基于單片機(jī)的液晶GPS硬件設(shè)計(jì)論文
一、前言
本設(shè)計(jì)介紹了一種成本低又能滿足性能要求的GPS 接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案。主要任務(wù)是在GPS、單片機(jī)和液晶顯示的理論知識(shí)基礎(chǔ)上，選擇合適的單片機(jī)提取GPS 接收模塊接收的數(shù)據(jù)并且由液晶顯示模塊顯示接收的數(shù)據(jù)。
二、 GPS 的組成
全球定位系統(tǒng)(GPS) 主要包含著以下三個(gè)組成部分：地面控制部分、空間部分以及用戶裝置部分，即為地面監(jiān)控系統(tǒng)、GPS 衛(wèi)星星座以及GPS 信號(hào)接收機(jī)。
(1)地面控制部分，由主控站( 負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個(gè)地面控制系統(tǒng)的工作)、地面天線( 在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入尋電文)、監(jiān)測(cè)站( 數(shù)據(jù)自動(dòng)收集中心) 和通訊輔助系統(tǒng)( 數(shù)據(jù)傳輸) 組成。(2)空間部分，即是GPS 工作衛(wèi)星及其星座， 它由24 顆衛(wèi)星組成，分布在6 個(gè)軌道平面上。(3)用戶裝置部分，是滿足用戶定位精度和動(dòng)態(tài)特性要求的GPS接收模塊，其功能是接收衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，獲取定位觀測(cè)值，提取導(dǎo)航電文中的廣播衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差及電離層延遲修正參數(shù)等，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，已完成導(dǎo)航和定位任務(wù)。
GPS 信號(hào)接收模塊的任務(wù)是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS 信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理。
(1)天線單元: 它是由接收天線和前置放大器組成。GPS 接收機(jī)天線有: 定向天線、偶極子天線、微帶天線、螺旋天線等。(2)接收單元: 接收單元包括通道單元及計(jì)算和顯示單元兩部分。通道單元的'主要功能是接收來自天線單元的信號(hào)，經(jīng)過變頻放大、濾波等一系列處理過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS 信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)量，提供計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息。
三、 GPS 定位儀硬件設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)要求通過單片機(jī)控制GPS 器件實(shí)現(xiàn)定位信息顯示功能。在這里使用常見的MCS-52 型單片機(jī)作為處理器，利用MCS-52 單片機(jī)的串行接口接收NEO-6M GPS 信號(hào)接收模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過軟件方法篩選出其中有用的定位數(shù)據(jù)，最后通過單片機(jī)的并行接口輸出至液晶顯示模塊顯示的方案。該GPS 定位信息顯示系統(tǒng)硬件部分主要由以下幾個(gè)部分組成： (1)接收部分：以NEO-6M GPS 接收模塊為核心的GPS 接收機(jī); (2)控制電路：由52 單片機(jī)作為微處理器控制GPS 信號(hào); (3)顯示部分：12864LCD 液晶顯示模塊; (4)電源電路：系統(tǒng)工作時(shí)所需電源。 (5)單片機(jī)系統(tǒng)：本次設(shè)計(jì)使用52 單片機(jī)作為微處理器，控制GPS 數(shù)據(jù)的讀取和傳輸過程。利用其串行接口接收NEO-6MGPS 接收模塊輸出的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選和處理后發(fā)送到12864 液晶顯示器顯示。 (6)外圍電路：外圍電路一部分是由GPS 接收器件及其輔助電路組成，一部分是LCD 液晶顯示模塊的電源電路和顯示電路。NEO-6M GPS 接收模塊主要由變頻器、信號(hào)通道、存儲(chǔ)器、中央處理器和輸入輸出接口構(gòu)成。它接收天線獲取的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等一系列處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測(cè)量定位。(7)單片機(jī)控制程序：編寫程序，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的初始化，控制GPS 器件完成數(shù)據(jù)的采集, 進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理，并通過單片機(jī)接口輸出至液晶顯示模塊顯示必要的數(shù)據(jù)。
根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要由GPS信號(hào)接收部分(NEO-6MGPS 信號(hào)接收模塊)、控制芯片(STC89C52 單片機(jī))、顯示部分(12864LCD 液晶顯示模塊)這幾部分構(gòu)成。
四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該GPS 軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于GPS 接收模塊與單片機(jī)的通訊，以及單片機(jī)將收到的信息篩選編排顯示位置后送到LCD 液晶顯示模塊顯示。在設(shè)計(jì)該軟件時(shí)采用了模塊化的思想，軟件模塊化后方便軟件的調(diào)試，也便于軟件的移植，在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行該軟件只需要更改相應(yīng)的軟件模塊就可以實(shí)現(xiàn)。模塊設(shè)計(jì)分為液晶模塊初始化模塊，GPS 數(shù)據(jù)接收模塊和單片機(jī)模塊這三個(gè)主要模塊。
五、系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試是兩個(gè)相輔相成的環(huán)節(jié)。調(diào)試和測(cè)試在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中占了一定的工作量，通過不斷的調(diào)試發(fā)現(xiàn)問題和漏洞，并及時(shí)進(jìn)行修改已達(dá)到預(yù)期的效果。本次調(diào)試分為硬件和軟件調(diào)試兩大部分。
1、硬件調(diào)試。(1)檢查所設(shè)計(jì)的硬件電路板所有的器件和引腳是否正確。首先，用數(shù)字萬用表進(jìn)行了逐一對(duì)點(diǎn)的檢查，檢查各導(dǎo)線間是否有短路與開路的故障。然后，測(cè)輸入5V 電源(0V 地)線是否與電路中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電源(地)線相連接是否正確;最后，檢查開關(guān)是否正常，是否連接正確。(2)測(cè)芯片管座與芯片管座之間用導(dǎo)線連接起來的對(duì)應(yīng)腳是否導(dǎo)通和截止。將仿真插頭插入單片機(jī)插座進(jìn)行調(diào)試，檢查各接口是否滿足設(shè)計(jì)的要求。(3)將程序代碼經(jīng)過Keil軟件仿真生成的(.hex)文件，用編程器將生成的文件導(dǎo)入單片機(jī)STC89C52 中。(4)將寫入程序的單片機(jī)插入硬件電路單片機(jī)管座，查看液晶顯示器12864 顯示結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求。(5)本設(shè)計(jì)有GPS 模塊調(diào)試接口，通過串口調(diào)試助手可以檢查能否接收到有效數(shù)據(jù)，界面。
2、軟件調(diào)試。首先單獨(dú)調(diào)試各子程序是否能夠按照預(yù)期的功能，接口電路的控制是否正常，最后調(diào)試整個(gè)程序。(1)檢查12864 液晶顯示模塊程序，觀察在液晶顯示器上是否能夠顯示相應(yīng)的字符。(2)檢查GPS 模塊程序，通過觀察12864 液晶顯示情況理解GPS 信號(hào)接收狀況。(3)通過GPS 模塊程序和12864 液晶顯示模塊程序的結(jié)合，觀察12864 液晶顯示器上的GPS 顯示信息。
六、結(jié)論
本文介紹了GPS 定位導(dǎo)航的概念和原理，并介紹了導(dǎo)航數(shù)據(jù)的幀格式和提取方法。在經(jīng)過比較論證后，選擇了利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的方案，實(shí)現(xiàn)了接收板導(dǎo)航數(shù)據(jù)的接收，完成了單片機(jī)與PC 機(jī)的串行接口的通信和LCD 液晶屏的顯示。并且完成了單片機(jī)主程序、單片機(jī)初始化的設(shè)計(jì)。
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