ATmega16A低成本的GPS接收系统设计

针对传统的GPS接收系统因硬件结构复杂、成本较高，而造成GPS设备难以普及应用的问题，设计了一种基于ATmega16A的低成本、可存储、无线传输的GPS接收系统。该系统采用单片机ATmega16A接收和处理GPS模块信号，并通过无线收发模块将处理后的GPS数据传输到上位机中；也可将数据实时存储到Flash上，通过USB接口完成数据读取。实验结果表明该系统性能稳定、实时性高，具有良好的应用前景。

引言

GPS(全球定位系统)是为海上、陆地和空中各种运输工具和移动设备的导航和定位而开发的，具有高精度、全天候、全球性和点间无需通视等优点，使测量技术发生了质的飞跃。在GPS的行业应用中，数据接收系统是最基本的设备。目前，数据接收系统具有智能化和可扩展性不断增强的发展趋势，表现为内嵌的MCU性能越来越高，外围接口越来越丰富，但软硬件成本不断上升，减缓了GPS接收系统平民化的趋势。综上所述，本文设计了一种基于单片机ATmega16A的低成本、可存储、无线传输GPS接收系统。实验证明，该系统稳定度高，可以满足各种工程测量以及勘察测量等民用要求。

1 GPS接收系统结构及工作原理

GPS接收系统实现本地GPS信号读取、系统控制、数据接收、数据存储、数据读取和无线收发等功能。其系统结构框图如图1所示。

GPS接收系统工作过程为：ATmega16A利用GPS模块获取其所在位置的经纬度等信息，并将该测试点处的数据通过USB接口传输到PC机中，通过上位机软件完成对数据的转化。此外，ATmega16A带有片上Flash，也可实现对接收数据的存储功能，以便进行离线处理。ATmega16A通过控制无线收发模块，实现了对数据发送的功能。

2 GPS接收系统硬件设计

GPS接收系统主要由电源模块、GPS模块、GPS天线模块、控制模块、无线收发模块和数据存储模块等部分组成。

2.1 电源模块

电源模块是GPS接收系统工作的重要组成部分，实现的是系统供电功能。在GPS接收系统中，主要耗电的部分为无线收发模块，该模块工作在1W接收功率时工作电流可达到700mA，因此需要采用大电流的电源芯片，以保证系统供电需求。LM2576最大供电电流可达到3A，完全满足系统大功率接收时对电流的要求。此外，系统中其他模块工作电压为3.3V，采用REG1117(3.3V)芯片为系统提供工作所需电压。电源模块设计原理图如图2所示。

2.2 GPS模块

GPS模块是影响系统测量精度的关键，该系统中GPS采用SDT11E模块进行设计。该模块具有-158dBm的接收灵敏度，定位精度可达2.5m。高接收灵敏度和定位精度可以有效保证该系统的适用范围。其原理图如图3所示。

2.3 GPS天线模块

GPS天线形式是多种多样的，可以是螺旋线圈天线、偶极子天线或是微带天线。通常会在天线的前端加入一个低噪声放大器，使得接收机内维持一个低的噪声系数，这时需要由接收机前端通过RF同轴电缆对放大器供电。需要注意的是，当使用GPS接收机解算位置的时候，实际上是在估计天线的电子相位中心的位置，而电子相位中心与物理相位中心常常不在同一点。对于测量型GPS接收机天线，电子和物理相位中心会有厘米级的差异。

系统采用的是SDT11E型GPS接收机，它的天线单元如图4所示。它具有的功能是接收由卫星发射来的信号。

2.4 控制模块

该GPS接收系统中，主要采用Atmel公司的AVR芯片ATmega16A作为系统的控制器，控制器主要实现控制GPS模块、控制无线收发模块、控制USB传输模块、处理接收的GPS信号、从Flash芯片中存取数据等功能。

由于GPS模块、无线收发模块、USB模块均采用串行接口，控制器内部只带有一个串口功能，因此采用通用I/O口模拟串口通信方式完成对GPS和收发模块的控制。同时设计了带接收中断功能的串口模块，以实现系统控制功能。本收发模块中对接收到的GPS信号进行了简化处理，提取出了经纬度、高度及时间信息，增加了数据存储的有效信息量。I/O口模拟串口通信模块工作流程如图5所示。

2.5 无线收发模块

为提高该系统的定位精度，并有效降低系统功耗，本系统采用无线收发方式实现数据传输，无线收发模块设计原理图如图6所示。

该无线收发模块主要使用MaxStream公司的9XTend模块，其主要特点是：与传统无线调制方式相比，在相同的发射功率的情况下采用扩频通信方式可以传输更远的距离。它是MaxStream公司目前传输距离最长(视距传输距离为40km)的低功耗OEM RF模块。9XTend在5V电压下，电流消耗只有780mA，输出功率可达1W(30dBm)。该收发器的接收灵敏度达-110dBm，可使用户在1.5英里、15英里视距和40英里(通过高增益天线)接收900MHz信号，数据吞吐量为230kbps，数据率可达115.2kbps。