畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于GPS的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 課題來(lái)源及方案論證1.1 課題來(lái)源gps通信定位系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事、交通、地質(zhì)勘探、安保跟蹤等各種領(lǐng)域。如何有效利用gps系統(tǒng)（未來(lái)我國(guó)的北斗系統(tǒng)）為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，是我們重要的研究任務(wù)。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)源于“無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行”課題，是其中的一個(gè)子課題。無(wú)人機(jī)在現(xiàn)代軍事中有舉足輕重的作用，無(wú)論是單機(jī)偵查還是編隊(duì)飛行轟炸、噴灑農(nóng)藥，無(wú)人機(jī)都能出色的完成任務(wù)。但在高空飛行時(shí)由于氣流等原因，會(huì)造成機(jī)翼傾斜，甚至墜機(jī)。為防止這類事件的發(fā)生，基于gps的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。任務(wù)要求為：通過(guò)安裝在無(wú)人機(jī)上的gps接收機(jī)（25

2、個(gè)），初步測(cè)量出無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)，進(jìn)行顯示。1.2 方案設(shè)計(jì)1.2.1 gps的基本原理概述gps是一種精密的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由24顆繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)送位置和時(shí)間信息。這些衛(wèi)星均勻地分布在6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道有4 顆衛(wèi)星。地面gps接收機(jī)可接收5到12顆衛(wèi)星信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)地面定位功能，gps接收機(jī)至少需要接收4個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，其中3個(gè)信號(hào)用來(lái)計(jì)算gps接收機(jī)的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個(gè)信號(hào)提供同步時(shí)間校準(zhǔn)。gps系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：其一、衛(wèi)星，在天上提供定位信息；其二、控制系統(tǒng)，在地面維護(hù)衛(wèi)星的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證衛(wèi)星的健康狀態(tài)；其三、接收機(jī)，一般用戶所使用的部分。其定位原理

3、是將地球分為12個(gè)橫切面，每個(gè)橫切面上有兩顆定位衛(wèi)星，互成180的夾角，因而站在地球上的任一點(diǎn)，頭頂上總有十二顆定位衛(wèi)星。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的距離、坐標(biāo)和角度是已知的，衛(wèi)星和人之間的距離是可測(cè)量的，根據(jù)幾何原理，通常接收機(jī)只要接到三顆衛(wèi)星的信息便可確定二維坐標(biāo)即經(jīng)緯度，接收到四顆衛(wèi)星的信息便可確定海拔高度。gps可以輸出實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)讓其他的設(shè)備使用，這就涉及到了數(shù)據(jù)交換協(xié)議nmea 0183。它是一種航海、海運(yùn)方面有關(guān)于數(shù)字信號(hào)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)定義了電子信號(hào)所需要的傳輸協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間、并且指明了信息格式需要一個(gè)4800bps的串行數(shù)據(jù)接口。1.2.2 方案設(shè)計(jì)本方案是將2個(gè)gps接收機(jī)分別安

4、裝在無(wú)人機(jī)機(jī)身中心和某一機(jī)翼翼尖上，gps輸出的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)1解譯并計(jì)算后，得到飛機(jī)機(jī)身中心和翼尖的海拔高度信息及飛機(jī)的姿態(tài)信息，這些信息通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面的單片機(jī)2，由單片機(jī)2控制飛行高度顯示器和飛機(jī)姿態(tài)顯示器進(jìn)行輸出顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。gps接收機(jī)1gps接收機(jī)2單片機(jī)1飛機(jī)姿態(tài)顯示器飛行高度顯示器單片機(jī)2無(wú)線傳輸系統(tǒng)無(wú)線傳輸系統(tǒng)圖1 無(wú)人機(jī)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)原理方框圖但是由于實(shí)驗(yàn)條件和本人能力有限，系統(tǒng)中的無(wú)線傳輸部分不做討論。故在上述實(shí)際系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案為將兩個(gè)gps接收機(jī)分別安裝在機(jī)身中心和某一機(jī)翼翼尖上，gps輸出的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)解譯后，直接輸出到飛行

5、高度顯示器和飛機(jī)姿態(tài)顯示器，對(duì)飛機(jī)的高度和姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，以驗(yàn)證姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)由gps接收機(jī)、單片機(jī)、飛行高度顯示器、飛機(jī)姿態(tài)顯示器四個(gè)部分構(gòu)成。飛行高度顯示器是由數(shù)碼管循環(huán)顯示機(jī)身中心點(diǎn)的高度和翼尖高度。飛機(jī)姿態(tài)顯示器是由一列水柱式發(fā)光二極管顯示無(wú)人機(jī)機(jī)翼傾斜情況，即形象顯示無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，同時(shí)機(jī)翼的平衡、上傾、下傾三種狀態(tài)由另外兩個(gè)紅、綠發(fā)光二極管顯示。gps接收機(jī)1gps接收機(jī)2單片機(jī)飛機(jī)姿態(tài)顯示器飛行高度顯示器圖2 無(wú)人機(jī)姿態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理方框圖系統(tǒng)中單片機(jī)采用at89s51，它是常見(jiàn)且性價(jià)比較高的單片機(jī)。單片機(jī)將安裝在機(jī)身中心的gps接收機(jī)1輸出的

6、高度信息數(shù)據(jù)按照nmea 0183協(xié)議解譯后，由數(shù)碼管輸出顯示高度信息。同時(shí)，單片機(jī)將安裝在翼尖的gps接收機(jī)2輸出的高度信息數(shù)據(jù)解譯后由數(shù)碼管輸出顯示高度信息，并與gps接收機(jī)1的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由水柱式發(fā)光二極管顯示翼尖相對(duì)于機(jī)身中心的高度偏差值。另外，綠色的發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r代表飛機(jī)平衡，紅色的發(fā)光二極管點(diǎn)亮代表所測(cè)機(jī)翼上傾，兩個(gè)發(fā)光二極管均不亮代表所測(cè)機(jī)翼下傾，這樣就為姿態(tài)遙控系統(tǒng)提供了姿態(tài)調(diào)整信號(hào)表1.1列出了水柱式發(fā)光二極管顯示值和相對(duì)高度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整信號(hào)，其中，“1”表示發(fā)光二極管亮，機(jī)翼長(zhǎng)度為60cm。表1.1發(fā)光二極管顯示與對(duì)應(yīng)高度關(guān)系及相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整信號(hào)表

7、翼尖相對(duì)于機(jī)身中心點(diǎn)高度（cm）-60-40-200204060水柱式發(fā)光二極管顯示00000001000000110000011100001111000111110011111101111111姿態(tài)調(diào)整信號(hào)紅色發(fā)光二極管顯示001綠色發(fā)光二極管顯示0101.2.3 gps接收機(jī)的選擇論證gps接收機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響系統(tǒng)的質(zhì)量。由設(shè)計(jì)需要，在下列5種導(dǎo)航型接收機(jī)中做選擇。1索佳 stratus 技術(shù)指標(biāo)：靜態(tài)測(cè)量精度：5mm+1ppm(平面)/10mm+2ppm(高程) 動(dòng)態(tài)測(cè)量（走走停停）精度：12mm+2.5ppm(平面)/15mm+2.5ppm(高程)通道數(shù)：12 通道內(nèi)

8、存：4 mb記錄時(shí)間：55 小時(shí)（采樣間隔 10 秒）通訊端口：電纜通訊、紅外通訊尺寸：125mm155mm2newstar220e 技術(shù)指標(biāo)：垂直位置精度： 3.5米（1）通道數(shù)：并行16通道定位更新率：1hz、4hz垂直速度精度：0.15 米 / 秒（1）輸出接口：2個(gè)rs232串口（ttl）或2個(gè)rs232串口（rs232c）可選工作電壓：5vdc 10%3ag20-h技術(shù)指標(biāo)垂直位置精度：10米通道數(shù)：并行12通道定位更新率：1hz、5hz、10hz輸出接口：2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口（ttl電平或rs232電平）速度精度：0.1 米 / 秒工作電壓：5vdc 10%4holux m-87技術(shù)指標(biāo)定

9、位精度：3.0m (2drms)dgps (waas，egnos，msas，rtcm)定位精度：2.5m(rms)（典型）接口：兩個(gè)cmos/ttl串行口，其中一個(gè)串行輸入作為差分輸入（dgps）提供修正量；一個(gè)nmea 輸出端口尺寸：25.4x25.4x3mm輸入電壓：3.5v5.0v，vbat 3.05.0v結(jié)論：比較上述四種接收機(jī)，其輸出接口、工作電壓等技術(shù)指標(biāo)基本相同，都符合設(shè)計(jì)需要，但鑒于無(wú)人機(jī)姿態(tài)測(cè)量的高度精度要求，故理論上應(yīng)選擇精度最好的索佳stratus gps接收機(jī)。但由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇holux m-87。第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章主要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的各部分硬件原理做簡(jiǎn)

10、要的介紹，并詳細(xì)闡述系統(tǒng)各部分電路的設(shè)計(jì)與功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件包括gps接收機(jī)、數(shù)據(jù)選擇器、高度顯示器及姿態(tài)顯示器。其中，鑒于gps接收機(jī)在本系統(tǒng)中的重要作用，對(duì)于gps定位系統(tǒng)相關(guān)原理及應(yīng)用做了比較詳細(xì)的介紹。2.1 gps的原理及應(yīng)用2.1.1 gps的構(gòu)成gps的全稱：衛(wèi)星測(cè)時(shí)測(cè)距導(dǎo)航全球定位系統(tǒng) navigation satellite time and ranging/global positioning system。gps由三部分構(gòu)成：1. 空間部分gps的空間部分是由24 顆工作衛(wèi)星組成，它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6 個(gè)軌道面上(每個(gè)軌道面4顆)，軌道傾角為5

11、5。此外，還有4 顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4 顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Αps衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼，一組稱為c/ a 碼( coarse/ acquisition code11023mhz)；一組稱為p 碼(procise code 10123mhz)，p碼因頻率較高，不易受干擾，定位精度高，因此受美國(guó)軍方管制，并設(shè)有密碼，一般民間無(wú)法解讀，主要為美國(guó)軍方服務(wù)。c/ a 碼人為采取措施而刻意降低精度后，主要開放給民間使用。2. 地面控制部分地面控制部分由一個(gè)主控站，5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面

12、控制站組成。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到所有可見(jiàn)衛(wèi)星的接收機(jī)。監(jiān)測(cè)站將取得的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括電離層和氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)初步處理后，傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測(cè)站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù)，然后將結(jié)果送到3個(gè)地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)，把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆gps衛(wèi)星每天一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時(shí)間，但導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。3. 用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分即gps信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星

13、的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及gps 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的gps用戶設(shè)備。gps接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為ram存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)使用。

14、地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站(monitor station)、主控制站(master monitor station)、地面天線(ground antenna)所組成，主控制站位于美國(guó)科羅拉多州春田市(colorado spring)。地面控制站負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息，并計(jì)算衛(wèi)星星歷、相對(duì)距離，大氣校正等數(shù)據(jù)。其次則為使用者接收器，現(xiàn)有單頻與雙頻兩種，但由于價(jià)格因素，一般使用者所購(gòu)買的多為單頻接收器。2.1.2 gps的基本原理綜述gps定位系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的

15、時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（pr）：當(dāng)gps衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。gps系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的c/a碼和軍用的p(y)碼。c/a碼頻率1.023mhz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；p碼頻率10.23mhz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而y碼是在p碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修

16、正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼，每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在wgs-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知?？梢?jiàn)gps導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是

17、同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)t即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。gps接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息；用于預(yù)報(bào)未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化）；以及gps系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。 gps接收機(jī)對(duì)碼進(jìn)行測(cè)量就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對(duì)0a碼測(cè)得的偽距稱為ua碼偽距，精度約為20米左右，對(duì)p碼測(cè)得的偽距稱為p碼

18、偽距，精度約為2米左右。 gps接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測(cè)值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對(duì)定位、并有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位精度也只能采用相

19、位觀測(cè)值。 按定位方式，gps定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。在gps觀測(cè)量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀測(cè)量抵消大氣中電離層誤差的主要

20、部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。載體上的gps接收機(jī)天線在跟蹤gps衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)用gps信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。 接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及gps數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的gps用戶設(shè)備。gps接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在測(cè)站上，接收單元置于測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤?，用電纜線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。gps接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時(shí)采用機(jī)內(nèi)

21、機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電池的過(guò)程中，機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為ram存儲(chǔ)器供電，以防止丟失數(shù)據(jù)。近幾年，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的gps測(cè)地型接收機(jī)。各種類型的gps測(cè)地型接收機(jī)用于精密相對(duì)定位時(shí)，其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5mm+1ppm.d，單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)10mm+2ppmd。用于差分定位其精度可達(dá)亞米級(jí)至厘米級(jí)。目前，各種類型的gps接收機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)。全球定位系統(tǒng)gps衛(wèi)星的定時(shí)信號(hào)提供緯度、經(jīng)度和高度的信息，精確的距離測(cè)量需要精確的時(shí)鐘。因此精確的gps接受器就要用到相對(duì)論效應(yīng)。準(zhǔn)確度在

22、30米之內(nèi)的gps接受器就意味著它已經(jīng)利用了相對(duì)論效應(yīng)。華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家clifford m. will詳細(xì)解釋說(shuō)：“如果不考慮相對(duì)論效應(yīng)，衛(wèi)星上的時(shí)鐘就和地球的時(shí)鐘不同步?！毕鄬?duì)論認(rèn)為快速移動(dòng)物體隨時(shí)間的流逝比靜止的要慢。will計(jì)算出，每個(gè)gps衛(wèi)星每小時(shí)跨過(guò)大約1.4萬(wàn)千米的路程，這意味著它的星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒。而引力對(duì)時(shí)間施加了更大的相對(duì)論效應(yīng)。大約2萬(wàn)千米的高空，gps衛(wèi)星經(jīng)受到的引力拉力大約相當(dāng)于地面上的四分之一。結(jié)果就是星載時(shí)鐘每天快45微秒， gps要計(jì)入共38微秒的偏差?？茖W(xué)家ashby解釋說(shuō)：“如果衛(wèi)星上沒(méi)有頻率補(bǔ)償，每天將會(huì)增大11千米的誤差?！保ㄟ@

23、種效應(yīng)實(shí)事上更為復(fù)雜，因?yàn)樾l(wèi)星沿著一個(gè)偏心軌道，有時(shí)離地球較近，有時(shí)又離得較遠(yuǎn)）2.1.3 gps接收機(jī)的種類全球gps接收機(jī)可以根據(jù)用途、工作原理、接收頻率等進(jìn)行不同的分類：1. 按接收機(jī)的用途分類 導(dǎo)航型接收機(jī)：此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。這類接收機(jī)一般采用c/a碼偽距測(cè)量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為+- 25mm，有sa影響時(shí)為+-100mm。這類接收機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)還可以進(jìn)一步分為： 車載型用于車輛導(dǎo)航定位； 航海型用于船舶導(dǎo)航定位； 航空型用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空上用的接收機(jī)要求能

24、適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)。 星載型用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的速度高達(dá)7km/s以上，因此對(duì)接收機(jī)的要求更高。 測(cè)地型接收機(jī)：測(cè)地型接收機(jī)主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量。這類儀器主要采用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。 授時(shí)型接收機(jī)：這類接收機(jī)主要利用gps衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺(tái)及無(wú)線電通訊中時(shí)間同步。2. 按接收機(jī)的載波頻率分類 單頻接收機(jī)：?jiǎn)晤l接收機(jī)只能接收l(shuí)1載波信號(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線（15km的精密定位。 雙頻接收機(jī)：雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收l(shuí)1、l2載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)

25、電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位。3. 按接收機(jī)通道數(shù)分類gps接收機(jī)能同時(shí)接收多顆gps衛(wèi)星的信號(hào)，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和量測(cè)，具有這樣功能的器件稱為天線信號(hào)通道。根據(jù)接收機(jī)所具有的通道種類可分為： 多通道接收機(jī) 序貫通道接收機(jī) 多路多用通道接收機(jī)4. 按接收機(jī)工作原理分類 碼相關(guān)型接收機(jī)。碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測(cè)值。 平方型接收機(jī)。平方型接收機(jī)是利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào),來(lái)恢復(fù)完整的載波信號(hào)通過(guò)相位計(jì)測(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位

26、差，測(cè)定偽距觀測(cè)值。 混合型接收機(jī)。這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測(cè)值。 干涉型接收機(jī)。這種接收機(jī)是將gps衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測(cè)量方法，測(cè)定兩個(gè)測(cè)站間距離。靜態(tài)定位中，gps接收機(jī)在捕獲和跟蹤gps衛(wèi)星的過(guò)程中固定不變，接收機(jī)高精度地測(cè)量gps信號(hào)的傳播時(shí)間，利用gps衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收 機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用gps接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。gps信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。2.1.4 gps應(yīng)用1. gps應(yīng)用于導(dǎo)航,主要是為船舶,汽車,飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)

27、物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如： 船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水 飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場(chǎng)降落 汽車自主導(dǎo)航 地面車輛跟蹤和城市智能交通管理 緊急救生 個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn) 個(gè)人通訊終端(與手機(jī)，pda，電子地圖等集成一體)2. gps應(yīng)用于授時(shí)校頻 電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步 準(zhǔn)確時(shí)間的授入 準(zhǔn)確頻率的授入 3. gps應(yīng)用于高精度測(cè)量 各種等級(jí)的大地測(cè)量，控制測(cè)量 道路和各種線路放樣 水下地形測(cè)量 地殼形變測(cè)量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測(cè) gis應(yīng)用 工程機(jī)械（輪胎吊，推土機(jī)等）控制 精細(xì)農(nóng)業(yè)正如人們所說(shuō)：“gps的應(yīng)用，僅受人們的想象力制約?！眊ps問(wèn)世以來(lái)，已充分顯示了其在導(dǎo)航，定位領(lǐng)域的霸主地位。許多領(lǐng)

28、域也由于gps的出現(xiàn)而產(chǎn)生革命性變化。目前，幾乎全世界所有需要導(dǎo)航，定位的用戶，都被gps的高精度，全天候，全球覆蓋，方便靈活和優(yōu)質(zhì)價(jià)廉所吸引。我國(guó)的gps應(yīng)用發(fā)展勢(shì)頭迅猛，短短幾年，gps在我國(guó)的應(yīng)用已從少數(shù)科研單位和軍用部門迅速擴(kuò)展到各個(gè)民用領(lǐng)域，gps的廣泛應(yīng)用改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞?，提高了工作效率，帶?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益?？梢哉f(shuō)，gps在我國(guó)的應(yīng)用前景是無(wú)限的。2.1.5 gps接收天線區(qū)別和應(yīng)用gps接收天線的作用，是將衛(wèi)星來(lái)的無(wú)線電信號(hào)的電磁波能量變換成接收機(jī)電子器件可攝取應(yīng)用的電流。天線的大小和形狀十分重要，因?yàn)檫@些特征決定了天線能獲取微弱的gps信號(hào)的能力。根據(jù)需要，天線可設(shè)計(jì)成可以

29、工作在單一的l1頻率上，也可以工作在l1和l2兩個(gè)頻率上。由于gps信號(hào)是園極化波，所以所有的接收天線都是園極化工作方式。盡管有多種多樣的條件限制，仍然有許多不同的天線類型存在，如單極的，雙極的，螺旋的，四臂螺旋的，以及微帶天線。 微帶天線由于其耐用性和相對(duì)地容易制作，所以成了應(yīng)用最為普遍的一類天線。其形狀可以是圓的也可以方的或長(zhǎng)方的，如同一塊敷銅的印刷電路板。它由一個(gè)或多個(gè)金屬片構(gòu)成，所以gps天線最常用的形狀是塊狀結(jié)，像個(gè)燒餅。由于天線可以做得很小，因此適合于航空應(yīng)用和個(gè)人手持應(yīng)用。天線的另一個(gè)主要特性，是其的增益圖形，即方向性。利用天線的方向性可以提高其抗干和抗多徑效應(yīng)能力。在精確定位中

30、，天線的相位中心的穩(wěn)定性是個(gè)很重要的指標(biāo)。但是，普通的導(dǎo)航應(yīng)用中，人們希望用全向天線，至少能接收天線地平以上五度視野內(nèi)所有天空中的可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)。微帶天線通常有個(gè)接地平板作為地網(wǎng)。由于到達(dá)接收機(jī)的gps信號(hào)一般都比較微弱，所以往往采用有源天線，所謂有源天線，是指天線中裝有rf前置放大器或低噪聲放大器。2.2 holux m-87 gps接收機(jī)2.2.1 holux m-87 gps接收機(jī)主要性能指標(biāo)1. 跟蹤能力頻率：l1, 1575.42mhzc/a碼：1.023mhz芯片速率頻道：查看搜尋中的32個(gè)頻道靈敏度：高于-159dbm2. 定位時(shí)間 (ttff:首次捕捉衛(wèi)星時(shí)間)熱啟動(dòng)：1s (9

31、5%)，(典型)正確的歷書,時(shí)間,位置和星歷溫啟動(dòng)：33s (95%)，(典型) 正確的歷書、時(shí)間、位置冷啟動(dòng)：36s (95%)，(典型) 正確的歷書 重新捕獲時(shí)間：1s3. 定位精度定位精度：3.0m (2drms)dgps (waas, egnos, msas, rtcm)定位精度：2.5m(rms)（典型）時(shí)間精度(1pps)：0.1usdgps時(shí)間精度：0.05m/s（典型）速度精度：0.1m/s rms4. 動(dòng)態(tài)性能最大速度：515m/s高度：18000m加速度：4g急沖度：20m/5. 數(shù)據(jù)特性接口：兩個(gè)cmos/ttl串行口，其中一個(gè)串行輸入作為差分輸入（dgps）提供修正量；

32、一個(gè)nmea輸出端口數(shù)據(jù)更新：1s數(shù)據(jù)輸入：com：可選擇nmea 0183/sirf二進(jìn)制，波特率可選（4800，9600，19200，38400）；dgps：rtcm sc-104類型（1，2，9）數(shù)據(jù)輸出：com和nmea：可選擇nmea 0183/sirf二進(jìn)制，波特率可選（4800，9600，19200，38400）； 6. 物理特性尺寸：25.4x25.4x3mm重量：3g輸入電壓：3.5v5.0v，vbat 3.05.0v操作電流：定位：60ma3.3v 跟蹤：45ma3.3v工作溫度：-40+85存儲(chǔ)溫度：-40+125濕度：95%，非凝結(jié)7. 坐標(biāo)系統(tǒng) 默認(rèn)：wgs-84坐標(biāo)

33、系統(tǒng) 8. 天線 接收天線：mmcx型頻率：1575.42mhz最小跟蹤信號(hào)：-175dbw天線增益：3.5db供電方式：3v、5v兼容放大器增益：28db噪聲系數(shù)：1.0db干擾抑制：20db140mhz工作電流：10ma/3v 15ma/5v工作溫度：-45 +85貯存溫度：-50 +90相對(duì)濕度：100% 安裝型式：3米線纜磁鐵吸盤 2.2.2 holux m-87 gps接收機(jī)的接線定義holux m-87 gps接收機(jī)的接線定義如圖2.1所示，由于系統(tǒng)只需要gps接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù)，故電路中僅接入vcc、txa、gnd三個(gè)端口。圖2.1 holux m-87 gps接收機(jī)的接線定義2.

34、3 at89s51單片機(jī)2.3.1 at89s51單片機(jī)主要性能參數(shù)at89s51是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲(chǔ)器即可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中。功能強(qiáng)大的at89s51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 at89s51主要性能參數(shù)： 1. 兼容mcs-51指令系統(tǒng)2. 4k可反復(fù)擦寫系統(tǒng)編程flash閃速存儲(chǔ)器3. 1000次擦寫周期

35、4. 4.0-5.5v工作電壓5. 32個(gè)可編程i/o口6. 兩個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器7. 時(shí)鐘頻率0-33mhz8. 全雙工uart串行中斷口線9. 2個(gè)外部中斷源10. 中斷喚醒省電模式11. 3級(jí)加密位 12. 128x8bit內(nèi)部ram13. 低功耗空閑和省電模式14. 看門狗（wdt）電路15. 軟件設(shè)置空閑和省電功能 16. 靈活的isp字節(jié)和分頁(yè)編程17. 雙數(shù)據(jù)寄存器指針此外，at89s51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功

36、能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。2.3.2 at89s51與at89c51功能比較at89s51相對(duì)于at89c51增加的新功能包括：1. 新增加非常多功能，性能有了較大提升;2. isp在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程式不必把芯片從工作環(huán)境中剝離。是個(gè)強(qiáng)大易用的功能。3. 工作頻率為33mhz，大家都知道89c51的極限工作頻率只有24m，就是說(shuō)s51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。4. 具有雙工uart串行通道。5. 內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像89c51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器

37、單元電路。6. 雙數(shù)據(jù)指示器。7. 電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)。8. 全新的加密算法，這使得對(duì)于89s51的解密變?yōu)椴豢赡?，程式的保密性大大加?qiáng)，這樣就能有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。9. 兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89c51等等早期mcs-51兼容產(chǎn)品。在89c51上相同能照常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。2.3.3 at89s51單片機(jī)管腳說(shuō)明at89s51單片機(jī)管腳圖如圖2.2所示。圖2.2 at89s51單片機(jī)管腳圖vcc：供電電壓 gnd：接地 p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向i/o口，每腳可吸收8個(gè)ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能

38、夠用于外部程式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，他能被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。 p1 口：p1口是個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能吸收或輸出4個(gè)ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)

39、，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程式存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地 址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，他利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特別功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，他們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3口也可作為at89s51的一些特別功能口： p3.

40、0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（記時(shí)器0外部輸入） p3.5 t1（記時(shí)器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） p3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ale/prog： 當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ale端以不變的頻率周期 輸出正脈沖信號(hào)，此

41、頻率為振蕩器頻率的1/6。因此他可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時(shí),ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無(wú)效。 /psen：外部程式存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程式存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號(hào)將不出現(xiàn)。 /ea/vpp： 當(dāng)/ea保持低電平時(shí)，則在此期間外部程式存儲(chǔ)器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程式存儲(chǔ)器。

42、注意加密方式1時(shí)，/ea將內(nèi)部鎖定為 reset；當(dāng)/ea端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程式存儲(chǔ)器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 xtal2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。2.3.4 at89s51的時(shí)鐘電路at89s51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)反向放大器所構(gòu)成的振蕩器，xtal1和xtal2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時(shí)鐘可以由內(nèi)部或外部產(chǎn)生。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為內(nèi)部時(shí)鐘電路，如圖2.3所示。在xtal1和xtal2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選

43、擇為11.0592mhz，c1、c2電容值取30pf，電容的大小可起頻率微調(diào)的作用。圖2.3 內(nèi)部時(shí)鐘電路2.3.5 at89s51的復(fù)位電路本系統(tǒng)采用開關(guān)復(fù)位電路，如圖2.4所示，在時(shí)鐘電路工作后，在reset端持續(xù)給出兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）的高電平就可完成復(fù)位操作。開關(guān)觸發(fā)時(shí)，reset端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機(jī)復(fù)位。圖2.4開關(guān)復(fù)位電路2.4 數(shù)據(jù)選擇器74hc153由于at89s51單片機(jī)只有一個(gè)串口，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，采用74hc153做串口擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)gps數(shù)據(jù)的循環(huán)交替采集。74hc153為雙四選一數(shù)據(jù)選擇器，其管腳圖如圖2.5所示，邏輯功能表如圖2.6所示，其中h代表

44、高電平，l代表低電平，x代表任意電平。按照邏輯功能表可以方便控制74hc153的輸出。圖2.5 74hc153管腳圖圖2.6 74hc153邏輯功能表由邏輯功能表可以看出，在輸出控制端為低電平的情況下，當(dāng)附加控制端s1為低電平時(shí)，另一控制端s0的高、低電平變化，控制了數(shù)據(jù)輸入端l0、l1的選通，即只需要單片機(jī)一個(gè)管腳p3.5控制s0，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需要的雙通道交替選通，這樣的設(shè)計(jì)節(jié)約了資源。74hc153與兩個(gè)gps接收機(jī)的具體連接電路如圖2.7所示。單片機(jī)p3.5為低電平時(shí)，翼尖上的gps(gps-a)被選通，當(dāng)p3.5為高電平時(shí)，飛機(jī)中心點(diǎn)上的gps(gps-c)被選通。圖2.7 74hc

45、153與兩個(gè)gps接收機(jī)的連接電路2.5 飛行高度顯示器本系統(tǒng)通過(guò)軟件編程將gps高度信息進(jìn)行解譯，處理過(guò)的高度值由共陽(yáng)數(shù)碼管輸出顯示，單位為米。翼尖的高度標(biāo)記為a（aerofoil機(jī)翼），例如數(shù)碼管顯示a123,表示機(jī)翼海拔高度為123米。機(jī)身中心點(diǎn)的高度標(biāo)記為c（center中心），例如數(shù)碼管顯示c086,表示機(jī)身中心點(diǎn)的海拔高度為86米。數(shù)碼管的位選擇由單片機(jī)p2.4、p2.5、p2.6、p2.7控制。雖然led數(shù)碼管字段電極不需要很大電流例如10毫安以下，就可以得到滿意的亮度，可是每個(gè)管子如果顯示“8”和顯示“1”總電流顯然不同，假定每個(gè)字段僅僅給他5毫安電流，那么顯示“1”，總電流1

46、0毫安，顯示“8”，總電流達(dá)到5*7=35毫安，51單片機(jī)盡管口線的驅(qū)動(dòng)能力都比較高，實(shí)際上也就是20毫安，可見(jiàn)，要通過(guò)口線直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的公共電極還是有問(wèn)題的，這個(gè)可以通過(guò)加接驅(qū)動(dòng)晶體管，例如8550中功率管，或電流驅(qū)動(dòng)集成塊等增強(qiáng)口線的負(fù)載能力。本系統(tǒng)加接pnp三極管，用pnp管的c極向數(shù)碼管供電，e極直接接于vcc，三極管容易工作于飽和和截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)其向數(shù)碼管供電時(shí)，工作于飽和狀態(tài)。數(shù)碼管的段選擇直接由p0口控制，可以正常驅(qū)動(dòng)。具體的電路連接如圖2.8所示。圖2.8飛行高度顯示電路圖2.6 飛機(jī)姿態(tài)顯示器飛機(jī)姿態(tài)顯示器由一列水柱式發(fā)光二極管顯示無(wú)人機(jī)機(jī)翼傾斜情況，即形象顯示無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)

47、。單片機(jī)根據(jù)機(jī)翼相對(duì)于機(jī)身中心點(diǎn)的高度，由p1口控制8個(gè)發(fā)光二極管，顯示飛機(jī)姿態(tài)。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)p3.4、p3.3將機(jī)翼的平衡、上傾、下傾三種狀態(tài)由另外兩個(gè)紅、綠發(fā)光二極管顯示，這樣可以為外接姿態(tài)調(diào)整控制器留有信號(hào)傳遞的余地，極大的豐富了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。具體電路連接圖如圖2.9所示。圖2.9 飛機(jī)姿態(tài)顯示器電路圖第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本章主要是對(duì)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)做詳細(xì)的介紹，程序的編寫在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要的地位，是系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)。程序包括：主程序、高度顯示子程序、延時(shí)子程序、姿態(tài)顯示子程序、排序子程序、中斷接收子程序。同時(shí)，對(duì)于程序調(diào)試中總結(jié)的點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn)做了詳細(xì)的闡述。3.1 主

48、程序匯編程序在匯編的過(guò)程中，必須要提供一些專門的指令，這些指令在匯編時(shí)并不產(chǎn)生目標(biāo)代碼，不影響程序的執(zhí)行，所以稱之為偽指令。在主程序之前，我寫了一些偽指令，它們包括數(shù)據(jù)地址賦值命令bit、data和起始指令org。特別的，在中斷接收時(shí)需要判斷信息頭$gpgga，故設(shè)定位尋址區(qū)00h06h分別存放對(duì)應(yīng)的7個(gè)標(biāo)志位，以便中斷接收時(shí)判斷信息頭。主程序分為start、start1、start2、gps_a 四個(gè)部分，前兩部分為初始化，主要為設(shè)定初始參數(shù)和清零內(nèi)存單元等。設(shè)定串行口控制寄存器scon為50h，如圖3.1所示，50h代表設(shè)置串口工作在模式1，允許接收。設(shè)定定時(shí)器方式寄存器tmod為20h，

49、如圖3.2所示，20h代表定時(shí)器t1工作于模式2：自動(dòng)重載設(shè)置值的方式。圖3.1 串行口控制寄存器scon控制位說(shuō)明圖3.2 定時(shí)器方式寄存器tmod控制位說(shuō)明定時(shí)器t1作為波特率產(chǎn)生器，初值th1 (自動(dòng)加載到tl1)可以由公式3.1計(jì)算得到。設(shè)置波特率為4800hz，單片機(jī)晶振頻率f為11.0592mhz,波特率選擇位smod置0，即波特率不翻倍。 （3.1）程序設(shè)計(jì)用到45h59h內(nèi)存單元，故先清除該單元和所有標(biāo)志位。具體內(nèi)存單元分配如表3.1所示。在start2中先判斷crflag值，它決定選通其中哪個(gè)位置的gps。若crflag為0，則接收翼尖上的gps數(shù)據(jù)，顯示機(jī)身中心點(diǎn)高度和飛機(jī)

50、姿態(tài)；若crflag為1，則接收機(jī)身中心點(diǎn)的gps數(shù)據(jù)，顯示翼尖高度和飛機(jī)姿態(tài)。連續(xù)調(diào)用3次高度顯示程序，這是為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示的連續(xù)性，可以看到數(shù)碼管一直在顯示數(shù)值，看不出熄滅過(guò)。同時(shí)，中斷接收程序進(jìn)行新高度數(shù)據(jù)的接收和處理，完成后對(duì)crflag賦新值。再次調(diào)用start2，實(shí)現(xiàn)無(wú)限循環(huán)。主程序流程圖見(jiàn)圖3.3。表3.1內(nèi)存單元分配00h01h02h03h04h05h06h08h09hsflagg1flagpflagg2flagg3flagaflagdflagflagcrflaggps輸出信息頭“$gpgga，”的七個(gè)標(biāo)志位排序交換標(biāo)志位輸出c還是a標(biāo)志位45h46h47h48h49h4ah4

51、bh4ch4dh4eh4fh50h中斷接收高度信息5組高度信息數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)c50h中數(shù)據(jù)復(fù)制到51ha50h中數(shù)據(jù)復(fù)制到52h53h54h55h56h57h58h59h存儲(chǔ)sbuf數(shù)據(jù)暫存數(shù)據(jù)暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)立即數(shù)4547h存儲(chǔ)立即數(shù)484chnum逗號(hào)數(shù)量num1排序的個(gè)數(shù)開始初始化接通翼尖上的gps調(diào)用高度顯示程序清零crflag接通機(jī)身中心點(diǎn)的gps調(diào)用姿態(tài)顯示程序crflag=0?yn圖3.3主程序流程圖3.2 高度顯示子程序中斷接收程序會(huì)將處理好的高度信息放在4dh50h中，高度顯示程序要做的是把這4個(gè)地址中的數(shù)據(jù)依次動(dòng)態(tài)顯示在數(shù)碼管上。首先關(guān)閉所有段選端，然后點(diǎn)亮第一個(gè)數(shù)碼管，再利用

52、4dh中的數(shù)值查表得到段選代碼后由p0輸出，延遲1ms，穩(wěn)定顯示器，之后，再關(guān)閉所有段選端，位選代碼左移點(diǎn)亮下一個(gè)數(shù)碼管，從4eh中取數(shù)如此循環(huán)下去，直到第4位數(shù)碼管輸出結(jié)束，程序?qū)?huì)自動(dòng)從第一個(gè)數(shù)碼管重新輸出，設(shè)計(jì)循環(huán)點(diǎn)亮4個(gè)數(shù)碼管ffh次，這樣利用了人眼的暫留特性，看起來(lái)是所有數(shù)碼管在同時(shí)顯示。程序中先關(guān)閉段選，輸出位選，再輸出段選，是為了避免位選時(shí)由于相鄰數(shù)碼管開關(guān)速度不一致，導(dǎo)致上一個(gè)數(shù)字顯示在下一個(gè)數(shù)碼管上。共陽(yáng)數(shù)碼管的示意圖及段選碼設(shè)置如圖3.4所示，其中段選碼“0”為亮，“1”為滅。圖3.4 共陽(yáng)數(shù)碼管的示意圖及段選碼設(shè)置3. 3 延時(shí)子程序最常見(jiàn)的多重循環(huán)是由djnz指令構(gòu)成的

53、軟件延時(shí)程序。使用12mhz晶振時(shí)，1個(gè)機(jī)器周期為1us，執(zhí)行1條djnz指令的時(shí)間為2us，設(shè)計(jì)程序?yàn)椋篸l1ms: mov r6,#14h ；十進(jìn)制為20dl1: mov r7,#19h ；十進(jìn)制為25dl2: djnz r7,dl2 ；2*25+2=52us djnz r6,dl1 ；（522）*20+1=1.081ms ret從上面計(jì)算可以看出，軟件延遲并不準(zhǔn)確，但在本系統(tǒng)中并不需要非常精確的延遲，上述1ms延時(shí)程序是可行的。3. 4 姿態(tài)顯示子程序中斷接收程序中處理好的機(jī)身中心點(diǎn)高度、翼尖高度的個(gè)位數(shù)字被分別存進(jìn)51h、52h中。姿態(tài)顯示程序首先將51h、52h中的數(shù)值做差，若差值為

54、零，則點(diǎn)亮綠燈和p1口4個(gè)燈，表示飛機(jī)處于平衡狀態(tài)。進(jìn)位標(biāo)志cy為零，說(shuō)明差值為正數(shù)，表示機(jī)翼正在向地面傾斜，滅紅燈、綠燈，若差值分別為1、2、3，則分別點(diǎn)亮p1口3個(gè)燈、2個(gè)燈、1個(gè)燈，表示機(jī)翼的傾斜程度；若差值大于或等于4，則p1口燈全滅。進(jìn)位標(biāo)志cy不為零，說(shuō)明差值為負(fù)數(shù)，表示機(jī)翼正在向天空傾斜，點(diǎn)亮紅燈，將52h、51h中的數(shù)值做差，若差值分別為1、2、3、4，則分別點(diǎn)亮p1口5個(gè)燈、6個(gè)燈、7個(gè)燈、8個(gè)燈，表示機(jī)翼的傾斜程度；若差值大于4，則p1口燈全滅。姿態(tài)顯示程序的流程圖見(jiàn)圖3.5。51h中的內(nèi)容減去52h中的內(nèi)容開始點(diǎn)亮p1口4個(gè)燈，滅紅燈，亮綠燈差值為0？cy為0？ynynb

55、ca滅紅燈、綠燈差值減1 為0？差值再減1 為0？ynynyn差值再減1 為0？點(diǎn)亮p1口3個(gè)燈點(diǎn)亮p1口2個(gè)燈點(diǎn)亮p1口1個(gè)燈p1口燈全滅滅綠燈亮紅燈52h中的內(nèi)容減去51h中的內(nèi)容差值減1 為0？差值再減1 為0？ynynyn差值再減1 為0？返回點(diǎn)亮p1口5個(gè)燈點(diǎn)亮p1口7個(gè)燈p1口燈全亮p1口燈全滅差值再減1 為0？點(diǎn)亮p1口6個(gè)燈ynbca圖3.5 姿態(tài)顯示程序流程圖3. 5 排序子程序中斷接收5組數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)用冒泡法將數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排列。首先，比較相鄰兩個(gè)數(shù)的大小，大數(shù)向后移，有交換則交換標(biāo)志flag置1，5個(gè)數(shù)都比較一遍后，flag若為1則清零后重新交換比較一遍，直到比較一遍后flag為0，停止比較，此時(shí)數(shù)據(jù)已按升序排列好了。圖3.6為排序程序流程圖。交換標(biāo)志flag清零開始順序取下一個(gè)數(shù)指針加1順序取下一個(gè)數(shù)并比較后一個(gè)數(shù)??？?jī)蓴?shù)交換flag置1比較一遍？flag=1?返回yyynn