便携式GPS接收机设计
时间：09-24
来源：中电网
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1 引言
GPS以其高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉吸引全世界许多用户。GPS的广泛应用改变了人们的工作方式，提高工作效率，带来巨大的经济效益。这里提出一种基于EM411 GPS接收模块和PIC18F2550单片机的手持式GPS定位系统设计方案。该系统采用点阵字符液晶屏显示接收GPS卫星数据，并用SD卡记录所接收到的GPS信息，从而实现GPS数据导入电子地图。
2 NEMA协议简介
目前，GPS采用NMEA-0183协议做为发送和接收数据的标准，NMEA-0183是美国国家海洋电子协会(NationalMarine Electronics Association)为统一海洋导航规范而制定的标准，该格式标准已成为国际通用的一种格式，协议内容在兼容NMEA-180和NMEA-0182的基础上。增加了GPS、测深仪、罗经方位系统等多种设备接口和通讯协议定义，同时还允许一些特定厂商对其设备通信自定协议。NMEA-0183格式数据串的所有数据都采用ASCⅡ文本字符表示，数据传输以"$"开头，后面是语句头。语句头由5个字母组成。其前2个字母表示"系统ID"，即表示该语句是属于何种系统或设备，例如GP表示该语句属于GPS定位系统，HC表示该语句属于罗经方位系统；后3个字母表示"语句ID"，表示该语句是关于何方面的数据。语句头后是数据体，包含不同的数据体字段，语句末尾为校验码(可选)，以回车换行符<CR><LF>结束，也就是ACSII字符 "回车"(十六进制的0D)和"换行"(十六进制的0A)。数据字段以逗号分隔识别，空字段保留逗号。在GPS系统中常用语句有GPGGA(GPS定位信息)，GPGSA(当前卫星信息)，GPGSV(可见卫星信息)，GPRMC(推荐定位信息)，GPGLL(定位地理信息)，GPVTG(地面速度信息) 等。GPS数据传输是以标准异步串行方式发送，其串行通信波特率为4 800 b／s、数据位8位、停止位1位、无奇偶校验位。文献[2]给出各种GPS语句的详细数据格式。
3 EM411 GPS接收模块简介
GPS接收模块性能主要决定于其内部使用的GPS核心芯片组，GPS芯片组SiRF Star III通过采用20万次／频率的相关器(Correlators)提高了灵敏度并能在室内定位。冷开机／暖开机／热开机的时间分别达到42 s／38 s／1 s，可同时追踪20个卫星信道。
EM411型GPS接收模块采用SiRF Star III高效能GPS芯片组，其具有特点：极佳的灵敏度(追踪感度：-159 dBm)；讯号微弱时，TTFF(Time to First Fix)定位仍十分迅速；支持NMEA 0183语言格式：GGA，GSA，GSV，RMC，GLL，VTG；内建超大电容，可储存快速获取的卫星讯号数据；内建陶瓷天线；LED指示灯显示卫星定位状况：LED不亮时接收器关闭，LED恒亮时未定位或搜寻讯号，LED闪烁时已定位。此外，EM411体积小巧，外形尺寸为30 mm×30 mm×10．5 mm，工作时供电电压为4．5～6．5 V，消耗电流为60 mA。对外提供6个引脚，使用时引脚1、5接地，引脚2接电源，引脚3为串口输出数据线，引脚4为串口输入数据线，引脚6悬空。
4 系统硬件设计
4．1 GPS接收部分
图1为便携式GPS接收机的GPS接收部分的电路，由于该系统设计是手持式便携设备，所有器件选型都应考虑节省成本，节能。图1中，MCU选用 PIC18F2520，它是采用纳瓦技术的低功耗8位单片机，具有一系列能在工作时显著降低功耗的功能，非常适合手持便携式设备使用。该器件内部具有32 K Flash程序存储器，具备SPI、UART、I2C等接口以及1O位A／D转换器，借助于内部PLL倍频器，时钟速度可高达40 MHz；可通过其UART接口(引脚RC6和RC7)实现与EM411 GPS接收模块的通信，由于EM411串口输出的最大电平为2．85 V，低于PIC18F2520 UART端口所要求的最小驱动电平4 V，因此在PIC18F2520和EM411之间需增加由U2(74HCT04)构成的TTL/RS232电平转换电路，否则PIC18F2520将不能接收EM411的定位信息。PIC18F2520通过其SPI接口(引脚RC0，RC3，RC4，RC5)与SD卡通信。SD卡对外提供两种访问模式：SD模式和SPI模式。SD模式允许4线的高速数据传输。SPI模式使用通用的SPI接口，相比SD模式传输速率有所降低，使用SPI。接口的优点是仅用4根数据线即可完成SD卡的读写。通信模式不同，SD卡引脚功能也不同。由于PIC18F2520内部具有SPI接口，本方案采用SPI模式实现对 SD卡的访问，图1中CS(RC0)为MCU向卡发送的片选信号，SCLK(RC3)为MCU向卡发送的时钟信号。SDI为MCU向卡发送的单向数据信号，SD0为卡向MCU发送的单向数据信号，此外所有的SD卡插座还具有CD与WP两个引脚，CD引脚是SD卡检测信号引脚，当有卡插人时，该引脚对地短路(在插座内部连接)。WP是写保护信号引脚，在卡插入且没有写保护时，该引脚对地短路(在插座内部连接)。
该系统设计采用20×4的点阵字符液晶显示器显示所接收的GPS定位信息，液晶显示器设置于4 bit工作方式，MCU通过4根数据线以及使能引脚控制LCD的显示以节省MCUI／O端口资源。该系统设置2个按键用于控制SD卡的数据存储。当SW1 键按下时，通过软件延时设定数据保存时间间隔，SW2键按下时，系统将接收到的GPS定位信息写入SD卡。图1中，开关K2用于打开、关闭LCD背光电源：PIC18F2520的RA端口资源暂未使用。可留待以后系统升级时使用，例如将电池输出的直流模拟电压信号输入到RA端口，利用 PIC18F2520的10 bit A／D转换器将其转换为数字信号后。在LCD上显示电池电量，便于用户使用。
4．2 电源部分
便携式GPS接收机采用两节AA型1．5 V电池供电，使用微功耗、高效率DC－DC变换器LT1300,将3 V电压转换为5 V以供电路使用，LT1300最低输入电压低至1．8 V，转换效率高达88％。当输入电压为2 V、输出电压为5 V时，LT1300的输出电流可达220 mA。LT1300采用8引脚SOIC封装，引脚1为信号地(GND)，引脚2为输出选择(SEL)，当其与输入电源相接时，输出5 V电压，当该引脚接地时则LT1300输出3．3 V电压。引脚3(SHUTDOWN)用于选择工作方式，该引脚接地时，LT1300为正常工作方式；当该引脚接高电平时，LT1300为掉电工作模式。引脚4(SENSE)是LT1300的输出端。其引脚5为限流，当该引脚接地时，其最大的开关电流为400 mA。LT1300的引脚6～8分别为电源输入、输出开关、电源地。图2为LT1300构成的GPS接收机电源电路。图2中开关K1是GPS接收机的总电源开关。由于GPS接收机的主机部分使用5 V电压，因此LT1300的引脚2、引脚6与电池的正极相连，引脚3、引脚5、引脚1、引脚8接地。工作时引脚7需外接电感和二极管，其作用是当电池电量消耗过大时，LT1300内部的开关效应会引起电感L1上的电流交替增大，此时二极管VD1会将这部分能量转储到电容C4中，以提高LT1300的输出电压。该部分设计的二极管以及电感L1、电解电容C4参数选择均参考LT1300数据资料中推荐的型号和参数。需要注意的是，由于LT1300是高速、高电流器件，因此在PCB板布局时应尽量使电感L1靠近引脚7放置，走线应尽量短，并应将电源地与信号地相连以减少电路中的干扰噪声。
GPS以其高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉吸引全世界许多用户。GPS的广泛应用改变了人们的工作方式，提高工作效率，带来巨大的经济效益。这里提出一种基于EM411 GPS接收模块和PIC18F2550单片机的手持式GPS定位系统设计方案。该系统采用点阵字符液晶屏显示接收GPS卫星数据，并用SD卡记录所接收到的GPS信息，从而实现GPS数据导入电子地图。
2 NEMA协议简介
目前，GPS采用NMEA-0183协议做为发送和接收数据的标准，NMEA-0183是美国国家海洋电子协会(NationalMarine Electronics Association)为统一海洋导航规范而制定的标准，该格式标准已成为国际通用的一种格式，协议内容在兼容NMEA-180和NMEA-0182的基础上。增加了GPS、测深仪、罗经方位系统等多种设备接口和通讯协议定义，同时还允许一些特定厂商对其设备通信自定协议。NMEA-0183格式数据串的所有数据都采用ASCⅡ文本字符表示，数据传输以"$"开头，后面是语句头。语句头由5个字母组成。其前2个字母表示"系统ID"，即表示该语句是属于何种系统或设备，例如GP表示该语句属于GPS定位系统，HC表示该语句属于罗经方位系统；后3个字母表示"语句ID"，表示该语句是关于何方面的数据。语句头后是数据体，包含不同的数据体字段，语句末尾为校验码(可选)，以回车换行符<CR><LF>结束，也就是ACSII字符 "回车"(十六进制的0D)和"换行"(十六进制的0A)。数据字段以逗号分隔识别，空字段保留逗号。在GPS系统中常用语句有GPGGA(GPS定位信息)，GPGSA(当前卫星信息)，GPGSV(可见卫星信息)，GPRMC(推荐定位信息)，GPGLL(定位地理信息)，GPVTG(地面速度信息) 等。GPS数据传输是以标准异步串行方式发送，其串行通信波特率为4 800 b／s、数据位8位、停止位1位、无奇偶校验位。文献[2]给出各种GPS语句的详细数据格式。
3 EM411 GPS接收模块简介
GPS接收模块性能主要决定于其内部使用的GPS核心芯片组，GPS芯片组SiRF Star III通过采用20万次／频率的相关器(Correlators)提高了灵敏度并能在室内定位。冷开机／暖开机／热开机的时间分别达到42 s／38 s／1 s，可同时追踪20个卫星信道。
EM411型GPS接收模块采用SiRF Star III高效能GPS芯片组，其具有特点：极佳的灵敏度(追踪感度：-159 dBm)；讯号微弱时，TTFF(Time to First Fix)定位仍十分迅速；支持NMEA 0183语言格式：GGA，GSA，GSV，RMC，GLL，VTG；内建超大电容，可储存快速获取的卫星讯号数据；内建陶瓷天线；LED指示灯显示卫星定位状况：LED不亮时接收器关闭，LED恒亮时未定位或搜寻讯号，LED闪烁时已定位。此外，EM411体积小巧，外形尺寸为30 mm×30 mm×10．5 mm，工作时供电电压为4．5～6．5 V，消耗电流为60 mA。对外提供6个引脚，使用时引脚1、5接地，引脚2接电源，引脚3为串口输出数据线，引脚4为串口输入数据线，引脚6悬空。
4 系统硬件设计
4．1 GPS接收部分
图1为便携式GPS接收机的GPS接收部分的电路，由于该系统设计是手持式便携设备，所有器件选型都应考虑节省成本，节能。图1中，MCU选用 PIC18F2520，它是采用纳瓦技术的低功耗8位单片机，具有一系列能在工作时显著降低功耗的功能，非常适合手持便携式设备使用。该器件内部具有32 K Flash程序存储器，具备SPI、UART、I2C等接口以及1O位A／D转换器，借助于内部PLL倍频器，时钟速度可高达40 MHz；可通过其UART接口(引脚RC6和RC7)实现与EM411 GPS接收模块的通信，由于EM411串口输出的最大电平为2．85 V，低于PIC18F2520 UART端口所要求的最小驱动电平4 V，因此在PIC18F2520和EM411之间需增加由U2(74HCT04)构成的TTL/RS232电平转换电路，否则PIC18F2520将不能接收EM411的定位信息。PIC18F2520通过其SPI接口(引脚RC0，RC3，RC4，RC5)与SD卡通信。SD卡对外提供两种访问模式：SD模式和SPI模式。SD模式允许4线的高速数据传输。SPI模式使用通用的SPI接口，相比SD模式传输速率有所降低，使用SPI。接口的优点是仅用4根数据线即可完成SD卡的读写。通信模式不同，SD卡引脚功能也不同。由于PIC18F2520内部具有SPI接口，本方案采用SPI模式实现对 SD卡的访问，图1中CS(RC0)为MCU向卡发送的片选信号，SCLK(RC3)为MCU向卡发送的时钟信号。SDI为MCU向卡发送的单向数据信号，SD0为卡向MCU发送的单向数据信号，此外所有的SD卡插座还具有CD与WP两个引脚，CD引脚是SD卡检测信号引脚，当有卡插人时，该引脚对地短路(在插座内部连接)。WP是写保护信号引脚，在卡插入且没有写保护时，该引脚对地短路(在插座内部连接)。
该系统设计采用20×4的点阵字符液晶显示器显示所接收的GPS定位信息，液晶显示器设置于4 bit工作方式，MCU通过4根数据线以及使能引脚控制LCD的显示以节省MCUI／O端口资源。该系统设置2个按键用于控制SD卡的数据存储。当SW1 键按下时，通过软件延时设定数据保存时间间隔，SW2键按下时，系统将接收到的GPS定位信息写入SD卡。图1中，开关K2用于打开、关闭LCD背光电源：PIC18F2520的RA端口资源暂未使用。可留待以后系统升级时使用，例如将电池输出的直流模拟电压信号输入到RA端口，利用 PIC18F2520的10 bit A／D转换器将其转换为数字信号后。在LCD上显示电池电量，便于用户使用。
4．2 电源部分
便携式GPS接收机采用两节AA型1．5 V电池供电，使用微功耗、高效率DC－DC变换器LT1300,将3 V电压转换为5 V以供电路使用，LT1300最低输入电压低至1．8 V，转换效率高达88％。当输入电压为2 V、输出电压为5 V时，LT1300的输出电流可达220 mA。LT1300采用8引脚SOIC封装，引脚1为信号地(GND)，引脚2为输出选择(SEL)，当其与输入电源相接时，输出5 V电压，当该引脚接地时则LT1300输出3．3 V电压。引脚3(SHUTDOWN)用于选择工作方式，该引脚接地时，LT1300为正常工作方式；当该引脚接高电平时，LT1300为掉电工作模式。引脚4(SENSE)是LT1300的输出端。其引脚5为限流，当该引脚接地时，其最大的开关电流为400 mA。LT1300的引脚6～8分别为电源输入、输出开关、电源地。图2为LT1300构成的GPS接收机电源电路。图2中开关K1是GPS接收机的总电源开关。由于GPS接收机的主机部分使用5 V电压，因此LT1300的引脚2、引脚6与电池的正极相连，引脚3、引脚5、引脚1、引脚8接地。工作时引脚7需外接电感和二极管，其作用是当电池电量消耗过大时，LT1300内部的开关效应会引起电感L1上的电流交替增大，此时二极管VD1会将这部分能量转储到电容C4中，以提高LT1300的输出电压。该部分设计的二极管以及电感L1、电解电容C4参数选择均参考LT1300数据资料中推荐的型号和参数。需要注意的是，由于LT1300是高速、高电流器件，因此在PCB板布局时应尽量使电感L1靠近引脚7放置，走线应尽量短，并应将电源地与信号地相连以减少电路中的干扰噪声。