接口（袁媛等，2005）。（1）前面板，前面板是图形用户界面，也就是虚拟仪器面板，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。LabVIEW前面板如图 2所示。图 2 LabVIEW前面板它主要由控制（Cont

32、rol）、指示（Indicator）和修饰（Decoration）三类控件组成，一般将控制和指示统称为前面板的对象或控件。其中控制控件为前面板的核心控件，控制控件包括用户输入和显示输出两大类功能。用户输入控件是指旋钮、按钮和转盘等输入装置，这些是模拟仪器的输入装置，为 LabVIEW 的程序框图提供数据；显示输出控件是指图表、指示灯和仪表盘等显示装置，这些是模拟仪器的输出装置，用以显示程序框图获取或生成数据。（2）框图程序，前面板设计完成后，可使用图形化的函数添加源代码来控制前面板上的对象。程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称 G 代码或程序框图代码。在框图程序中对 LabVIEW

33、进行编程，以控制和操作定义在前面板上的输入和输出功能。框图程序是由接线端、节点、结构和连线四种元素构成的，接线端是在前面板和程序框图之间交换信息的端口，用以表示输入控件或显示控件的数据类型。默认状态下，前面板的对象显示为图标接线端；节点是程序框图上的对象，具有输入输出端，在程序运行时进行运算。节点相当于文本编程语言中的子程序、函数或运算符；结构是文本编程语言中的循环和条件语句的图形化表示，它可对代码块进行重复操作，有条件执行或按特定顺序执行代码；连线是端口间的数据通道，它类似于文本编程语言中的变量。在连线中数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动，不同的线型代表不同的数据类型，在颜色

34、、粗细和样式上都有明显的区别，LabVIEW框图程序如图 3所示。图 3 LabVIEW框图程序（3）图标/连接器，图标是 LabVIEW 的图形化表示，可包含文字、图形或图文组合，在程序框图中右上角将显示所代表的图标，可双击图标进行修改或编辑。连接器相当于文本编程语言中的函数或子程序，用于显示 LabVIEW 中所有输入控件和显示控件接线端，以便将该器件作为子器件调用。连接器在其输入端接收数据，然后通过前面板的输入端传输至程序框图中，并从前面板的显示控件中接收程序框图的运算结果传输至其输出端。3 理论分析及设计3.1 GPS数据传送方式计算机通过串行接口（Serial Interface）与

35、GPS仪器进行通信。串行接口简称串口，也称串行通信接口，是采用串行通信方式的扩展接口（黄晖等，2010），如图 4所示。串行接口数据是一位一位地顺序进行传送，其特点是通信线路简单，只需要一对传输线就可以实现双向通信，从而大大降低了成本，特别适用于近距离通信，但传送速度较慢。电脑一般有两个串行口：COM1和COM2。串口通信包括同步串行通信方式和异步串行通信方式两种最基本的方式。串行接口按电气标准及协议来区分包括有一般电脑应用的RS-232（使用 25 针或 9 针连接器）和工业电脑应用的半双工RS-485与全双工RS-422等。本系统采用异步串行通信方式，GPS数据终端设备（DTE）与计算机数

36、据通信设备（DCE）之间利用RS-232接口进行数据交换。图 4 串行接口系统串口通信设计主要利用LabVIEW提供的函数来实现。LabVIEW针对计算机标准的串行口提供了一组串行口通信子函数来承担对编程的支持，如图 5所示。它们依次是：Serial Port Init；Serial Port Write；Serial Port Read；Close Serial Driver；Bytes at Serial Port。通过对这几个子函数的调用，就能开发出符合要求的LabVIEW串口通信程序（任凯等，2009）。图 5 LabVIEW串口函数本系统中LabVIEW串口程序如图 6所示，其中。“

37、VISA 配置串口”函数用于按设定的波特率、数据位等参数将指定的串口初始化， 该函数默认设置了终止符“0xA( 换行符 n 的16 进制表示) ”和超时时间( 默认为10 s) 。而“ V ISA 读取”函数用于从串口缓存向程序中返回数据。当以下任一条件满足时该函数将停止读取串口数据：（1）请求字节的数量等于或少于串口中待读取字节的数量；（2）已经收到了终止符；（3）在串口中没有可用的数据且在超时时间内没有收到数据。图 6 系统串口程序3.2 GPS数据格式及数据处理GPS 主机和控制终端之间的数据交换协议一般都由生产厂商自行约定，各厂商间互不相同。为了在不同的GPS导航设备中建立统一的BTC

38、M( 海事无线电技术委员会) 标准，美国国家海洋电子协会NMEA(The National Marine Electronics Association)制定了NMEA 协议，定义了不同海事电子设备间的数据传输接口，该协议有0180、0182 和0183 等3 种版本，其中，NEMA-0183协议是目前使用最为广泛的一种（曹婷婷等，2006）。目前许多GPS厂商开发的GPS接收机的数据都遵循NMEA-0183数据格式，该格式标准已经成为国际通用的一种格式。该协议的内容在兼容NMEA-0180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，同时允许一

39、些特定厂商对其设备通信自定协议。由于NEMA-0183标准的通用性和灵活性, 因而在全世界被广泛使用。该协议采用ASCII码，其串行通信默认参数为：波特率=4800bps，数据位=8bit，开始位=1bit，停止位=1bit，无奇偶校验。一组标准的NMEA-0183数据由帧头、帧内数据和帧尾三部分组成。帧头标识了帧内数据的结构及含义，主要有GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 和 GPVGLL，GPZDA 七种格式，GPS 接收数据格式如表 1所示。表 1 主要的GPS接收数据格式序号帧头说明最大帧长1234567GPGGAGPGSAGPGSVGPRMCGPVTGGPGL

40、LGPZDA全球定位数据卫星RPN数据卫星状态信息运输定位数据地面速度信息大地坐标信息UTC时间和日期72652107034NEMA-0183格式数据串的所有字符均为ASCII文本字符，数据传输以“语句”方式进行（肖远亮，2006）。帧头数据以“$”符号开头，为GPS信息的起始标志，其后两位为信息源起始标志（2个字符），“GP”标识表示接收GPS信号，“GL”标识表示接GLONASS信号，“GN”标识表示接收多星信号，其后三位为信号信息标志（3个字符），它表示数据的结构及含义。帧内数据中各字段以“，”间隔表示数据的分隔符号，空字段保留逗号。每帧均以回车符“”和换行符“”作为帧尾，以标识一帧数据

41、的结束。由于本系统只需要提取UTC时间、卫星使用数、经纬度以及海拔高度等GPS定位信息，所以选用 GGA数据格式，一条完整的 GGA 数据格式为$GPGGA，M，M，*hh，GGA 数据格式如表 2所示。在提取GPS定位数据时，先判断是否是起始标志符“$”，当接收到“$”字符后，才开始接收数据。由于本系统在初始配置中要求只输出GGA数据格式的数据，所以并不检查语句识别符的正确性，直接接收GGA格式的数据。在对数据的类别进行识别后，再通过对数据中逗号个数的计数来判断出当前正在处理的是哪一种定位参数。“*”字符为数据结束标志符，当接收到“*”字符时，则完成一条数据的接收（王威等，2009）。在 G

42、PS 定位数据提取流程中，并不是对所有的定位信息都进行处理，只有接收到“$GPGGA”这几个字符时，才继续接收数据。在接收过程中，若接收到无意义的定位信息格式，则重新等待接收“$GPGGA”，直到接收到“*”时，才认为是一条完整的GGA表 2 GGA数据格式数据包字段标识格式说明$GPGGAMM*hh起始标志符及语句格式标志UTC时间，格式为hhmmss.sss纬度，格式为ddmm.mmmm纬度半球，N或S（北纬或南纬）经度，格式为 dddmm.mmmm经度半球，E或W（东经或西经）定位质量指示，0=定位无效，1=定位有效使用卫星数量，从00到12水平精度因子，0.5到99.9天线所处海拔高度

43、，-9999.9到9999.9米M表示单位米大地水准面高度，-9999.9到9999.9米M表示单位米差分数据时间间隔，单位为秒 差分参考基站标号，0000到1023 校验和结束标志xx 从$开始到*之间的所有ASCII码的异或校验和回车换行格式的语句。根据GPGGA语句的格式，提取出相对应的时间、经纬度和速度等信息后，还需对提取到的信息做相应的处理（马海瑞等，2011）。其中又包括两部分：第一，由于信息都是以字符形式给出的，所以要把信息转换成相应的物理量；第二，对信息进行必要的单位转换。注意提取的时间为UTC时间（世界标准时间），地球上共分为 24 个时区，每一个时区都有本地时间，为了有统一

44、的时间标准，国际上使用 UTC标准。UTC 是基于 GMT（格林尼治标准时间）标准提供的准确时间，它与北京时间所在的时区不同，北京时间比UTC 时间早八个小时。GPS 定位数据提取流程图如图 7所示。开始初始化接收数据是否为完整GGA数据? 首字符是否为“$”按字符“，”顺次提取相关信息GPS定位信息格式转换结束Y Y N N GPS定位信息显示图 7 GPS定位数据提取流程图LabVIEW在功能模板上的字符串子模板中提供了一整套的字符串处理函数，能够完成各种字符串处理功能。NMEA- 0183语句解析程序代码如图 8所示。在框图程序中，左边部分为 GGA 格式的数据提取，主要提取UTC时间、

45、经纬度、海拔高度和使用卫星数等信息，右边部分为数据格式的转换并显示。图 8 NMEA- 0183语句解析程序代码3.3 GPS数据显示显示则是一个系统的人机界面问题。前面板的设置是否合理、友好决定了最终操作用户使用的满意程度。虚拟仪器的前面板有其本身的特殊之处, 因为前面板不仅仅是显示面面板，同时还是操作面板（何秀慧等，2009）。LabVIEW前面板的最大特色就是所见即所得，即在编程中排布的界面就是软件运行时的界面（何香玲等，2007）。设计人机交换界面主要从审美和方便实用的角度出发。软件实现的界面如图 9所示。为了直观的显示定位信息，右边用了很大一块空间显示运动轨迹，坐标是经纬度。中间是即

46、时的定位信息，包括UTC时间、经纬度、海拔高度，卫星数等必要的信息。最左边是系统控制栏，包括串口配置、开始/停止按钮。LabVIEW最吸引人的特性之一就是为数据的图形化显示提供了丰富的图形显示功能的控件，可使虚拟仪器前面板设计得更加形象、直观，增强了用户界面的表达能力，而且使用起来极其方便。本系统通过调用LabVIEW图形显示功能的控件，实时显示物体的运动轨迹。图 9 GPS信息采集系统前面板3.4 GPS数据保存保存是系统的一个重要部分。完成了采集数据和分析数据后，需要把采集到的原始数据保存起来用作离线分析，又或者把分析完的数据保存起来以作更进一步的处理（魏利，2008）。LabVIEW有丰

47、富的文件操作函数库，可以方便地进行文件的读写。LabVIEW可以读写文本文件、数据报表文件、二进制文件和测试文件等，如图 10所示。使用LabVIEW图形化编程语言可以很简单的设计数据保存程序。图 10 LabVIEW文件操作函数库本系统采取了文本形式来进行GPS数据的保存，数据保存格式如图 11所示。图 11 GPS数据保存4 测试与实验分析4.1 模拟实验测试串口调试助手是串口调试相关工具，有多个版本（席东河等，2010）。本系统采用友善串口调试助手进行模拟实验。友善串口调试支持常用的110-25600bps波特率及自定义波特率，可以自动识别串口，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符，可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。如图 12所示。图 12 串口调试助手系统模拟实验利用计算机的两个串口。通过友善串口调试助手从计算机一个串口发送NMEA-0183格式的数据，GPS信息采集系统从计算机的另一