畢業(yè)設(shè)計(論文)-基于GPS和GPRS遠程定位系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

本科畢業(yè)設(shè)計論文題目：基于GPS和GPRS遠程定位系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)作者姓名指導教師 專業(yè)班級自動化1003學院信息工程學院提交日期2014年6月9日浙江工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計論文基于GPS和GPRS遠程定位系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)作者姓名：指導教師：教授浙江工業(yè)大學信息工程學院2014年6月DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnologyfortheDegreeofBachelorDesignandImplementationofGPS-andGPRS-BasedPositioningSystemsStudent:PanWenxiangAdvisor:YuLiCollegeofInformationEngineeringZhejiangUniversityofTechnologyJune2014浙江工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書專業(yè)自動化班級自動化1003學生姓名潘文祥一．設(shè)計（論文）題目：基于GPS和GPRS遠程定位系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)二．原始資料：1.李艷晴等,《基于GPRS/GPS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計》，微計算機信息，2004年第4期。2.鐘章隊.GPRS通用分組無線業(yè)務.人民郵電出版社,2001。3.李寧編著。《基于MDK的STM32處理器開發(fā)應用》，北京航空航天大學出版社。4.邵世祥，林剛，戴美泰GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化北京：人民郵電出版社20035.李龍,李廣俠,朱德生基于GSM短消息平臺的數(shù)據(jù)傳輸及其在物流管理中的應用《軍事通信技術(shù)》2001.1三．設(shè)計（論文）要求：1.分析整個電路的工作原理，2.控制電路設(shè)計，3.編寫控制程序和實現(xiàn)，4.電路、程序調(diào)試分析四．畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容：1設(shè)計（論文）說明書（根據(jù)大綱要求）萬字論文2設(shè)計（論文）圖紙電路原理圖，電路仿真圖，程序流程圖五．畢業(yè)設(shè)計（論文）工作期限：任務書發(fā)給日期2013年12月12日設(shè)計（論文）工作自2013年12月12日至2014年6月2日設(shè)計（論文）指導教師系主任主管院長目錄TOC\h\z\t"標題1,2,標題2,3,標題3,4,副標題,2,標題,1"摘要 IABSTRACT II第1章緒論 11.1課題的研究背景及研究意義 11.1.1研究背景 11.1.2研究意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展狀況 21.2.1國內(nèi)發(fā)展狀況 21.2.2國外發(fā)展狀況 31.3本課題的研究內(nèi)容 31.4文章整體結(jié)構(gòu) 41.5本章小結(jié) 5第2章定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù) 62.1.美國GPS定位系統(tǒng) 62.1.1GPS系統(tǒng)組成 62.1.2GPS技術(shù)特點 82.1.3GPS定位原理 82.2四大系統(tǒng)的比較 102.3GPS定位系統(tǒng)的相對優(yōu)勢 112.4GPS定位系統(tǒng)的通信協(xié)議——NMEA-0183 112.4.1NMEA-0183通訊協(xié)議硬件接口 122.4.2NMEA-0183語句解析 122.5GPRS技術(shù)介紹 132.6本章小結(jié) 13第3章系統(tǒng)總體設(shè)計 143.1系統(tǒng)功能與組成 143.2系統(tǒng)設(shè)計方案的選取 143.3該系統(tǒng)定位終端硬件模塊的選取 153.3.1主控制模塊 153.3.2定位模塊 163.3.3SIM300通信模塊 163.3.4LCD液晶顯示屏 173.4本章小結(jié) 17第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計 184.1定位系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu) 184.2單片機控制模塊設(shè)計 184.3GPS接收模塊設(shè)計 194.4SIM300模塊設(shè)計 204.4.1產(chǎn)品概念 204.4.2SIM卡接口及電路設(shè)計 204.4.3SIM300模塊電路設(shè)計 214.5電源模塊設(shè)計 224.6串口設(shè)計模塊 234.7LCD液晶模塊設(shè)計 244.8本章小結(jié) 24第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計 255.1MCU控制模塊的主要功能及流程設(shè)計 255.2GPS模塊的主要功能及流程設(shè)計 265.2.1GPRMC數(shù)據(jù)詳解 275.2.2軟件功能設(shè)計 275.3SIM300模塊的主要功能與設(shè)計 285.4LCD顯示模塊的功能與設(shè)計 305.5串口操作模塊設(shè)計 305.6本章小結(jié) 33第6章系統(tǒng)測試過程 346.1系統(tǒng)測試軟件介紹 346.2模塊聯(lián)合測試 366.3本章小結(jié) 38第7章總結(jié)與展望 397.1總結(jié) 397.2展望 39參考文獻 40附錄 42致謝 45浙江工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計論文第1章緒論1.1課題的研究背景及研究意義曾經(jīng)風靡全球的定位系統(tǒng)[1]（GlobalPositioningSystem）,縮寫GPS?，F(xiàn)在定位技術(shù)發(fā)展相當成熟的年代，GPS定位技術(shù)[2]仍然是一塊不朽的豐碑，其研究意義仍然具有代表性。對GPS定位系統(tǒng)的不斷研究可以使定位系統(tǒng)不斷的向小型化，智能化與多功能化發(fā)展。1.1.1研究背景信息革命時代，高精度的衛(wèi)星導航定位技術(shù)[3]發(fā)展迅速，應用范圍愈來愈廣。GPS定位系統(tǒng)可以比比喻成一個在太空中的設(shè)置的無線導航臺，該系統(tǒng)是由24顆定位衛(wèi)星組成[4]，無論在什么時候，都可為地球上的各種客戶確定其所在地的地理位置的經(jīng)緯度以及海拔高度等數(shù)據(jù)信息。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即一個按相應分布原理分布在地球上空的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，保證了在地球上任何一個地面位置上在同一時刻都可以同時檢測到4顆或4顆以上的衛(wèi)星,從而保證衛(wèi)星可以準確采集到該觀測點的經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息,迅速實現(xiàn)衛(wèi)星導航、定位、授時等功能[5]。還可用于飛機、船舶、車輛以及個人導航，按指定路線精確抵達目的地。有效的降低了用戶為了尋找目的地而付出的資源浪費，從一定程度上提高了作業(yè)效率、科學水平以及人們的生活質(zhì)量[2]。1.1.2研究意義課題研究的基于GPS與GPRS的定位系統(tǒng)的應用領(lǐng)域相當廣泛，基于不同的領(lǐng)域都是有其相適應的研究意義，下面簡單的介紹一下課題研究的幾點意義：車船防盜系統(tǒng)：GPS定位技術(shù)可以應用于汽車、輪船等交通設(shè)備的防盜系統(tǒng)[6]。安裝該防盜系統(tǒng)終端在汽車、船只等設(shè)備上面，該終端能夠自由的獲取GPS的定位信息，在該設(shè)備被盜的情況下就可以向終端發(fā)送定位請求，這樣就可以通過接收到由終端傳來的GPS定位信息，尋找丟失的車輛與船只等。導航系統(tǒng)：憑借GPS的定位系統(tǒng)具有全球、全天候工作、高精度定位、觀測時間短等特點，在海上作業(yè)、陸路運輸、野外勘測等其他行業(yè)都承擔著導航定位的重任。其他領(lǐng)域：除了防盜系統(tǒng)，導航定位系統(tǒng)在其他的領(lǐng)域也同樣扮演者重要的角色。例如，該定位系統(tǒng)為游客們在出門旅游時也提供了相當?shù)谋憬菖c安全。在測繪領(lǐng)域也大有作為[7]，為工程師們提供便捷服務。市場價值：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[8]的不斷發(fā)展，人們對高品質(zhì)生活質(zhì)量的不斷提高，高精度的定位電子產(chǎn)品以及相關(guān)技術(shù)將不斷應用在人們的日常生活必需的產(chǎn)品中。隨著相關(guān)電子產(chǎn)品（例如：智能手機）的普及，該技術(shù)也將擁有巨大的市場價值。1.2國內(nèi)外發(fā)展狀況美國GPS：GPS是由美國國防部在1970年代初開始設(shè)計與研發(fā)，直到1993年才基本全部建成[9]。美國政府在1994年宣布在未來10年內(nèi)會免費向世界各國提供GPS使用權(quán)限，由于軍事原因，美國也只會提供精度相對較低的定位信息[10]。這樣的定位系統(tǒng)也等價于為美國設(shè)計了一個退路，如果發(fā)生了軍事戰(zhàn)爭，美國軍方為了自己的安全，完全可以關(guān)閉對該地區(qū)的使用權(quán)。GPS導航定位技術(shù)的研究，國內(nèi)外的水平都是參差不齊,下面簡單的從國內(nèi)、國外兩個方面進行介紹。1.2.1國內(nèi)發(fā)展狀況我國的衛(wèi)星定位技術(shù)相對于一些發(fā)達國家來說起步較晚，從上個世紀八十年代初期才開始從國外引進衛(wèi)星導航技術(shù)，但我國的衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展卻非常的迅速?，F(xiàn)基本已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。初期的時候，我們引進的定位技術(shù)主要用于工程測量，石油勘測等大型項目上面[11]。在80年代末期的時候我國又再次的引進GPS定位技術(shù)，并開始自己研發(fā)基于GPS的定位系統(tǒng)，該技術(shù)還只是作用于小部分部分產(chǎn)業(yè)，但是帶來相當可觀的經(jīng)濟效益。到上個世紀末期，中國就開始研發(fā)屬于中國人自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并在2003年6月份，已經(jīng)成功發(fā)射了覆蓋整個亞洲的3個同步衛(wèi)星，該定位衛(wèi)星主要用于國家安全領(lǐng)域，還沒有發(fā)展到民用領(lǐng)域。這三顆衛(wèi)星就標著屬于中國人自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生，“北斗”導航系統(tǒng)[12]的誕生。發(fā)展中國自己的導航定位系統(tǒng)，2000年10月31日和同年的12月21日，我國成功的發(fā)射了兩顆北斗一號衛(wèi)星，由這兩顆北斗衛(wèi)星構(gòu)成的獨特的“雙星有源定位系統(tǒng)”。第三顆北斗衛(wèi)星成功發(fā)射與2003年5月25日。它是北斗導航定位系統(tǒng)的備用衛(wèi)星，這三顆衛(wèi)星組成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。1.2.2國外發(fā)展狀況世界上第一個實用的衛(wèi)星導航系統(tǒng),是美國研制的子午儀(Transit)衛(wèi)星導航系統(tǒng),又稱為海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)(NavyNva1gationSatelliteSystem[13]),于1964年正式投入使用,主要為美國海軍服務,子午儀系統(tǒng)有4-6顆衛(wèi)星組成導航衛(wèi)星網(wǎng)[14]。衛(wèi)星軌道是近似圓形的極軌道,每個軌道上有一顆衛(wèi)星,衛(wèi)星沿南北方向運行,軌道高約1100公里,衛(wèi)星繞地球一周的運行周期約為107分鐘,子午儀系統(tǒng)能在全球范圍內(nèi),全天候?qū)崿F(xiàn)二維(經(jīng)度、緯度)定位,航行定位精度0.1-0.3海里,缺點是不能連續(xù)定位,一次定位的時間又較長,且不能確定用戶位置的高度,因此限制了飛機等用戶的使用。為更好地為軍方和人民提供高質(zhì)量的定位信息，最后美國決定于1973年開始研制一種新型衛(wèi)星定位系統(tǒng)[15]，并且命名為全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem)，簡稱GPS。1978年之后,一些北大西洋組織的國家和澳大利亞也參加了GPS計劃，并于1993年全部建成[16]。為不受美國的限制，1999年歐洲空間局提出并計劃，準備發(fā)射30顆衛(wèi)星，為滿足歐洲的海陸空導航系統(tǒng)等作用的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)就組成“伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng)[17]。日本研究了一種區(qū)域性衛(wèi)星導航和氣象導航雙重功能的導航系統(tǒng)[18]。該系統(tǒng)用兩顆同步衛(wèi)星：一顆是通信衛(wèi)星，保持飛機或船艦與地面站的通信聯(lián)絡(luò)；另一顆是氣象衛(wèi)星，用戶及地面站可接收其信號，用來協(xié)助選擇最佳航線。通過兩顆衛(wèi)星發(fā)出的信號的應答，可實現(xiàn)準確定位。1.3本課題的研究內(nèi)容一款定位系統(tǒng)的終端性能的設(shè)計主要決定于GPS定位芯片的選取，以及主控中心器材性能的選擇?，F(xiàn)在大部分的定位終端的設(shè)計基本都是基于嵌入式方案實現(xiàn)的。對于本課題的研究，為了降低開發(fā)成本，主要是采用一款傳統(tǒng)51內(nèi)核的STC12單片機作為控制芯片。采取這樣STC12單片機不僅克服了使用普通單片機功能單一，資源分配不合理，或者避免使用更高端單片機的資源的浪費，從而可以降低成本與節(jié)約資源，還可以使系統(tǒng)資源得到合理優(yōu)化。本課題研究內(nèi)容：設(shè)計時GPS定位系統(tǒng)采用的是STC12C5A60S單片機作為主控器，U_BloxNeo6M作為定位信息接收模塊，SIM300作為通信模塊芯片，這樣的搭配節(jié)約了成本縮短了開發(fā)周期。實現(xiàn)功能是通過U_Blox接收GPS定位信息，單片機通過串口接收并且處理來自GPS的信息數(shù)據(jù)，處理好的數(shù)據(jù)然后通過單片機的另一個串口發(fā)送給SIM300模塊，該模塊就可以將接收到定位數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送給手機。這樣就實現(xiàn)了定位及定位信息發(fā)送的功能。1.4文章整體結(jié)構(gòu)本文共分為7章，各章的主要內(nèi)容如下：第1章：緒論。主要介紹課題的研究背景以及研究的意義，國內(nèi)外發(fā)展狀況和應用現(xiàn)狀，以及論文所需要完成的主要內(nèi)容以及文章的整個組織結(jié)構(gòu)。第2章：定位系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)介紹。本章是論文的第一個重點，主要是全方位介紹與定位系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)，簡單分析了現(xiàn)在最流行的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)相關(guān)定位技術(shù)，分別從幾個方面對這四個定位系統(tǒng)作簡單的比較分析，完成分析過后然后再列出課題選擇的GPS定位系統(tǒng)的相對優(yōu)勢。章節(jié)最后對GPS定位系統(tǒng)的通信協(xié)議進行介紹與學習。第3章：系統(tǒng)總體設(shè)計。對第2章GPS定位系統(tǒng)展開的全方位介紹，本章將繼續(xù)圍繞課題的第2個重點：定位系統(tǒng)總體設(shè)計框架與思路。了解系統(tǒng)需求，基于系統(tǒng)設(shè)計原則對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進行詳細說明。這一章從系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成部分、系統(tǒng)設(shè)計方案的選取及定位終端硬件模塊的選取這四個方面為突破口進行突破。第4章：系統(tǒng)硬件設(shè)計。充分了解系統(tǒng)的功能及組成部分后，本章主要闡述了定位終端的硬件設(shè)計與實現(xiàn)過程。這一章主要從系統(tǒng)終端總體硬件結(jié)構(gòu)圖、單片機控制模塊選材與電路設(shè)計、GPS接收模塊選材與電路設(shè)計、SIM300模塊選材與電路設(shè)計、電源模塊設(shè)計、串口模塊設(shè)計、LCD顯示模塊設(shè)計等，全面介紹定位終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。第5章：系統(tǒng)軟件設(shè)計?；谟布娐吩O(shè)計的基礎(chǔ)上，下面主要任務就是通過單片機編寫主控制程序。主控制程序編寫設(shè)計模塊分別從定位系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計、MCU控制模塊的主要功能及流程設(shè)計、GPS模塊的主要功能及流程設(shè)計、SIM300模塊的主要功能與設(shè)計、LCD顯示模塊的功能與設(shè)計、串口操作模塊設(shè)計來進行主控程序的說明與實現(xiàn)。第6章：系統(tǒng)測試過程。整個系統(tǒng)的設(shè)計和以及最后的調(diào)試都是重要的環(huán)節(jié)。調(diào)試和測試在整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中占有很大比重，只有在不斷的調(diào)試當中才會發(fā)現(xiàn)錯誤并及時修改程序以達到最佳效果。本次調(diào)試分為硬件和軟件調(diào)試兩大部分。第7章：本次畢業(yè)設(shè)計的工作總結(jié)、不足之處以及今后繼續(xù)研究的問題。1.5本章小結(jié)本章主要圍繞著設(shè)計課題的研究背景和意義，國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，論文的整體結(jié)構(gòu)以及各章節(jié)所涉及的內(nèi)容，為后續(xù)章節(jié)的完成打下良好的基礎(chǔ)。

第2章定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)2.1.美國GPS定位系統(tǒng)GPS全球定位系統(tǒng)（GlobalPositionSystem），美國國防部在上個世紀70年代制定的研究計劃，該計劃耗資200多億美元且歷時20年，于1994年正式完成了該計劃。也就是宣布了一個具有在海陸空都能全方位的、全天候的、高效的進行定位導航的空間衛(wèi)星系統(tǒng)的誕生。該定位系統(tǒng)不是憑空而建的，而是基于美國當時軍方使用的海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)(NavyNva1gationSatelliteSystem)又重新研制的更加全方位的定位衛(wèi)星系統(tǒng)。按照現(xiàn)在的GPS定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料顯示，該定位系統(tǒng)在地球上空20200公里的空間分布了24顆定位衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星群還包含了3顆備用衛(wèi)星，它們都是繞組地球以近似圓形的軌道運行，24顆定位衛(wèi)星平均分布在6個空間軌道上面，每個軌道的傾角大約為55度，每顆衛(wèi)星的運行周期大概為11小時58分鐘。這24顆衛(wèi)星的分布準則是保證我們在地球上面任何地方都可以同時觀測到4顆或4顆以上的定期衛(wèi)星，這樣才能保證定位的準確性、全方位及全天候性。隨著GPS定位系統(tǒng)日益完善，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，應用領(lǐng)域也不斷擴大，成為人們?nèi)粘Ｉ钪械牟豢苫蛉钡募夹g(shù)。2.1.1GPS系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由三個部分組成：空間組成部分、地面監(jiān)控部分、GPS接收用戶部分。下面簡單的從這三個部分作簡要說明。（1）空間組成部分：這部分即是由空間分布的24顆衛(wèi)星群組成的，通常記為（21+3）GPS衛(wèi)星群。24顆衛(wèi)星群還包含了3顆備用衛(wèi)星，它們都是繞組地球以近似圓形的軌道運行，24顆定位衛(wèi)星平均分布在6個空間軌道上面，每個空間軌道的傾角大約為55度左右，每顆衛(wèi)星的運行周期大概為11小時58分鐘。站在地球表面附近的的觀測者,每次大約時隔4分鐘就會見到同一顆定位衛(wèi)星。處于地球表面以上可觀察到的衛(wèi)星的數(shù)量會隨著時間或地點的不同而不盡相同,但是最少可觀察到4顆,最多甚至可到11顆衛(wèi)星。3顆備用衛(wèi)星，會在衛(wèi)星發(fā)生故障的時候，根據(jù)指揮部的指令與發(fā)生故障的衛(wèi)星進行替換,這就為GPS空間部分能夠正常高效的工作提供了有力的保障。（2）地面監(jiān)控部分：GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由主控站、注入站和監(jiān)測站組成。GPS地面監(jiān)控站主要由一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站[19]組成，具體如圖2-1所示。主控站主要是管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，采集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)信息，編制導航電文數(shù)據(jù)，并送往注入站。注入站再將衛(wèi)星的星歷注入GPS衛(wèi)星，監(jiān)控該衛(wèi)星的運行狀態(tài)，并向該衛(wèi)星發(fā)送控制指令信息；衛(wèi)星維護與異常情況的處理。主控站根據(jù)各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導航電文注入到相應衛(wèi)星的存儲器中去。如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)星中預存的導航信息還可用一段時間，但是導航精度會降低。圖2-1GPS地面監(jiān)控中心（3）GPS接收用戶部分：即GPS信號接收機。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衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(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)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(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接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后，機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用[20]。2.1.2GPS技術(shù)特點（1）定軌精度：由美國大陸基地以及美國的海外軍事基地上的5個監(jiān)測中心的觀測數(shù)據(jù)計算得到的廣播星歷。但因檢測中心數(shù)量少,故該系統(tǒng)的衛(wèi)星定軌精度不高。這樣計算的衛(wèi)星定位位置切向誤差范圍±5m；徑向誤差范圍±3m；法向誤差范圍±3m。除了廣播星歷，美國國防制圖局根據(jù)全球20多個衛(wèi)星跟蹤站的觀測資料計算還有一套精密星歷，因檢測中心數(shù)量多且分布范圍廣，故該定軌精度較5個檢測中心的道德數(shù)據(jù)高出一個數(shù)量級。由國際GPS地球動力學服務組織(IGS)所測算預報的精密星歷比美國軍方測定的精密星歷的精度要高得多,衛(wèi)星位置精度可達±3厘米[21]。（2）信號分量：GPS信號包含了三種信號分量，即載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼。這些信號分量都是在同一個基本頻率F0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的。每個GPS衛(wèi)星在兩個頻率波段上發(fā)布獨立信號。GPS衛(wèi)星的測距和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上，即在兩個波段(L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz)的載波信號中[22]。C/A碼是一種短碼，用于跟蹤、鎖定測量的偽隨機碼，碼率為1.023Mb/s，波長約為300米，周期為1Ms。P碼是GPS的精測碼，碼率10.23Mb/s。（3）定位精度：利用偽隨機碼的信號單機測量，理論上按照目前測距碼的對齊精度約為測距碼波長的1/l00計算，C/A碼的測距精度約為±3m；而P碼的測距精度約為±0.3m。消除公共誤差提高定位精度，可利用2臺以上的載波相位GPS定位儀實行聯(lián)測定位，對于載波信號單頻機的相對定位精度可達：±(5mm+2ppm×D)其中D為兩臺儀器的相對距離；對于載波信號雙頻機，它能有效的消除電離層延時誤差，其相對定位精度可達：±(1mm+1ppm×D)[23]。2.1.3GPS定位原理（1）單點動態(tài)定位：就是將一個GPS用戶接收機放在一個運動著的載體上，并且該載體能夠自動地測得自己動態(tài)的實時位置，然后就通過這些實時位置獲得的數(shù)據(jù)處理得到運動載體的具體運行的軌跡。該定位原理又稱為“絕對動態(tài)定位”。單點動態(tài)定位基本方程（2-1）。(2-1)式中，Xu、Yu、Zu為動態(tài)用戶組在Tk時刻的瞬態(tài)位置狀況；式中Xj、Yj、Zj也是描述第j顆GPS衛(wèi)星在其運行的軌跡上瞬時位置坐標，這些坐標可根據(jù)星歷計算而得到。ρj’為GPS信號接收機的接收天線和第j顆GPS定位衛(wèi)星之間的距離，又稱為“星站距離”。d是衛(wèi)星距離偏差，是由GPS信號接收機的時鐘誤差及其他誤差因素所導致的距離偏差。利用（2-1）計算用戶的位置時，不能直接計算出它們的三維坐標，而是只求出了每個坐標分量的修正量，即假設(shè)用戶初始的三維坐標值為（Xu0,Yu0,Zu0），而計算出的三維坐標的改正值則為△Xu,△Yu,△Zu以及距離偏差d。然后對（2-1）式中Xu，Yu，Zu分別微分處理，便可得出一組線性方程（2-2）:(2-2)其中，矩陣為QUOTE(2-3)ρj’為對應于第j顆GPS衛(wèi)星的偽距觀測值。利用式（2-3）計算的運動載體的實時點位坐標時，因此后面每一個點位的初坐標都可以根據(jù)前一個點位坐標來進行設(shè)定，所以關(guān)鍵是要確定第一個點位坐標的初始值，才能精確求的第一個點位的三維坐標。（2）實時差分動態(tài)定位：就是將一個GPS用戶接收機放在一個運動著的載體上，并且將另一臺GPS接收機放在一個基準站之間，這樣協(xié)作測量該運動載體的實時位置，然后就通過這些實時位置獲得的數(shù)據(jù)處理得到運動載體的具體運行的軌跡，故差分動態(tài)定位原理又稱為“相對動態(tài)定位”。所謂實時差分動態(tài)定位（DGPS），就是用兩臺接收機在兩個測站上同時測量來自相同GPS衛(wèi)星的導航定位信號，用以聯(lián)合測得動態(tài)用戶的精密位置。其中一個檢測站坐標信息是已知，基準接收機就是設(shè)在該基準點的GPS信號接收機。動態(tài)接收機，即GPS信號接收機安設(shè)在運動載體上，基準接收機和動態(tài)接收機同時測量來自相同的GPS衛(wèi)星的定位信號。利用基準接收機所測得的三維位置信息并與該點已知三維位置信息進行比較，便可得到該GPS定位的三維坐標信息的改正值。及時將GPS三維坐標信息的改正值發(fā)送給其他客戶的動態(tài)接收機組，及時改正后面所檢測的實時坐標位置信息，這就被稱為實時差分動態(tài)定位。圖2-2為實時差分動態(tài)定位[24]的原理框圖。圖2-2差分動態(tài)定位的原理框圖（3）后處理差分動態(tài)定位[25]：后處理差分動態(tài)定位和實時差分動態(tài)定位的主要差別在于：在運動載體和基準站之間，不必像實時動態(tài)定位那樣要建立實時數(shù)據(jù)傳輸，而該定位原理則是在定位檢測以后才對動態(tài)接收機和基準接收機所采集的定位信息進行測后的處理，而測出接收機所在的載體在對應時刻位置坐標信息。2.2四大系統(tǒng)的比較隨著世界上面全球定位的不斷發(fā)展和應用的不斷更新，現(xiàn)在的衛(wèi)星導航技術(shù)比過去的無線電導航技術(shù)、天文導航技術(shù)等傳統(tǒng)技術(shù)更加的先進與精準，目前已經(jīng)成為一種普遍的導航技術(shù)，并且應用于許多領(lǐng)域。至于上面所提到的四種衛(wèi)星定位系統(tǒng)，目前使用最廣的也就是美國的GPS全球定位系統(tǒng)，在GPS剛剛完成計劃的初期，美國軍方都不會直接把GPS精確地定位信息共享出來夠大家使用，而是被美國軍方在其基礎(chǔ)上施加了一種干擾信號，使得除了美軍自己以外的所有用戶只能得到定位精度在100m，授時精度340ns的服務。隨著后面俄羅斯的格魯納斯和歐洲的伽利略這兩個導航定位系統(tǒng)的建立與啟動服務，使得控制的GPS定位系統(tǒng)的美國軍方壓力很大，最終決定于2000年5月全面撤銷對GPS的人為干擾，這使得GPS的定位精度提升到20m，授時精度提高到了40ns，并且承諾會加快對GPS的完善，還會增加兩個民用的頻率。盡管俄羅斯的格魯納斯定位系統(tǒng)沒有像美軍一樣的人為加一些干擾信號，但是由于俄羅斯當時的政府經(jīng)濟處于一片蕭條的狀態(tài)，這一經(jīng)濟狀況導致了俄羅斯無法及時的更新一些已經(jīng)快到服務年限的定位衛(wèi)星，由于衛(wèi)星得不到及時的更新與替代，導致了格魯納斯的定位精度也一直處于老狀態(tài)，沒有得到巨大提升。所以，格魯納斯想在由GPS統(tǒng)治的導航市場上面站穩(wěn)腳跟也是很難的。對于我國的北斗導航系統(tǒng)，相對于前面幾種衛(wèi)星定位系統(tǒng)來說，主要是定位時間較慢，平均每次定位時間大于等于0.6s，不能連續(xù)導航，且無法適應高速運動的環(huán)境，只能運行在低速運行或則提供靜態(tài)定位服務。除此之外，北斗定位系統(tǒng)不僅需要地面中心站提供數(shù)字高程圖信息，還需要用戶接收機發(fā)送上行，因為這樣的原因才使得該系統(tǒng)受到了許多方面的限制。至于歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然主要應用于民用，但是目前該系統(tǒng)還有許多技術(shù)不是很成熟，離我們的實用性還是有很多差距，綜合上面的所有信息，目前我國現(xiàn)在應用最多的導航定位系統(tǒng)還是美國的GPS全球定位系統(tǒng)。2.3GPS定位系統(tǒng)的相對優(yōu)勢美國全球定位系統(tǒng)具有全球、全天候工作、定位精度高、功能多，應用廣等特點。相對于其他的幾種定位系統(tǒng)，這里總結(jié)了一些GPS的相對優(yōu)勢：（1）高精度，時效快：GPS的定位精度相對較高，按照理論計算可以達到5m左右；且時效快，平均1秒就可以進行一次定位，這個時間對于高速運動的物體定位尤其重要。（2）被動式的工作原理：GPS導航定位時候，用戶設(shè)備只需要接收GPS發(fā)送的信號就可以了，直接對其信號進行處理就可以了，更不需要像北斗一樣還要發(fā)送用戶信號，GPS這種原理可以容納更多的用戶，且隱蔽性比較好。（3）全球連續(xù)導航定位：GPS空間部分是由24顆衛(wèi)星組成，合理的分布在6個軌道上面，軌道高達20200km，所以在地球表面或者近空空間任何一點，均可同一時間觀測到4顆以上衛(wèi)星，從而可以實現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導航定位。2.4GPS定位系統(tǒng)的通信協(xié)議——NMEA-0183NMEA-0183協(xié)議，接觸過GPS設(shè)備或者用過GPS設(shè)備研發(fā)的都了解，這是一個很常用的GPS通訊協(xié)議。簡單的介紹一下GPS定位系統(tǒng)的NMEA-0183通信協(xié)議。GPS接收機與手持機之間的數(shù)據(jù)交換格式一般都由生產(chǎn)廠商定制，其定義內(nèi)容一般用戶很難知曉，并且對于不同品牌、不同型號的GPS接收機所配置的控制應用程序也因生產(chǎn)廠家的不同而不盡相同。所以對于通用的GPS應用軟件，需要定義一個標準的數(shù)據(jù)格式，以解決與任意一臺GPS的接口問題。NMEA數(shù)據(jù)標準就是解決這類問題的方案之一。為在不同型號GPS導航設(shè)備中建立統(tǒng)一的RTCM標準才制定了NMEA通信協(xié)議，RTCM標準最初是由美國國家海洋電子協(xié)會統(tǒng)一制定的。NMEA[26]協(xié)議有0180、0182和0183這3種，NMEA-0183可以簡單理解是前兩種的升級版，也是目前使用最為廣泛的一種。2.4.1NMEA-0183通訊協(xié)議硬件接口NMEA-0183標準的GPS接收機的硬件接口能夠兼容PC機的RS-232C串口協(xié)議，嚴格來說NMEA標準不是RS-232C，規(guī)范推薦依照EIA-422，是一個與RS-232C不同的系統(tǒng)。標準RS-232C采用負邏輯，即邏輯“1”表示-5V～-15v，邏輯“0”表示+5V～+15V，利用傳輸信號線和信號地之間的電壓差進行傳輸。EIA-422標準是利用信號線之間的壓差來傳輸信號的，每個通道都有信號線，分別為邏輯“1”和邏輯“0”，傳輸驅(qū)動器和接收器主要功能是轉(zhuǎn)換邏輯電平的電位差，允許驅(qū)動器輸出為±2V～±6V[27]。2.4.2NMEA-0183語句解析NMEA-0183通訊協(xié)議所規(guī)定的通訊語句都已是以ASCII碼為基礎(chǔ)的。為了能夠更好地提取GPS信息數(shù)據(jù)，必須理解NEMA-0183協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)，其幀結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。NMEA-0183協(xié)議語句的數(shù)據(jù)格式[28]如下：“$”為語句起始標志；“，”為域分隔符；“*”為校驗和識別符，其后面的兩位數(shù)為校驗和，代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值；“／”為終止符，也就是ASCII字符的“回車”（0X0D）和“換行”（0X0A）。典型的NMEA-0183語句如下面的GPRMC語句?！癞擥PS正常工作時，語句如：$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54●當GPS收不到衛(wèi)星信號時，GPRMC語句輸出變?yōu)椋?GPRMC,121252.000,V,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54NMEA-0183規(guī)范還允許個別廠商定義私有的語句格式，這些語句以“$P”開始，然后是三個字符長度的廠商識別號，跟著是廠商定義的數(shù)據(jù)，接下來的數(shù)據(jù)格式與標準格式相同。如Garmin的PGRME私有格式如下：$PGRME,4.4,M,2.5,M,11.4,M*8。其中，“P”代表私有格式，“GRM”是Garmin的代碼，“E”表示語句類型。圖2-4NMEA_0183協(xié)議幀結(jié)構(gòu)2.5GPRS技術(shù)介紹GeneralPacketRadioService的英文簡稱GPRS，是鼎鼎有名的通用分組無線業(yè)務。GPRS這個業(yè)務是在當時現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上面發(fā)展的一種新的業(yè)務，GPRS的主要功能就是為當時的GSM用戶提供額外的數(shù)據(jù)分組服務。GPRS和大家都很熟悉的GSM都是采用相同的無線調(diào)制標準、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)。GPRS這樣新的數(shù)據(jù)分組形式與當前的電路交換的話音業(yè)務信道極其相似，因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)(BSS)從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。通用分組無線業(yè)務可使用戶在點對點的分組模式下進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，并且不需要以前交換模式下的網(wǎng)絡(luò)資源。這樣的無線分組服務不僅高效而且低成本。GPRS的適用的數(shù)據(jù)傳輸模式是：間斷的、突發(fā)性的、少量的和頻繁的、偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。2.6本章小結(jié)本章主要介紹了課題設(shè)計過程中的核心技術(shù)。具體內(nèi)容包括：全球四大定位系統(tǒng)介紹、四大定位系統(tǒng)之間的差異、GPS定位系統(tǒng)相對優(yōu)勢，最后介紹了和課題設(shè)計相關(guān)的NMEA-0183通訊協(xié)議和GPRS的相關(guān)知識。

第3章系統(tǒng)總體設(shè)計3.1系統(tǒng)功能與組成本課題研究的對象是一個定位系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)研究設(shè)計主要運用了GPS技術(shù)，GPRS技術(shù)和通信技術(shù)。本系統(tǒng)主要通過單片機實現(xiàn)對GPS于SIM300模塊進行連接，利用串口通信來處理兩個模塊的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)獲取GPS的定位信息，然后通過SIM300模塊把采集的定位信息傳送給相應的接收端，從而實現(xiàn)遠程定位。本課題研究設(shè)計的遠程定位系統(tǒng)集中了許多技術(shù)知識，其中最主要的技術(shù)就是單片機的串口操作，因為要想通過單片機對GPS模塊或者SIM300模塊信息的處理都必須通過串口來進行。為了讓系統(tǒng)能夠更好地進行工作，所以系統(tǒng)還包括了GPS接收模塊，SIM300信息發(fā)送模塊，LCD液晶顯示模塊等組成部分。3.2系統(tǒng)設(shè)計方案的選取能夠?qū)崿F(xiàn)與本系統(tǒng)相同功能的產(chǎn)品現(xiàn)在商場里面也有許多，但是針對不同的客戶需求，所以GPS遠程定位系統(tǒng)的性能也不盡相同，各自的開發(fā)環(huán)境也各不相同，但是目前他們的具體實現(xiàn)方案一般都可以歸納成以下幾點：（1）高性能的定位系統(tǒng)設(shè)計高性能的定位終端設(shè)計一般都是基于嵌入式系統(tǒng)來開發(fā)設(shè)計的，這樣的嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括：微處理器或處理器、存儲設(shè)備、外設(shè)器件、圖形處理等設(shè)備。軟件組成主要包括：操作系統(tǒng)和應用程序部分。在嵌入式技術(shù)高速發(fā)展的時代，不同的嵌入式設(shè)備運用的操作系統(tǒng)種類也不盡相同，并且?guī)缀趺恳环N操作系統(tǒng)都會有自己對應的一套編譯環(huán)境，并且開發(fā)環(huán)境也相差較大，這對系統(tǒng)的移植提出了許多挑戰(zhàn)，而且開發(fā)難度較大，相應的開發(fā)周期比較長。開發(fā)嵌入式系統(tǒng)成本相對較高,對于以定位導航為主的來說,使用嵌入式系統(tǒng)容易造成資源重大浪費。（2）嵌入式PC定位系統(tǒng)設(shè)計嵌入式PC又稱為單板計算機，嵌入式PC主要是將PC機上面的必須資源集中到一塊體積相對較小的單板上面而已。這塊單板上面還是集成了微處理器、I/O端口、插槽等器材，因此性能與通用的PC機沒有什么大差別。嵌入式PC機以各種工業(yè)控制機為代表，主要針對工業(yè)應用方面的特殊設(shè)計，從而達到抗干擾與實現(xiàn)小型化的功能。在實際的開發(fā)應用中可以將嵌入式PC看作通用PC來進行處理。一般來說，嵌入式PC機的處理能力強于嵌入式系統(tǒng)，而且嵌入式PC機的外圍接口相當豐富，開發(fā)時不需要進行外圍電路設(shè)計。在結(jié)構(gòu)上,嵌入式PC機和通用PC一樣，支持通用的PC操作系統(tǒng),通用PC上的應用軟件可直接進行下載移植。對于多數(shù)開發(fā)人員來說，單板機上進行應用程序開發(fā)比較容易掌握，且開發(fā)難度小。相對于單片機和嵌入式系統(tǒng)，嵌入式PC開發(fā)成本高，體積大，較適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)中。（3）單片機實現(xiàn)方案嵌入式微控制器通常都是稱為單片機，單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應用單片機由于具有成本低、控制系統(tǒng)組成靈活方便、調(diào)試方便和維護簡單的特點，因此獲得廣泛應用。目前多數(shù)定位導航采用基于單片機的實現(xiàn)方案。定位導航過程中，定位導航終端需存儲大量的歷史定位數(shù)據(jù)信息，一般常用的單片機(如傳統(tǒng)8051單片機)遠不能滿足存儲要求，為了能夠正常工作就必須擴展flash芯片來增加存儲空間，這樣不僅提高了開發(fā)成本，還降低了系統(tǒng)的抗干擾性。而且一般8051單片機沒有看門狗電路，程序在運行中遇到干擾容易跑飛，更增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。所以本課題準備采用單片機作為主控芯片，為了有更大的FlashROM，所以選用了STC12C5A60S作為主要處理器。STC12C5A60S單片機是一塊基于傳統(tǒng)的51單片機內(nèi)核來開發(fā)的，降低了開發(fā)設(shè)計的難度，再加上這塊單片機擁有60KB的FlashROM,所以這也完全可以滿足我們對存儲的需求。對這三種設(shè)計的方案綜合分析，最終選用了采取單片機控制，這個方案不僅經(jīng)濟實惠，而且難度適中適合初級工作者設(shè)計。3.3該系統(tǒng)定位終端硬件模塊的選取3.3.1主控制模塊定位系統(tǒng)設(shè)計性能與硬件選取有很大關(guān)系。根據(jù)上面設(shè)計方案的選取，所以主控制芯片選擇了傳統(tǒng)51內(nèi)核的STC12C5A60S2單片機。選取的單片機與GPS接收機共同構(gòu)成了定位終端。整個定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計程序都存放在這款單片機的存儲器里面。STC12單片機通過串口與GPS接收模塊進行數(shù)據(jù)處理，提取出GPS模塊傳來信息里面的定位數(shù)據(jù)，然后顯示在LCD液晶顯示屏上面。也可以通過單片機的串口將GPS的信息傳輸?shù)絊IM300模塊里面，并通過SIM300模塊編輯短信，并以短息模式將這個定位信息發(fā)送給相應的手機。3.3.2定位模塊定位模塊主要就是對GPS信號接收機的選取，通常主要從技術(shù)參數(shù)，通信協(xié)議，控制接口和成本幾個方面考慮。日前市場上面大多數(shù)的GPS模塊性能都是差不多，基本都支持16通道，采用C/A編碼。本系統(tǒng)綜合定位精度要求選取了現(xiàn)在主流的U_blox公司的U_bloxNeo6M定位芯片，這個定位精度相對較高，并且價格合理，數(shù)據(jù)傳輸通過串口操作簡單方便，采購的U_bloxNeo6M如圖3-1所示。圖3-1U_bloxNeo6M實物圖3.3.3SIM300通信模塊為滿足數(shù)據(jù)能及時傳輸，選用了相對常用的短信形式來進行傳輸，即利用短信形式進行傳輸定位信息。為了實現(xiàn)這一功能，就應該選擇合適的通信模塊。目前市場上面有許多這樣的芯片，但從操作難度，適用性等方面考慮，本次設(shè)計選擇了SIMCOM公司的SIM300模塊，該模塊集成了短信與GPRS兩個種不同形式的數(shù)據(jù)傳輸方式，正好也符合本課題的研究需求。3.3.4LCD液晶顯示屏顯示界面的選擇空間很大，選擇的產(chǎn)品也比較多，主要都是看你對顯示界面的要求，可以選擇LCD，也可以選擇LED。本次課題由于對顯示界面要求不高，又加上作者有對LCD顯示屏有過了解，所以這次選擇了PCD8544LCD顯示屏，通常又稱為NOKIA5110。PCD8544是一塊低功耗的CMOSLCD控制驅(qū)動器，設(shè)計為驅(qū)動48行84列的圖形顯示。所有必須的顯示功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，只需很少外部元件且功耗小，使用相對簡單方便。3.4本章小結(jié)本章主要從系統(tǒng)的功能、組成部分、設(shè)計方案的選取以及設(shè)計的相關(guān)硬件模塊的選材等，全方面介紹了課題的設(shè)計方法與研究方向。使讀者對本課題研究有一個全方面的了解與認識。

第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1定位系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要涉及的模塊有控制中心模塊，GPS定位模塊，SIM300通信模塊，LCD液晶顯示模塊，串口數(shù)據(jù)傳輸模塊等部分組成。其中總體設(shè)計框架如圖4-1所示。圖4-1總體設(shè)計框架4.2單片機控制模塊設(shè)計系統(tǒng)主要控制芯片選擇了STC12C5A60S單片機，下面簡單介紹這款單片機的具體性能。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，但是速度快8-12倍。內(nèi)部集成了MAX810專用的復位電路，2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。集成了兩個全雙工異步串行口（UART），這個正好滿足了同時對GPS模塊和SIM300的操作，符合設(shè)計需求。系統(tǒng)設(shè)計過程中，單片機模塊的電路設(shè)計原理圖如圖4-2所示。圖4-2單片機模塊原理圖4.3GPS接收模塊設(shè)計GPS接收芯片選擇的是U_blox公司的Neo6M，該GPS芯片獨立的具有高性能的u-blox6定位引擎GPS接收機。這種靈活的具有成本效益接收器采用了16×12.2x2.4毫米微型封裝技術(shù)。其緊湊的結(jié)構(gòu)和斷電記憶功能選項，使NEO-6M模塊非常適用于電池供電的移動設(shè)備具有非常嚴格的成本和空間的限制。50個通道的U_blox6M定位引首次定位時間小于1秒。由于這款芯片只需要對其串口進行操作，所以電路設(shè)計也只是選擇這個芯片的兩個串口通過MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換成232電平這樣有利于單片機的讀取數(shù)據(jù)，具體電路設(shè)計原理圖如圖4-3所示。圖4-3GPS接收電路原理圖4.4SIM300模塊設(shè)計4.4.1產(chǎn)品概念SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊[29]，可在全球范圍內(nèi)的EGSM900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz三種頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多達10個，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四種GPRS編碼方案。SIM300結(jié)構(gòu)小巧，外形尺寸僅40mm*33mm*2.85mm，幾乎可滿足所有對產(chǎn)品尺寸有要求的工業(yè)應用，比如智能電話，掌上電腦和其他移動設(shè)備。模塊與移動應用設(shè)備通過一個60引腳的板板連接器相連，它提供了模塊與外設(shè)的所有硬件接口，除了RF天線接口。SIM300內(nèi)部功能模塊有：鍵盤和SPI類型的LCD接口，方便用戶開發(fā)自己的應用設(shè)備。具有調(diào)試和數(shù)據(jù)輸出兩個串口，幫助開發(fā)人員更容易開發(fā)產(chǎn)品。雙音頻通道，包含兩個麥克風輸入和兩個話筒輸出，由AT指令配置其工作模式。SIM300有兩種RF天線接口：一種是天線連接器、一種是天線焊點。天線連接器型號為MURATAMM9329-2700，或者用戶也可以通過天線焊點自己焊接天線。SIM300具有低功耗設(shè)計，睡眠模式下的電流消耗僅為2.5mA。SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴展了TCP/IPAT指令，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得非常簡單方便。4.4.2SIM卡接口及電路設(shè)計SIM卡接口支持GSMPhase1規(guī)范功能，也支持針對快速64kbpsSIM卡的GSMPhase2規(guī)范功能（專為SIM卡應用工具箱的運用設(shè)計）同時支持1.8V和3.0VSIM卡SIM卡接口從模塊（正常電壓2.8V）內(nèi)部調(diào)節(jié)器取電，所有引腳復位時輸出為低電平，邏輯電平如下表1所述。一款靜電放電裝置，圖中所示的22Ω電阻應串聯(lián)于模塊與SIM卡的IO連線上，以匹配阻抗。上拉電阻（大約10KΩ）必須加在SIM_I/O線上。SIM_PRESENCE引腳用來檢測SIM卡是否被取下。您可以用指令“AT+CSDT”來設(shè)置SIM卡的配置。如果您不使用SIM卡檢測功能，可讓SIM_PRESENCE引腳NC或者接地，6引腳SIM卡參考電路如圖4-4所示。表1.SIM卡接口信號SIM300引腳信號描述19SIM_VDDSIM卡在SIM模式下的自動功率輸出，一個是3.0V±10%，另一個是1.8V±10%。電流約10mA21SIM_I/OSIM卡數(shù)據(jù)I/O23SIM_CLKSIM卡時鐘25SIM_RSTSIM卡復位16SIM_PRESENCESIM卡存在圖4-4引腳SIM卡接口電路4.4.3SIM300模塊電路設(shè)計SIM300從VBAT采用單電壓供電，電壓為3.4V—4.5V。某些情況下，當電流消耗升至典型峰值2A時，其傳輸脈沖的波動可能導致電壓下降，所以電源供電必須能夠提供足夠到2A的電流。在VBAT輸入引腳使用旁路電容。低阻抗，小尺寸的瓷介電容（MLCC）性能上是首選[[30]，但成本較高。降低成本可以選用100uF的鉭電容（低阻抗）并聯(lián)一個小的瓷介電容（1uF到10uF）。電容放置盡可能靠近SIM300的VBAT引腳。具體電路設(shè)計如圖4-5所示。圖4-5SIM300電路設(shè)計原理圖4.5電源模塊設(shè)計由于STC12單片機是需要5V電壓進行供電的，所以單片機供電模塊是一個9V轉(zhuǎn)5V穩(wěn)壓電路。為了滿足具有較高精度的穩(wěn)壓電路要求，所以我們選用了五腳的LM2576S模塊，該模塊具有精度高，壓差較小，省電等優(yōu)勢，而且對整體的干擾也較小。具體設(shè)計電路如圖4-6所示。圖4-69V轉(zhuǎn)5VSIM300模塊的供電電壓要求是4.2V，所以為了由電源的9V得到能夠為SIM300模塊合適且穩(wěn)定的供電電壓，選擇MIC29302芯片進行轉(zhuǎn)壓設(shè)計。為得到紋波少且穩(wěn)定的電壓，MIC29302后面加幾組電容進行濾波，具體設(shè)計如圖4-7所示。圖4-79V轉(zhuǎn)4.2VGPS模塊電源設(shè)計，選用的U_bloxNeo型號的GPS模塊的具體供電電壓為1.8V-3.6V，所以就設(shè)計了一個5V轉(zhuǎn)3.3V的轉(zhuǎn)壓電路設(shè)計，具體如圖4-8所示。圖4-85V轉(zhuǎn)3.3V4.6串口設(shè)計模塊目前RS232C是PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。RS232標準(協(xié)議)規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。RS232中規(guī)定的最大傳輸速率為20kbns,在當時看來是足夠了,但隨著科學技術(shù)的發(fā)展,20kbps的通信速度已遠不能滿足人們的需要,因此新的修訂版本中,RS232的最高通信速率可以達到2Mbps。通常在單片機系統(tǒng)中,由于其處理能力的限制,最高波特率一般為112Kbps左右.現(xiàn)在最常用的RS232采用負邏輯規(guī)定的邏輯電平,即邏輯“1”表示-3V~-15V,邏輯“0”表示+3v~+15v。大家知道RS232接口不能與單片機的異步串行通信接口直接相連就是因為單片機的TTL電平是正邏輯規(guī)定的邏輯電平。由于單片機、GPS芯片和SIM300芯片的串口都是TTL電平，為了能夠更好的進行通信傳輸，本設(shè)計采用了MAX232串口芯片將它們的串口電平統(tǒng)一為232電平，所以設(shè)計的串口電路如圖4-9所示。圖4-9TTL轉(zhuǎn)232接口電路4.7LCD液晶模塊設(shè)計LCD液晶顯示模塊的特征數(shù)據(jù)列舉出以下幾個方面：●單芯片LCD控制/驅(qū)動●48行，84列輸出●顯示數(shù)據(jù)RAM48*84位●芯片集成：——LCD電壓發(fā)生器（也可以使用外部電壓供應）——LCD偏置電壓發(fā)生器——振蕩器不需要外接元件（也可以使用外部時鐘）●外部RES（復位）輸入引腳●邏輯電壓范圍VDD到VSS：2.7V~3.3V●顯示電壓范圍VLCD到VSS：——6.0~8.5VLCD內(nèi)部電壓發(fā)生器（充許電壓發(fā)生器）——6.0~9.0VLCD外部電壓供應（電壓發(fā)生器關(guān)閉）●低功耗，適用于電池供電系統(tǒng)●使用溫度范圍：-25~70℃4.8本章小結(jié)本章主要介紹了課題設(shè)計過程中的硬件搭建過程。具體內(nèi)容主要包括：系統(tǒng)終端總體硬件結(jié)構(gòu)圖，單片機控制模塊、GPS、，SIM300、電源、串口、LCD液晶等模塊的硬件電路設(shè)計情況，全方面的闡述了整個定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計流程。

第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計該遠程定位系統(tǒng)主要是由MCU主控制模塊，SIM300模塊，LCD液晶顯示模塊，串口操作模塊。具體如圖5-1所示：圖5-1軟件總體結(jié)構(gòu)MCU控制模塊：該模塊的功能是初始化主控單片機STC12XX（包括定時器函數(shù)的初始化設(shè)置、打開串口1和串口2的中斷、設(shè)置串口1和串口2波特率）、SIM300模塊和GPS消息的初始化設(shè)置、調(diào)用SIM300模塊和GPS模塊的函數(shù)、調(diào)用LCD液晶顯示模塊以及運行的相關(guān)函數(shù)。GPS模塊：GPS模塊的功能是實現(xiàn)對GPS信息的讀取采集，解析和對$GPRMC消息抽取。SIM300模塊：該模塊主要實現(xiàn)對短信的讀取采集，解析和發(fā)送，以及通過GPRS移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)上。LCD液晶顯示模塊：選用的是Nokia5110的液晶屏，主要實現(xiàn)對單片機，SIM300，GPS的模塊運行狀態(tài)進行實時的顯示以用戶提示信息的顯示。串口通信模塊：Uart模塊主要的功能是通過串口1接收GPS信息，串口2來接收SIM300的信息，實現(xiàn)相應串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)和信息之間的交換。5.1MCU控制模塊的主要功能及流程設(shè)計單片機對SIM300和GPS這兩個模塊的控制都是通過調(diào)用串口函數(shù)對單片機的自身的兩個串口的讀中斷處理程序和寫操作來實現(xiàn)的。此外還要保證串口收發(fā)數(shù)據(jù)的準確性以及單片機串口的比特率，收發(fā)數(shù)據(jù)的位數(shù)等信息，MCU控制模塊實現(xiàn)程序流程圖如圖5-2所示。圖5-2主控制模塊流程圖5.2GPS模塊的主要功能及流程設(shè)計GPS定位信息數(shù)據(jù)符合NMEA-0183通信準則，NMEA-0183準則的信息輸出的格式是ASCII碼。數(shù)據(jù)內(nèi)容包含了經(jīng)緯度，海拔高度，速度，時間等其他相關(guān)信息。GPS上電后，每隔一定的時間就會返回一定格式的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為：$信息類型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x。每行開頭的字符都是‘$’，接著是信息類型，后面是數(shù)據(jù)，以逗號分隔開。信息類型為：GPGSV：可見衛(wèi)星信息；GPGLL：地理定位信息；GPRMC：推薦最小定位信息；GPVTG：地面速度信息；GPGGA：GPS定位信息；GPGSA：當前衛(wèi)星信息，只解析GPRMC的信息。5.2.1GPRMC數(shù)據(jù)詳解$GPRMC,080655.00,A,4546.40891,N,12639.65641,E,1.045,328.42,170809,,,A*60$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<1>UTC時間，hhmmss(時分秒)格式<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位<3>緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)<4>緯度半球N(北半球)或S(南半球)<5>經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)<6>經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))<7>地面速率(000.0~999.9節(jié)，前面的0也將被傳輸)<8>地面航向(000.0~359.9度，以真北為參考基準，前面的0也將被傳輸)<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式<10>磁偏角(000.0~180.0度，前面的0也將被傳輸)<11>磁偏角方向，E(東)或W(西)<12>模式指示(僅NMEA01833.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效)5.2.2軟件功能設(shè)計為了能夠通過串口正確的接收和處理來自GPS的數(shù)據(jù)信息，在GPS模塊軟件設(shè)計的功能函數(shù)中主要是解析GPS信息的函數(shù)：該函數(shù)的主要功能就是讀取GPS模塊的GPRMC信息，并且把它解析為單片機可識別的字符串數(shù)據(jù)，通過對這些字符串處理以后，然后選著里面有用的信息作為傳輸信息通過串口傳輸。GPS模塊的軟件設(shè)計可以歸納成如圖5-3所示的設(shè)計流程圖。圖5-3GPS軟件設(shè)計框圖5.3SIM300模塊的主要功能與設(shè)計SIM300模塊對短信讀取與發(fā)送主要是通過AT指令集來完成的。由于不同的SIM型號，所以AT指令集也不盡相同。具體的指令集還是看每種芯片的自己的AT指令集手冊。例如可以通過AT+CMGS來發(fā)送一條短信，用AT+CMGR來讀取一條短息。AT指令集是管理和控制SIM網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的各種業(yè)務的指令。其中包含了對GSM/GPRS模塊的基本配置、對SMS(ShortMessageService)的控制、STK命令、有關(guān)GPRS功能的命令等。該模塊軟件設(shè)計流程圖如圖5-4所示。圖5-4SIM300軟件設(shè)計流程圖下面簡單的介紹一些關(guān)于短息服務和GPRS服務的相關(guān)AT指令：●AT+CMGF:選擇SMS短信格式(SELECTSMSMESSAGEFORMAT)，0-PDU，1-文本?！馎T+CMGC:發(fā)送SMS短信指令(SENDSMSCOMMAND),1-發(fā)送?！馎T+CMGL:從首選存儲器的SMS短信清單(LISTSMSMESSAGESFROMPREFERREDSTORE)。●AT+CMGR:讀SMS短信(READSMSMESSAGE)?！馎T+CMGS：發(fā)送SMS短信(SENDSMSMESSAGE)?！馎T+CSCASMS:服務中心地址(SMSSERVICECENTERADDRESS)為實現(xiàn)通信，自己設(shè)置的傳輸短信指令：●PWX+TE表示設(shè)置短信接收手機號碼（手機號碼可以自由設(shè)定）?！馪WX+GPS：表示查詢GPS定位信息（只查詢經(jīng)緯度）。5.4LCD顯示模塊的功能與設(shè)計LCD顯示模塊主要是為了顯示GPS定位信息以及控制模塊的操作狀態(tài)提示。實現(xiàn)顯示的功能函數(shù)分別包括：初始化LCD、LCD清屏操作、LCD顯示英文字符、LCD顯示英文字符串和LCD顯示中文字符等功能函數(shù)。LCD功能模塊的具體設(shè)計思路框圖如圖5-5所示。圖5-5LCD功能模塊結(jié)構(gòu)5.5串口操作模塊設(shè)計STC12xx系列單片機串口通信原理：STC12xx系列單片機具有兩個采用UART工作方式的全雙工通信接口（串口1和串口2）。每個串口由一個移位寄存器，2個數(shù)據(jù)緩存器，一個串行控制器，一個波特率發(fā)生器等組成。每個串行口的數(shù)據(jù)緩沖器由兩個互相獨立的數(shù)據(jù)接收發(fā)送緩沖器構(gòu)成，可以實現(xiàn)同時接收發(fā)送數(shù)據(jù)。具體設(shè)計流程如圖5-6所示。串口函數(shù)主要的功能：●串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)●串口數(shù)據(jù)的發(fā)送函數(shù)●串口1接收GPS反饋回來的信號●串口2接收SIM300反饋回來的信號圖5-6串口函數(shù)功能的設(shè)計流程●串口操作代碼<1>串口1讀取GPS信息函數(shù)：voidvoidUart1()interrupt4using1{if(RI)//RI接收中斷請求標志位，RI=1向CPU發(fā)送中斷請求，必須軟件清零{if(buf_uart1.index>=BUFLEN){buf_uart1.index=0;//超出就對其進行清零操作.}else{buf_uart1.buf[buf_uart1.index++]=SBUF;//接收SBUF緩存的字符串數(shù)據(jù)}RI=0;//CPU響應中斷以后，對RI進行軟件清零!}voidUart2()interrupt8using1{unsignedcharch;//定義字符串變量if(S2CON&S2RI){voidUart2()interrupt8using1{unsignedcharch;//定義字符串變量if(S2CON&S2RI){//S2RI=0X01,S2CON是串口2的控制寄存器。ch=S2BUF;//S2CON&S2RI,即S2CON的S2RI=1的時候進行接收。if((ch=='$')&&(gps_flag.gps_analysis==0)){//如果收到字符'$'，便開始接收gps_flag.gps_receiver=1;//開始接收第一個數(shù)據(jù)，接收完清零gps_flag.gps_stop=0;//開始接收，接收完置位，表明停止接收了}if(gps_flag.gps_receiver==1){//標志位為1，開始接收buf_uart2.buf[buf_uart2.index++]=ch;//字符存到數(shù)組中if(ch=='\n'){//如果接收到換行，則一行接收完畢buf_uart2.buf[buf_uart2.index]='\0';gps_flag.gps_receiver=0;gps_flag.gps_stop=1;gps_flag.gps_analysis=1;}S2CON&=~S2RI;}}voidinit_uart1()//初始化uart1{voidinit_uart1()//初始化uart1{SCON=0x50;//0101000八位可變波特率，無奇偶校驗位TMOD=0x20;//定時器寄存器:0x20，設(shè)置定時器1為八位自動重裝計數(shù)器TH1=TL1=-(FOSC/12/32/BAUD);//設(shè)定定時器自動重裝數(shù)TR1=1;//TR1=1;//開定時器1ES=1;//允許串口中斷EA=1;//開總中斷clear_buf_uart1();}voidinit_uart2()//初始化uart2{S2CON=0x50;BRT=-(FOSC/32/BAUD);AUXR=0x14;//00010100IE2=0x01;//允許串口2中斷EA=1;//開放CPU中斷，即開總中斷clear_buf_uart2();}5.6本章小結(jié)在這一節(jié)，主要介紹了基于GPS和GPRS的遠程定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，每個功能模塊的主要功能，以及各