基于单片机的GPS导航装置的设计_向前勇.docx

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1、 西南石油大学研究生学位论文知识产权声明书及 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西南石油大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单 位为西南石油大学。 本学位论文属于 1、 保密 （ ），在 年解密后适用本授权书。 2、 不保密 （ y) (请在以上相应括号内打 “ V” ）

2、 西南石油大学研究生学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的研究生学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含其他人为获得西南石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 本文以基于单片机的 GPS导航装置设计为主要内容，围绕 “ 单片机控制 GPS模块 实现定位导航功能 ” 这一热点课题，利用 u-blox公司的 GPS模块和美国 Cygnal公司的 C8051F020单片机，制作了 GPS

3、接收板和相应的数据处理、控制终端。给出了系统的 总体设计方案并阐述了终端设计方法、开发方法和开发过 港。 文中首先阐述了课题涉及的相关知识，主要包括定位导航的原理、系统组成、技术 特点。并从系统功能和系统结构出发，通过分析比较选出合适的实现方案，在此基础上 对系统所需硬件模块的选取作了简要介绍。 然后针对系统的硬件设计、软件设计和软硬件联合调试等方面展开论述。本系统硬 件设计分为两部分第一部分，接收板是以 u-blox公司的 GPS模块为核心并结合相关 的外围电路实现。其中，接收天线的选取、天线座到模块 RP_IN端的 50欧姆阻抗匹配 设计以及电源模块的设计等都在本文中作了详细阐述。第二部分

4、，作为导航数据处理， 定位控制以及显示部分的设计，对单片机、液晶屏 （ OCM12864)以及相关串口设计等 也做了相应介绍。本系统的软件设计，采用 C51语言编程，完成了单片机初始化程序、 主程序（ 定位数据接收、处理 )、液晶屏 （ OCM12864)初始化和显示程序的设计。 最后文中详细描述了系统的实验调试过程、所遇到的问题以及解决方法，通过调试、 修改，成功实现小范围的定位导航，完成课题设计的要求。并在此基础上提出了下一步 的 研究方向和工作。 关键词： GPS; C8051F020;阻抗匹配； OCM12864; 摘要 Abstract The paper is mianly con

5、cerned with the designing process of GPS navigation based on single-chip, and the hot topic usingle chip system controlling the GPS module to achieve positioning and navigation”. The GPS receiver board and the corresponding data processing、 control terminal are realized by using u-blox!s GPS module

6、and single chip C8051F020 from America Cygnal company.System total design scheme is presented and the method of terminal designing,the method of exploitation and the performance process are elaborated. Firstly,this thesis introduces some technologies which used in this thesis.it mainly include the p

7、rinciples of GPS navigation,system components, technical characteristics.Conceming the systems fimction and structure,we give out the design method through analysis and comparison , and system requirements for the selection of hardware modules are briefly introduced. Secondly, three main parts are e

8、xpanded in detail, including hardware design, software design and debug of both hardware and software.The hardware design is divided into two parts: First of all, the receiver board is based on GPS module of u-blox and some external circuit, the selection of receiving antenna, the 50 ohm impedance m

9、atching design and the design of power modules are elaborated in the paper. Secondly, as the navigation data processing, positioning, showing,the selection of single-chip and LCD screen (OCM12864) including serial design are also elaborated. The system software is designed with the C51 language.Comp

10、letes single chip initialization programs,main programs (Positioning data receiving,Processing) ,LCD screen (OCM12864) initialization programs and showing programs. Finally, The paper introduces the systems test, operating results, the problems which meet on the course of debug and its resolution. T

11、hrough the debug, we can realize of GPS navigation and complete the design. Key words: GPS; C8051F020; impedance matching; OCM12864; 目录 . I 第 1章绪论 . 1 1.1论文的研究背景 . 1 1.2国内外研究现状及研究意义 . 2 1.3本文的研究内容 . 3 1.4课题完成的工作 . 4 1.5论文的组织 . 4 第 2章卫星定位系统相关技术 . 5 2.1 GLONASS (格鲁纳斯）卫星定位系统 . 5 2.1.1系统组成 . 5 2.1.2技术特点

12、 . 5 2.2伽利略卫星定位系统 . 6 2.2.1系统组成 . 6 2. 3中国 “ 北斗 ” 导航系统 . 6 2.3.1系统组成 . 6 2. 3. 2技术特点 . 7 2. 3. 3定位原理 . 7 2.4 GPS卫星定位系统 . 7 2.4.1 GPS系统的组成 . 8 2.4. 2技术特点 . 9 2-4.3定位原理 . 10 2.5目前各种卫星定位系统的比较 . 11 2. 6 GPS系统的优点 . 12 2. 7 GPS通信协议 . 12 第 3章系统总体设计 . 14 3.1系统功能 . 14 3. 2系统的组成 . 14 3. 3系统方案选取 . 14 3. 3.1常见导

13、航定位系统实现方案 . 14 3.4定位导航终端的硬件模块的选取 . 15 3. 4.1单片机的选取 . 15 3.4.2 GPS模块的选取 . 15 3. 4. 3液晶显示模块的选取 . 16 第 4章系统硬件设计 . 17 4.1系统终端的总体硬件结构 . 17 4.1.1 GPS接收板的设计 . 17 4.1.2单片机控制模块设计 . 18 4.1.3 LCD模块电路设计 . 18 4. 2 GPS接收板设计 . 19 4. 2.1 GPS 模块 LEA-5H 介绍 . 19 4. 2. 2天线的选取 . 21 目录 4. 2.3阻抗设计 . 22 4. 2.4电源供电模块设计 . 22

14、 4.2. 5 RS 232串口模块设计 . 23 4. 2. 6工作指示电路设计 . 24 4.3单片机控制模块设计 . 24 4. 3.1 单片机 G8051F020 介绍 . 24 4.3.2 C8051F020单片机的接口电路设计 . 28 4.4 . RS 232C串口模块设计 . 29 4.4.1 RS 232G总线标准与电气特性 . 29 4. 4. 2串行口电平转换芯片的选取 . 29 4. 5 LGD显示模块 . 30 4.5.1 0CM12864 介绍 . 30 4_ 5. 2 LCD显示模块与 C8051F020单片机硬件接口设计 . 31 4. 6系统抗干扰设计 . 3

15、2 4.6.1 PCB抗干扰设计 . 32 4. 6. 2软件抗干扰设计 . 32 第 5章系统的软件设计 . 33 5.1系统时钟初始化 . 33 5.2 I/O 口的初始化 . 33 5. 3 UART0的初始化 . 35 5.4 LCD模块的初始化 . 36 5.4.1指令描述 . 36 5.4. 2接口时序 . 37 5.4.3 LCD模块的初始化程序 . 38 5.4.4 LCD模块显示程序 . 38 5.4. 5定位点闪烁程序 . 39 5.5GPS信息提取 . 40 5.5.1 GPS数据喊解析程序 . 41 5.6电子地图的描述 . 45 5.6.1矢量数据结构 . 45 5.

16、 6. 2栅格数据结构 . 45 5. 7地图投影和坐标匹配 . 46 5.8道路描述模型 . 47 第 6章系统调试及结论 . 49 6.1系统调试软件介绍 . . 49 6. 2接收板硬件系统调试 . 50 6. 3单片机硬件系统调试 . 52 第 7章结论 . 54 7.1甜仑 . 54 7_ 2 舰 . 54 Stilt . 55 参考文献 . 56 附录 . 58 附录 A管脚分配图 . 58 附录 A.1 GPS LEA-5H模块引脚封装图 . 58 附录 A.2 C8051F020引脚封装图 . 59 附录 B电路原迪图和 PCB图 . 60 附录 B.l GPS接收板原理图和

17、PCB图 . 60 附录 B.2 C8051F020控制板原理图 . 62 附录 C本文所用到的英文检索词 . 64 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 . 65 第 1 章绪论 众所周知，全球定位系统 （ Global Positioning System， 以下简称 GPS)是一种广泛 使用的卫星定位 i统，在地球上空分布有 24颗卫星，用户通过 GPS接收机接收卫星信 号，就可以实时地获得高精度的三维位置 /速度和时间信息，给车辆、轮船等交通工具 的导航定位提供了具体、实时的定位能力。目前许多国家己经批量生产各种 GPS终端 模块，俄罗斯的 GLONASS系统应用已经有几年的历史，我国的北

18、斗系统也开始进入了 应用阶段，欧洲的伽利略计划已经启动。本课题设计正是基于此开展 GPS自主定位系 统的研究。由于 GPS导航定位系统作为一个新兴的高新技术产业，技术含量相当高。 发展我国的导航定位产业适逢其时，机不可失。随着现代科学 技术的不断进步，导航定 位相关产品的成本在不断下降，可以预言，导航与定位系统将向着小型化，智能化，多 功能化方向发展。 1.1论文的研究背景 GPS即全球定位系统。它是一个由覆盖全球的 24颗卫星组成的卫星系统 1。这个 系统可以保证在任意时刻，在地球上任意一点都可以同时观测到 4颗以上卫星，以保证 卫星可以釆集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时

19、等功能。它可用 于引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线准时到达目的地。从 而有效的降低了用户为了寻找目的地而付出的资源浪费，从一定 程度上提高了作业效 率、科学水平以及人们的生活质量。随着经济社会的发展， GPS的应用已经深入到国民 经济的各个领域，主要包括大地测量，工程测量，航空摄影，线路勘测，智能交通等。 1973年 12月，为满足全球战略需求，美国国防部组织陆海空三军组成联合计划局。 在联合计划办公室的领导下，需求空军提出的 “621 -B” 计划和海军提出的 “ TIMATION” 计划的优点，共同研制了 Navigation Satellite Timing an

20、d Ranging/Global Positioning SystemC缩写成 NAVSTAR/GPS)， 即导航卫星测时和测距 /全球定位系统，简称 GPS。 并经历了方案论证、系统论证及生产试验三个阶段。到 1994年 4月为止共发射 35颗 GPS卫星， GPS已具备初步运作能力。整个 GPS经过一年的调试检验，到 1995年 4月 GPS系统己具备全部运作能力。历时 23年、总投资 200多亿美元终于建成全球定位系 统。但它主要是为美国海陆空三军服务的，具有广泛的军事用途。 前苏联的 GLONASS全球卫星导航系统的起步晚于 GPS 9年，在广泛使用 GPS的 同时，前苏联在全面总结

21、CICADA第一代卫星导航系统优缺点的基础上，吸取美国 GPS 系统成功经验，从 1982年 10月 12日开始，逐步建立了第一代卫星导航系统 -GLONASS 全球卫星导航系统。该导航系统由 24颗卫星组成，其中 21颗卫星为工作卫星 ， 3颗为 在轨备用卫星，他们均匀分布在 3个轨道平面。该系统与美国的 GPS极为相似。但与 美国的 GPS不同的是，该系统可供国防和民间使用，不带任何限制，也不计划对用户 收费。 欧洲空间局的 NAVSAT卫星导航系统是由欧洲空间局筹建的一种多用途地位系统， 是一种民用系统，它和主要用于军事目的的 GPS系统和 GLONASS系 .统不同，因此他 的卫星结构

22、和接收机的操作均较为简单。它包括三大部分，空间部分、地面控制部分和 用户部分。自第一次建议建立 NAVSAT系统以来，卫星星座的布局己被修改过，现在 设计的卫星由地球同步轨道卫星 （ GEO)， 和高椭圆轨道 （ HEO)组成混合卫星星座， 在地球同步轨道上有 6颗同步卫星，他们将全部覆盖北半球；在高椭圆轨道上的 12颗 卫星则扩大对全球的覆盖。该系统可用于三种不同的用户：中等精度定位和导航的用户， 要求达到 5-10m的高精度用户 和对那些按大地测量精度要求的用户。 目前国外已有两大卫星导航定位系统在运行：一是美国的全球定位系统 （ GPS), 二是俄罗斯的 “ 格鲁纳斯 ” （ GLONA

23、SS)定位系统。但是这两个系统都受到美、俄两国 军方的严密控制，其信号的可靠性无法得到保证。为了能在卫星导航领域中占有一席之 地，因而欧盟决定启动军民两用的与现有的卫星导航系统相互兼容的全球卫星定位系统 计划一 “ 伽利略 ” （ GALILEO)计划。该计划还在实施当中。 我国使用的是 “ 双星定位系统 ” ，自行研制的第一颗导航定位卫星一 “ 北斗导航试 验卫星 ” 于 2000年 10月 31日成功发射。为满足国内卫星导航需求，我国自行建立了 第一代卫星导航系统 -双星导航定位系统（北斗一号 )。 2000年 12月 21日我国成功发 射第二颗“ 北斗导航试验卫星 ” ，与发射的第一颗

24、“ 北斗导航试验卫星 ” 构成了 “ 双星 导航定位系统 ” 。该系统是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。该系统 将用于交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安及其他领域的 导航定位服务。这将标志着我国将拥有自主研发的第一代卫星导航定位系统。 但是就目前运行情况来看，俄罗斯由于经费原因导致在轨卫星数目不足 6颗无法独 立成网，而伽利略和北斗系统正在建立过程中，所以 GPS卫星导航系统无疑占据着最 大的市场并有着最高的工作稳定性。所以在本文所研究的课题中，所用的导航定位系统 仍然是美国建立的 GPS定位系统 1.2国内外研究现状及研究意义 从上个世纪九十年代开始，各

25、发达国家都加快了导航定位系统的研制开发速度。运 用现代信息技术、通信技术、定位技术、控制技术，大大提高了人们的出行安全和工作 效率，为现代信息社会提供了准确、迅速的出行服务。由于经济发展的差异，以及 GPS 等技术都是由国外首先拥有和使用，所以国外在 GPS导航定位系统的研究、应用方面 都比国内早，现在已经有比较成熟的产品。但是，由于导航定位系统有强烈的本地特色， 例如当地的网络状况和地图信息的不尽相同，使许多国外导航定位系统产品不能够简单 的应用于中国。 国内也有许多公司和机构参与导航定位系统的研制，各家正在研制和已推出的系统 之间，应该说各有优缺点。由于现在可用于系统的技术选择比较多，每个

26、公司都在根据 自己最熟悉的技术，或依据自己对市场和现有以及未来技术发展方向的理解，构建自己 的系统。我国的 GPS卫星导航定位系统研究起步晚，基本上处于对国外研究的比较、 学习阶段。后 PC时代的来临为我们快速拉近与发达国家的相关科技距离提供了前所未 有的机遇。 随着社会信息化的日益发展， GPS的应用己经深入到国民经济的各个领域，其发厚 方向是监控跟踪及导航相结合，其长远发展则是导航、测量、线路勘测、智能交通、通 信等。本文提出的导航定位终端设计方案，将终端设计为一个基于单片机 C8051F020 的简易导航定位系统，可实现 GPS导航、电子地图实时定位等功能。虽然与现阶段比 较成熟的定位导

27、航产品有一定差异，但也算是对定位导 航的一种简单尝试。本课题的研 究意义主要有如下几个方面： (1) 随着中国经济的飞速发展，人们的出行越来越频繁， GPS应用也越来越广泛， GPS导航定位系统的研制具有很大的实用价值和市场前景，但是从系统的技术水平、产 品的质量和成熟程度来说，我国还处在往上发展的时期。目前，城市建设发展速度越来 越快，道路变得也越来越复杂，在这种情况下，找到一种方式，使人们能够从容的面对 错综复杂的交通网，已经迫在眉睫。利用 GPS进行定位是个不错的选择。 (2) 纵观国内的 GPS导航市场，成型的 GPS导航定位产品价格各异，少则上千多 则上万 ，且性能差距较大。昂贵的费

28、用不仅让众多消费者望而却步，而且定位精度的落 差时常使得他们怨声载道。因此研发一套价格适合中低层用户且定位精度高的 GPS导 航系统，具有相当的市场前景。也是对导航定位技术运用的一种初步尝试。 (3) C8051F系列单片机是完全集成的 M合信号系统级芯片，具有与 8051兼容的 CIP-51微控制器内核。其内部电路包括 CIP-51微控制器内核及 RAM、 ROM、 I/O 口、 定时 /计数器、 ADC、 DAC、 PCA、 SPI和 SMBus等部件，即把计算机的基本组成单 元以及模拟和数字外设集成在一个 芯片上，构成一个完整的片上系统 （ SoC)。 具有与 80C51系列单片机相同的

29、指令系统，并且功能更加全面。因此将 C8051F020单片机运用 于本次设计，也是一种新的尝试，也加深了对 C8051F系列的掌握。 (4) 针对导航电子地图，由于生产厂家各自为阵，电子地图的数据质量也参差不 齐，没有统一的标准。如果利用专业电子地图幵发软件，其开发成本昂贵。并且随着我 国城市建设和改造步伐加快，城区道路不断新建，错综复杂的道路时而涌现。因此如何 根据用户实际需要，开发出一套价格低廉且适合于用户工作环境的导航地图尤为重要。 1.3本文的研究内容 GPS定位导航终端中控制器的选择直接影响到整个系统的性能。目前，定位导航终 端一般采用基于嵌入式、单板机或单片机的实现方案。基于嵌入式

30、的车载定位导航终端 开发难度较大，开发周期也相对较长；单板机开发成本较高，体积大，一般适用于大型 监控系统。因此，为了开发成本低、体积小、性能稳定的定位导航终端，选择一种合适 的控制器至关重要。如今，高性能、高可靠性、低价位的 SoC单片机己经广泛应用于工 业控制领域，使用 SoC单片机不仅可以优化系统性能，而且节 约了资源和成本。 SoC单 片机克服了普通单片机功能单一、资源分配不灵活的缺点，从众多单片机中脱颖而出。 选择合适 CPU内核和 IP模块构架成具有特定功能的 SoC单片机，使得其满足定位导航 终端功能所需。本文设计的 GPS定位导航终端采用基于 SoC技术的单片机 C8051F0

31、20 作为核心控制器，优化了系统性能，节约了成本，缩短了开发周期。 该课题主要的任务是：以 Silicon Labs公司生产的 C8051F020芯片作为系统中心控 制处理器，结合部分外围器件设计出控制、显示的硬件电路，并通过自制的 GPS接收 机接收来自 GPS定位卫星的定位信息。系统通过串口实现和 GPS接收机通信，实时提 取相关的定位数据（经度、纬度、高度等）并通过自制的电子地图，由液晶屏显示用户 位置，实现导航定位的目的。 1.4课题完成的工作 1. 本文所做的工作主要有以下 4点： (1) 研究了目前国内外 GPS导航系统的发展现状、 GPS技术，讨论了定位导航终 端的设计以及先进的

32、 SoC单片机技术。 (2) 选择合适的 GPS模块和 SoC单片机，构建基于 SoC技术的定位导航终端，并 进行可行性论证。 (3) 设计了 GPS接收板电路和控制板电路并制作 PCB板。焊接元器件做系统调试。 (4) 通过核心控制器 C8051F020与 GPS接收机进行通信，提取定位数据并进行处 理和定位显示，实现定位导航终端的基本功能。 (5) 通过实际点的取样，对道路进行描绘。实现简单的自制电子地图显示。 (6) 将基于 SoC技术的定位导航终端应用于实际定位导航中，对定位导航终端进 行灵敏度和定位精度测试。 1.5论文的组织 论文的第一章为绪论，介绍了论文研究的背景以及国内外研究的

33、现状和研究意义等 内容：第二章对 GPS全球定位系统各方面作简单介绍和进行一般性的论述；第三章系 统总体设计；第四章提出了系统硬件设计，根据各模块功能进行硬件电路芯片的选择和 线路连接；第五章主要简要介绍系统软件设计；第六章为系统调试总结，阐述了在调试 过程中所遇到的问题及解决方法。第七章总结，概括了所做的工作及不足，并给出下一 步的研究方向。 第 2章卫星定位系统相关技术 2.1 GLONASS (格鲁纳斯）卫星定位系统 该系统是 1982年底由前苏联开始建设，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯 于 1996 年建成全球导航定位系统 （ Global Navigation Satellit

34、e System-GLONASS)。该 系统与美国的 GPS系统同属于第二代卫星定位系统 13。 2.1.1系统组成 1) 卫星星座：全球导航定位系统的空间卫星星座，由分布在三个独立椭圆轨道的 24颗 GLONASS卫星组成（另加 1颗备用卫星 )，平均每个轨道上分布 8颗卫星，各轨 道升交点的赤经相差 120度；轨道偏心率 e=0.01;卫星轨道倾角为 64.8度；卫星运行周 期 T=ll时15分（恒星时 11.28小时 )； 卫星高度 H=19100km;卫星设计的使用寿命为 4.5年，直至 1995年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于 1996年 1月 18 日整个系统正式运转； 2) 地面系统 :地面控制站组 (GCS)设有 1个系统控制中心， 1个指令跟踪站 （ CTS)， 整个跟踪网络分布于俄罗斯境内； CTS跟踪遥控着所有 GLONASS可视卫星，对其进行 测距数据的采集和处理，并向各卫星