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２００５年第４期（总第１７３期）

农业装备与车辆工程

ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｎｏ．４２００５

（Ｔｏｔａｌｌｙ１７３）

车辆导航定位系统ＧＰＳ接收机的原理与研制

刘剑平

（山东理工大学，２５５０５９）

摘要：分析了ＯＥＭ板和ＧＰＳ技术原理，介绍了基于ＯＥＭ板的ＧＰＳ接收机开发方法，重点阐述了车辆导航定位系统ＧＰＳ接收机的软、硬件体系结构及研制过程，详细说明了单片机ｃ语言串行通讯原理与程序编制。关键词：单片机；ＧＰＳ接收机；导航；串口通讯中图分类号：Ｕ４６３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７３—３１４２（２００５）０４—００４０—０４

＼

ＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＧＰＳＲｅｃｅｉｖｅｒｉｎＶｅｈｉｃｌｅＧｕｉｄａｎｃｅａｎｄＬｏｃａｔｉｏｎ

ＬｉｕＪｉａｎｐｉｎｇ

Ｓｙｓｔｅｍ

（Ｓｈａｎｄｏｎｇ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２５５０１２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＧＰＳｒｅｃｅｉｖｅｒａｎｄＯＥＭｂｏａｒｄ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｒｅｓｅａｒｃｈ

ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＧＰＳｒｅｃｅｉｖｅｒｂａｓｅｄＯＥＭｂｏａｒｄ，ｇｉｖｅｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅ

ＧＰＳｒｅｃｅｉｖｅｒｉｎＶｅｈｉｃｌｅＧｕｉｄａｎｃｅａｎｄＬｏｃａｔｉｏｎ

Ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎ

ｓｐｅｃｆｉｅｓ

ｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒｏｇｒａｍ

ｏｆｓｅｒｉａｌ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍａｃｈｉｎｅｂａｓｅｄＣ．

Ｋｅｙ

Ｗｏｒｄｓ：Ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍａｃｈｉｎｅ；ＧＰＳＲｅｃｅｉｖｅｒ；Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；Ｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

Ｏ引言

ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ

Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ

进，ＧＰＳ卫星导航定位技术在国民经济的各个领域

Ｓｙｓｔｅｍ）是美国于１９９３

（如：航空摄影、物探、海底测绘、飞机、轮船、交通车

辆的导航等等）都得到了广泛应用，并且起到愈来愈重要的作用。近来，鉴于安全起见一些特殊车辆（如：运钞车、运囚车等）大都需要安装卫星定位装置，社会对卫星定位系统装置的需求日益增加。然而，长期以来，我国ＧＰＳ接收机均以国外引进为主，而且价格

年建成并运行的新一代卫星导航、定位和授时系统。它包含ＧＰＳ卫星、地面支撑系统、ＧＰＳ用户接收机三部分，通过分布在互成６０。的６个轨道面上的２４颗ＧＰＳ定位导航卫星全天候、连续定时、覆盖全球地发送定位导航和时间信息。ＧＰＳ最初应用于军事领域，但随着ＧＰＳ卫星定位系统的日益完善、ＧＰＳ

昂贵。２０世纪９０年代起我国开始自行研制ＧＰＳ接收机，但限于我国硬件发展水平，产品不仅体积大、

集成度极低，而且可靠性能差。９０年代中期国外推出

定位理论研究的不断深入以及计算机硬件的不断改

图１ＯＥＭ板原理结构框图

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２００５年１２月刘剑平：车辆导航定位系统ＧＰＳ接收机的原理与研制

４１

ＧＰＳＯＥＭ技术，国内诸多厂家开始利用ＯＥＭ板进图１所示为ＯＥＭ板的原理结构框图。

２

行硬件的二次开发，根据应用目的的不同进行专项研制，从而大大降低了接收机成本。我们采用了ＯＥＭ

板基础上扩展硬件及编制特殊驱动程序的方式，研制了用于车辆导航定位系统的ＧＰＳ接收机。该接收

ＧＰＳ接收机的硬件设计

本ＧＰＳ接收机是以ＯＥＭ板为基础，通过扩展

一些特殊模块实现数据处理及显示。为使系统获得

较优的整体性能，在微处理器的选择上我们采用了

机体积小、成本低，具有极高的实践可靠性。

１

ＧＰＳＯＥＭ板的结构及原理

ＧＰＳＯＥＭ（ＯｒｉｇｉｎａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

台湾华邦公司生产的Ｗ７７Ｅ５８芯片。该芯片不仅具有完全与ＭＣＳ５１兼容的内核，使得驱动程序的编制

Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ）是

更加便捷，而且具有比一般ＭＣＳ５１芯片快２—３倍的

运行处理速度，从而保证了文本和工作参数的显示效果。选用ＡＴ２９Ｃ０４０型ＦＩＡＳＨＭＥＭＯＲＹ芯片放汉字库，能够使系统进行全中文显示。彩色液晶显示模块使用不同色彩显示美观的用户界面，使得昼夜

接收机的主要组成部分，研究其结构、原理乃是全面

了解ＧＰＳ接收机的前提。ＧＰＳＯＥＭ板是将主要的

大规模集成电路集成于一个体积很小的电路板上，

同时具有接收ＧＰＳ信号、处理信号、输出观测信号

和定位结果等卓越功能。ＯＥＭ板研发的技术水平起

点较高，然而值得庆幸的是其价格较为低廉，故国内

均能达到良好的视觉效果。此外，考虑到电路板及接

收机上的插头器件亦是影响智能仪器性能的关键因素，因此我们均使用了优质的Ｌｅｍｏｎ头，进一步保

绝大部分ＧＰＳ接收机的研制均借助其进行硬件的

二次开发。下面以ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司的ＡＬＬＳＴＡＲＯＥＭ板（１２通道）为例，介绍一下ＯＥＭ板的原理。

证了信号传输的可靠性。其硬件结构原理框图如图

２所示。

复位和低压监测电路

ＭＣＵ

蜂鸣器

Ｗ７７Ｅ５８

（）ＥＭ板

（ＰＬＣＣ封装）

ＦＬＡＳＨＭＥＭＯＲＹ

５１２ＫＢ字库

肾畦享目匡

图２硬件结构原理框图

３３．１

总线

ＧＰＳ接收机的软件设计

ＧＰＳ接收机软件设计要求

根据其在车辆导航定位领域中的特殊用途，

以通过翻页的形式来查阅以前的信息文本。若用户

由于暂时离开没有及时确认新信息则蜂鸣器每隔一

分钟发出提示音。３．２软件的工作流程

单片机的输出、输入以９６００ｂａｕｄ速率，接ＲＳ一

ＧＰＳ接收机必须具有两大功能。第一，时时显示被控

车辆的位置状态（即：经、纬度）、行驶的速度、方向、车辆编号及１３期、时间等。第二，显示监控中心下发的文本信息并能给子站发简单信息。未有新信息发来时显示子站的工作状态画面。收到监控中心下发的信息时，蜂鸣器发出声音通知用户并显示收到新信息的标志，用户可以通过按键来查看新信息，也可

２３２Ｃ协议并以二进制的形式传递有关定位、时间信

息及相关参数。为不影响系统整体效率和程序运行速度我们对传送过来的数据流采用了中断方式，避

开了简单、耗时的查询方式。因为并非每条传递过来的信息都是成功和需要的，因此必须对其加以区分、

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４２ 农业装备与车辆工程

２００５年第４期

鉴别。此外还由于子站每隔一分钟发出一条状态信

息，因此单片机也要每分钟刷新一次状态界面，对于这些连续不断的高频中断流以及以时间为条件的刷

计算键号子程序

新和查看判断操作是非常复杂的。我们在此过程中Ｉ

充分利用了硬件中断技术和基于内部定时器的软标

各键功能子函数

志技术。当有数据流发来产生中断时，开始接收发

来的数据，由于并不是每一次接收都是成功的，所以要先把接收的数据放在ＲＡＭ中，接受完成时根据通讯协议判断接收是否成功，若接收成功则写入

图４键盘中断子程序

ＦＬＡＳＨ

ＭＥＭＯＲＹ中备今后查询，同时蜂鸣通知用

户，置相应的软标志位；若接收失败则放弃对该信息

的保存。如定时到则刷新状态显示。有关利用键盘进

行简单信息发送的过程在此不再详述。主程序及中

断子程序流程图如图３～图５所示。

图５中断程序流程图

３．３通讯协议及串行通讯程序

根据数据流中信息类型的复杂性，通讯协议可细分为三种情况：位置信息通讯协议、当前状态显示通

讯协议、文本信息通讯协议。下面就以位置信息协议为例，具体介绍协议内容含义及通讯程序编写过程。３．３．１位置信息通讯协议

＠＠ＢｐｃｉｉｓｖａａａａａｏｏｏｏｏｆｈｍｓＣｈｋＳｕｍ

＠＠Ｂｐ信息头

Ｃ

城市代号ｉｉ

车辆编号

Ｓ

车辆状态

ｖ

车辆速度ａａａａ

位置纬度ＯＯＯＯ

位置经度ｆ

标志ｈ

小时

ｉｎ

分钟

ｓ

秒钟

图３主程序流程图

ＣｈｋＳｕｍ

除信息头之外所有字节的异或值

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２００５年１２月刘剑平：车辆导航定位系统ＧＰＳ接收机的原理与研制

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３．３．２串口通讯原理及其程序

８０５１内部含有一组全双工的串行传输接口，可

ＳＢＵＦ＝ｅ；产送入输出缓冲区：ｌ：／）

／木。。。。。。。。。。。。。。。。。术／

同时传输或接收外部送来的数据。数据的传送和接收通过特殊功能寄存器中ＳＢＵＦ来处理，通讯协议模式设定完成后，就可以直接使用指令将存于ＳＢＵＦ寄存器中的数据通过引脚ＴＸＤ，以串行方式送出；同样道理也可以通过指令将串行信号通过ＲＸＤ引脚读人，并转换为并行数据存人Ａ寄存器

中。在８０５１内部含有发送和接收缓冲器，所以在程

ｓｅｎｄ＿ｓｔｒ（ｃｈａｒ＊ｓｔｒ）／木送字符串木／（

ｃｈａｒｉ；

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜ｓｔｒｌｅｎ（ｓｔｒ）；ｉ＋＋）

ｓｅｎｄ＿ｃｈａｒ（ｓｔｒ［ｉ］）；

）

／木接收数据子程序木／

ｃｈａｒ

序的控制上均是使用ＳＢＵＦ寄存器，二者可以分别

地独立工作。

初始化完成后便可以发送和接受数据，ＳＣＯＮ．１（ＴＩ）＝ｌ表示１０个串行位传送完毕，可以进行下一笔

ｒｅｃｅｉｖｅ．ｃｈａｒ队／木接收字符进来木，

ｗｈｉｌｅ（１）

／术循环丰，

｛

产判断数据是否准备好木／

传送。当ＳＣＯＮ．１转变为１，便将数据写入ＳＢＵＦ寄存器，同时清掉ＳＣＯＮ．１ｆｆＩ）。ＳＣＯＮ．０（ＲＩ）＝Ｉ表示已经有一笔完整的数据进入ＳＢＵＦ中，可以将其取回。所以当ＳＣＯＮ．Ｏ（ＲＩ）转变为１时便可以从ＳＢＵＦ中读出数据，同时将ＲＩ位清除为０。发送和接受程序分别如下所示：

＃ｉｎｃｌｕｄｅ“８０５１ｉｏ．ｈ”／宰载入ＭＣ５１头文件半／

＃ｉｎｃｌｕｄｅ“８０５１ｒｅｇ．ｈ’’＃ｉｎｃｌｕｄｅ“８０５ｌｂｉｔ．ｈ’’＃ｉｎｃｌｕｄｅ“８０５ｌｉｎｔ．ｈ’’＃ｉｎｃｌｕｄｅ“ｐ５１．ｈ’’

ｉｆ（（ＳＣＯＮ＆ＯＸ０１）＝＝ＯＸ０１）ｂｒｅａｋ；

严清除ＲＩ－－０；＊／ｃｌｒｂｉｔ（ＳＣＯＮ．Ｏ）；

ｒｅｔｕｒｎ

ＳＢＵＦ；，半接收数据进来木／

ｌ

４结束语

本文阐述了车辆导航定位应用领域中基于单片

机的ＧＰＳ接收机的原理及研制。以ＯＥＭ板为基础

进行硬件的二次开发，彩色液晶、高速ＭＣＵ以及中

断技术的灵活应用，使得该系统界面美观、使用便捷、性能可靠、响应迅速。随着ＧＰＳ技术日趋民用化，ＧＰｓ产品会愈来愈多地应用于交通、物流等领域，本产品的研制成功必将大大促进ＧＰＳ产品在这

些领域的推广和普及。

参考文献

ｆ１】张其善，昊今培，杨东凯．智能车辆定位导航系统及应用【Ｍ］．北京：科学出版社，２００２

【２】袁信．导航系统【Ｍ】■Ｅ京：航天工业出版社，１９９３

【３】李华．ＭＣＳ一５１系列单片机使用接口技［ＭＩ．北京：航空航天大学出版社，１９９３

【４】胡汉才．单片机原理反系统设计【Ｍ】．清华大学出版社，２００１【５】陈龙三．８０５１单片机Ｃ语言控制与应用［Ｍ】．清华大学出版社，

２００１

严载入Ｐ５１Ｉ／Ｏ控制头文件木／

／水。。。。ｏ。。。。。。。：ｌ：／

，木初始化串行端口吖ｉｎｉｔ＿ｒｓ２３２（）｛

ＳＣＯＮ＝０ｘ５０；仔设置串口工作于模式１，允许接收数据半／

ＴＭＯＤ＝Ｏｘ２０；产设置计数器１工作于模式２＂１ＴＨＩ＝０ＸＦＤ；产设置波特率为９６００ｂｐｓ＊／Ｓｅｔｂｉｔ（ＴＣＯＮ．６）；产启动计数器１开始计数术，

Ｓｅｔｂｉｔ（ＳＣＯＮ．１）；产发送准备宰／ｊ

／术。。。。。。。。。。。。。丰，

胪传送数据子程序木／ｓｅｎｄ＿ｃｈａｒ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ｛ｗｈｉｌｅ（１）

，半循环：ｌ：／

／术判断ＴＩ是否为Ｉ＊／

ｃｈａｒ

［６］董四海．ＧＰＳ全球定位系统的发展趋势及市场前景．微型机与应

Ｃ）产送出一个字符水／

用．１９９７（１１）

【７】周忠谟，易杰军．ＧＰＳ卫星测量原理与应用【Ｍ】．北京：测绘出版社．１９９８

【８】ＨｉｒｏａｋｉＴ，ＨｉｒｏｙｕｋｉＭ，Ａｋｉｈｉｔｏ

ｃｏｍｂｉｎｉｎｇａＧＰＳ

ｒｅｃｅｉｖｅｒ

Ｓ，ｅｔ

ａ１．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｌｏｃａｔｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ

ｗｉｔｈｉｎｅｒｔｉａｌ

ｓｅｎｓｏｒ【Ａ］．ＶｅｈｉｃｌｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎ＆

ｉｆ（（ＳＣＯＮ＆０Ｘ０２）＝＝０Ｘ０２）ｂｒｅａｋ；

，丰清除发送中断标志ＴＩ＝０；＊／ｃｌｒｂｉｔ（ＳＣＯＮ．１）；

ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＳｏｃｉｅｔｙＯｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ

ｆｃ】．Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ，ＵＳＡ：

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，１９９１，６４５～６４９．

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车辆导航定位系统GPS接收机的原理与研制

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

刘剑平， Liu Jianping山东理工大学,255059

农业装备与车辆工程

AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING2005，(12)0次

参考文献(8条)

1.张其善.吴今培.杨东凯 智能车辆定位导航系统及应用 20022.袁信 导航系统 1993

3.李华 MCS-51系列单片机使用接口技术 19934.胡汉才 单片机原理及系统设计 20015.陈龙三 8051单片机C语言控制与应用 2001

6.董四海 GPS全球定位系统的发展趋势及市场前景 1997(11)7.周忠谟.易杰军 GPS卫星测量原理与应用 1998

8.Hiroaki T.Hiroyuki M.Akihito S Evaluation of location system combining aGPS receiver with inertialsensor 1991

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2.学位论文 屈龙军 在航海导航中的GPS接收机的研制和航迹管理 2005

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曼滤波算法进行了仿真,仿真结果表明滤波后定位精度得到了提高;鉴于DSP芯片的高速运算特别适合于数字信号的各种实时滤波处理以及用户对接收机性能要求的进一步提高,提出了基于DSP的手持机硬件设计方案,在现有的开发系统上完成了软件仿真开发与调试,为手持机的进一步优化设计作了有益的尝试.

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7.学位论文 金盎 基于单片机的无线远程实时监控和定位系统的研究 2006

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监控对象跟监控中心的数据传输方式上可以分为：GSM 内网传输、GSM跟internet传输和GPRS跟internet传输。采用何种方式主要视监控数据而定。如果监控数据数据量小，更新周期慢(对实时性要求不高)，那么可以采用GSM内网传输(如短消息)，否则采用后两种方式。而GPRS方式相比GSM方式有着显著的优点，所以GPRS方式成为现在大数据量的实时监控系统的首选。

本文阐述的无线无线远程实时监控和定位系统相对于一般的无线远程监控系统，在数据采集模块上整合GPRS接收机和另外的数据采集模块(本文中为摄像头)为一体，在无线监控的同时还具有了定位功能。之所以为实时监控系统，因为，采用了GPRS数据传输方式，实现了跟监控中心的实时大数据量的数据通信。

系统硬件设计上以模块化结构设计，采用单片机(AT89S52)为MCU，作为中心控制模块，负责跟以下模块的通信和管理：无线模块、GPS接收机、数据采集模块和数据存储模块。通过精简和合理设计TCP/IP协议和PPP协议的方法，成功的弥补了单片机资源小的缺点，而MCU选用价格低廉的单片机后系统成本大大降低。无线模块采用西门子的第一款超紧凑设计的GSM/GPRS和GPS组合模块XT55，从而不再需要另外集成GPS接收机，不仅减小了系统的尺寸，而且增强了系统的稳定性。数据采集模块采用摄像头，负责采集监控对象的图像信息。通过测试，监控中心跟监控对象的实时数据通信一切正常。不过整个系统并没有完全实现，仍然需要进一步的研究来完善。

文中主要对无线无线远程实时监控和定位系统的做了比较详细的阐述，介绍了系统的特点和应用范围，系统的结构、框架和流程，系统的硬件结构，主要是核心模块XT55的介绍和接口及驱动电路的设计。介绍了系统相关的通信协议，主要包括NMEA0183协议、AT指令、PPP协议和TCP/IP协议，以及通信协议的合理设计和精简，在单片机上实现了各种相关的通信协议。

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本文链接：http://www.77cn.com.cn/Periodical_sdnj200512011.aspx

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