基于单片机的行车记录仪的设计学士学位论文.doc

基于单片机的行车记录仪的设计design of driving recorder based on microcomputer 摘 要 行车记录仪是安装在汽车上的一种装置，他就像飞机上的黑匣子，可以随时记录车辆的行驶状态和在道路情况，也可以时时的提醒开车人的交通状况，让开车人小心驾驶，避免交通事故，在发生一些交通事故时，还可以调取记录仪记录的信息做为交通事故发生时的证据，保障受害人的权益。随着社会经济的快速发展，汽车已经成为人们出行必不可少的交通工具，与之而来的交通事故也逐年呈现出上升趋势，如果使用行车记录仪的话,就可以有效的遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章行为，避免一些不必要的灾难。因此，行车记录仪的出现极大的降低了交通事故的发生率。就目前来说，无论是国内还是国外，对记录仪的研究还都没有达到一个很成熟的地步，或者是技术水平不够，不能够得到让人满意的效果，或者是费用过高，不能有一个让大众可以接受的产品价格，因此现在记录仪还没有普及到每一辆汽车中，只是在一些长途客车上少量的使用，因此对记录仪的研发还有很长的一段路要走。本毕业设计所设计的行车记录仪不追求市场上那种强大的功能，它基于单片机进行设计。通过gps模块的天线接收数据，将数据通过gps模块处理后传入单片机中，在单片机中将gps数据解析为可识别的数据，然后连接液晶显示将信息显示出来。可以实时的显示车辆的位置信息与车辆的行驶状态。本文中详细介绍了单片机的各个引脚功能以及如何实现和其他设备之间的通信。对于gps模块，详细的介绍了gps模块的工作原理以及如何对接收到的信号进行解析，最后详细的介绍了如何借助软件对解析完的数据进行处理并在液晶屏中显示，以及如何通过键盘切换液晶屏显示的内容，最终实现记录仪所要完成的功能，即实时记录车辆的位置与行驶状态。关键字：行车记录仪； gps模块； 黑匣子abstractcar driving recorder is a device which is mounted in the car, just like the black box in the airplane, not only can which record the cars running state and the problem coming from the road, but also can constantly remind the driver noticing the traffic condition, let the driver to drive carefully, in order to avoid the traffic accident. in the event of traffic accidents, it can also get recording information obtaining from the recorder for traffic accidents evidence, safeguard the rights of the victims. with the rapid development of social economy, the automobile has become the peoples travel indispensable communication tool, with the traffic accident also showed a rising trend year by year, if the use of the recorder, you can curb fatigue driving, speeding and other traffic violations effectively avoid some unnecessary disaster, therefore, vehicle traveling data recorder has greatly reduced the incidence of traffic accidents.at present, whether domestic or foreign, study of the recorder are still not reached a very mature stage, whether technical level is not enough, can not obtain satisfactory results or the cost is too high, can not let the public to accept the price of the product, so now recorder has not spread to every car, just in the use of a small amount of long-distance bus, so the study towards the recorder has a long way to go.in this article, mainly introduces the design of vehicle traveling data recorder based on mcu. data is received by the antenna of the gps module and then it through the gps module was introduced into the mcu. in the micro-controller, the gps data is translated for the identifiable data, then display information in the lcd.it can display the position information and the vehicle driving state of vehicle in real-time. this paper introduces in detail the communication between mcu each pin function and how to achieve the communication with other equipments. for the gps module, describing in detail the working principle of gps module and how to translate the received signal to the identifiable data.finally a detailed description of how to use the software to process the data parsed and displayed on the lcd screen, and how to use keyboard switching liquid crystal display screen content, finally realizes the recorder to complete the functions, real-time record the position of the vehicle and driving state.keywords：car driving recorder； gps module； the black box目 录第一章 绪论1第一节 行车记录仪的简介及研究的目的和意义1第二节 国内外在该方向的研究现状2第二章 行车记录仪系统的总体方案设计4第一节 行车记录仪的主要功能与系统组成4第二节 主要控制芯片的选择4第三章 行车记录仪系统的硬件设计7第一节 单片机模块7第二节 gps模块11第三节 存储模块18第四节 液晶显示模块的硬件设计19第五节 键盘模块20第四章 行车记录仪系统的软件设计22第一节 编程语言的选择22第二节 主程序的设计23第三节 gps接收模块的软件设计24第四节 数据存储模块的软件设计25第五节 键盘和液晶显示模块的软件设计26结 论27致 谢29参考文献：30附 录31 天津科技大学2013届本科生毕业设计第一章 绪论近年来随着我国科技的发展以及国民经济的快速提高,道路交通事故逐年呈现出上升趋势,尤其是长途客运车辆的重、特大道路交通事故频频发生,给国家和人民生命财产带来了巨大损失。如果使用记录仪的话, 就可以有效遏止疲劳驾驶以及车辆超速等交通违章行为，避免一些不必要的灾难。除此之外，汽车行驶记录仪在保障车辆行驶安全以及对道路交通事故的分析鉴定等方面都具有重要的作用。第一节 行车记录仪的简介及研究的目的和意义在百度百科中，行车记录仪的定义是这样的一个东西，它可以说是使用在汽车上的黑匣子，它由汽车发动机提供能源，通过高清摄像镜头摄影，可以随时实现录像录影的功能，记录车辆行驶过程中的影像及声音，当意外发生时，可以提取记录仪记录的信息做为交通事故的证据，保障驾驶人自我权利。汽车在安装行车记录仪后，就能够用它来记录汽车行驶全过程中的视频图像和声音，记录仪内部还配置有冲击传感器，我们可以设置冲击力敏感度的值，当外界对汽车造成的冲击力大于所设置的值时，导致该冲击力的现场数据就会被记录下来，调取这些数据就可以为交通事故提供证据。那些喜欢自己驾车旅游的朋友，还可以用它来记录旅游路上的所见所闻。一边开车一边录像，同时把时间、速度、所在位置都记录在录像里，相当于飞机上的“黑匣子”。此外记录仪也可以被用作家庭dv来拍摄我们生活中的点点滴滴，也可以做为家用监控使用。平时也还可以做停车监控。近年来随着我国国民经济的快速发展,人民都过上了好的生活，都拥有了属于自己的汽车，随之而来的也就导致了道路拥堵，交通事故频繁发生等交通问题，并且事故发生率呈现出逐年递增的趋势,这其中以大型长途客运汽车为甚。频繁发生的重大交通事故给国家和人民生命财产带来了巨大损失。如果使用记录仪的话,就可以有效的遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章行为，避免那些不必要的灾难。随着科学技术的发展，现在的行驶记录仪的功能已远远超过单纯事故记录功能，目前国内外使用的记录仪一般都兼有多种功能，例如事故记录功能和行驶记录仪的功能。从目前的发展来看，他一定会与汽车的其他电子系统（如gps定位系统、gsm数字移动通信系统、图像监控识别系统等）相结合，向着大容量、模块化、系统化、数据无线传输和数据集成处理的方向发展。1借助强大的信息网络，最终使它成为一种对车辆运行状况进行实时的信息记录、监控并且为车辆提供科学、合理调度的管理系统，在确保现代道路交通安全运输和高效物流动态营运管理上起到了不可或缺的重要作用。虽然行车记录仪以后有很大的发展前景，但是就目前来看，行车记录仪的发展还存在很多的问题。例如产品的质量问题，售后服务问题以及功能标准不统一问题等。目前安装的记录仪大多都是为运输企业的内部管理服务，完全无法满足交警执法的需要。而且一些汽车司机们对安装行驶记录仪抱有很大的抵触情绪，认为安装记录仪会对自己产生很大的约束，抵触心理特别的强烈，并没有意识到记录仪对行车安全的重要性。从执行标准上来讲，现有汽车行驶记录仪国家标准只是推荐性使用标准，关于记录仪的生产标准、产品质量认证、安装使用范围、违规处罚等都没有明确的、具有法律约束力的规定。1在价格上，现在市场上出售的行车记录仪价格普遍较高，从15000元到50000元不等，大部分用户都无法承受。因此对汽车行驶记录仪的研究还有很长的路要走，如何制造出符合大众要求，可以满足各行业的人需要的好的产品，还需要我们很多人的努力。第二节 国内外在该方向的研究现状1. 国外有关 在国外，由于汽车普及的比较早，大量的交通事故问题也就更早的被意识到。为了能够降低汽车发生交通事故的频率、驾驶人的危险系数与国家承受的损失，人们想出了各种办法。在这样的情况下，行车记录仪的概念诞生了。最先推出记录仪产品的地方是欧洲，那时的记录仪主要采用机电模拟的方式实现，即机械式汽车行驶记录仪。采用这种技术生产的记录仪使用了很长一段时间，直到2000年欧盟推广使用的汽车行驶记录仪仍然大多采用这种技术。这种记录仪使用起来特别不方便，以纸盘机械式汽车行驶记录仪为例，要想使用这种记录仪必须要人工填写姓名、行驶里程等，非常繁琐。除此之外，这种产品价格还特别昂贵，维护费用也很高。随着科技的发展和社会的进步，欧盟开始制订数字式记录仪的技术标准和法规，并规定从2004年8月起，那些新注册的机动车必须安装这种数字式的汽车行驶记录仪，从那时起，传统的纸盘试记录仪就慢慢的退出了人们的生活。目前较为常见的电子式记录仪包含记录仪、显示器、数据采集处理卡、传感器以及pc机处理软件等几个部分，其中传感器用来采集数据，显示器用来显示实时的道路信息与车辆信息，数据采集处理卡用来存储行驶记录仪采集到的数据，pc处理软件用来对收集到的数据进行图像处理和事故分析。2001年8月，日本某科研小组研制出一种极其先进的汽车行驶记录仪，它可以记录交通事故发生时的驾驶数据。它通过传感器记录速度、方向角度、刹车或急转弯使汽车达到的加速度等信息，当这些数据超过一定的界限时，便判断为“事故”，并将“事故”发生前十秒和后五秒间的各种数据自动记录入磁盘中。同时采用图像处理技术，利用相机自动记录“事故”发生前十秒和后五秒这段时间内从驾驶席上能看到的事故场面。但是这种基于传感器和图像处理技术的汽车行驶记录仪价格特别昂贵，因此这种产品还在萌芽中就被扼杀了。 2.国内相关我国对行车记录仪的研究和实践相对较晚，是从20世纪80年代末期才开始的。最初设计的产品，使用磁带来作为存储介质，实时的记录车辆走过的路线。但这项发明在当时不是很成功。随着社会的进步，汽车在我们社会越来越普及，交通网也就变得原来越复杂，以前的行车记录仪根本无法满足大众以及交警执法的要求。为了适应交通管理和行车安全的需要，行车记录仪的功能在其发展过程中也随着需要进行着功能上的扩展，使它并不仅仅只局限于事故分析，在车辆监控、车辆状态记录及报警、交通宏观控制、车辆管理等方面都也能起到很大的作用。相比国外的机械式行车记录仪，我国的产品均为数字式的产品，能够实时监测记录车辆行驶的各种状态信息并且还可以有效准确地鉴别驾驶员身份，同时还具备超速报警功能，串口通信功能以及打印输出功能。并且都具备体积小巧、价格合理、无需专人维护且使用方便等特点。作为智能交通系统的一个组成部分，行车记录仪发展迅速，目前已经在物流、车辆出租和长途运输等领域开始应用。我国公安部门已经明令要求所有长途运输客车必须安装行车记录仪。到目前为止，虽然国内记录仪的市场已经初具规模，但是还没有统一的标准来对记录仪的生产进行管理，比如各种记录仪产品在数据结构、数据格式、数据传输方式等方面还是有较大差异的，这些都不利于实现对记录仪的大面积推广和规范管理。而且现在的记录仪产品大多都采用的8位或者16位单片机做为主处理器，这也将极大地限制记录仪系统的接口扩展，功能的完善以及实时性能的提高。因此在我国对于记录仪的研发道路还有很长的路要走。第二章 行车记录仪系统的总体方案设计第一节 行车记录仪的主要功能与系统组成 本文设计的行车记录仪所具有的主要功能是利用gps模块接收数据，通过具有处理功能的芯片的处理，可以把数据显示到液晶屏上，做到实时记录车辆的位置信息和车辆行驶的状态信息。并且可以将数据记录到存储器中保存起来，当用到时可以随时的调用出来。根据系统的主要功能大致可以将这个系统分为以下几个部分： 1.gps模块，整个行车记录仪最重要的模块之一，用来接收来自gps卫星的数据，并可以将数据进行处理变成处理器可以识别的数据。 2.中央处理模块，整个行车记录仪的核心部件，用来处理来自gps模块信号的模块，并将数据进行进一步的处理，使之在液晶屏中显示出来，并且将数据转存到存储模块中保存起来，是最重要的模块 3.液晶显示模块，可已将接收到的数据以文字的格式在屏幕上显示出来 4.键盘模块，用来控制液晶屏翻页，显示收到的不同的信息 5.供电模块，用来提供整个设备正常工作的电源根据所要用到的模块，可以得到整个设备的大致框图：图2.1 系统整体框图第二节 主要控制芯片的选择控制芯片是整个行车记录仪系统的核心，是最重要的部分，本次设计的要求是基于单片机的行车记录仪的设计，所以控制芯片必须是单片机。虽然选定了控制芯片为单片机，但是单片机的种类多种多样，迄今为止，市场上出售的单片机产品的种类有60多类，每一类都包含十多个品种。如果按照cpu对数据处理位数来分的话，单片机通常可以分为4位单片机，8位单片机，16位单片机和32位单片机。单片机的位数不同，实现的功能以及试用的场合也就不一样，虽然我们可以理解为单片机可以处理的位数越高单片机越好，但在不同的场合我们用最适合的单片机才是性价比最高的选择。4位单片机是处理位数最少的一种单片机，它的的控制能力很弱，cpu一次可以处理的二进制数位数仅仅只有四位。这类单片机在小型的计算器、简单的智能模块以及家电控制器中应用的比较广泛。由于处理位数太少，并不能够对本次毕业设计中需要处理的数据进行很快很好的处理，因此在本次设计中我们不采用它。8位单片机是指一次可以处理八位二进制数的微型控制器，它的的控制功能较强，品种也最为齐全。和上面提到的那款相比，它的存储器可以存储大量的内容，可寻址的范围也特别广，除此之外它还有更多的中断源、i/o口（并行）和定时器/计数器，以及可以进行全双工通信的的串行口。 指令系统也比较完善，该种单片机的指令系统不仅增设了乘除指令，为了使程序设计更加简单，可以实现更多的功能，它还增加了比较指令。为了使单片机适应更多的场合，还研制出了好多增强型单片机，这样的单片机不仅增加了a/d和d/a转换功能，还集成有定时器/比较寄存器、看门狗定时器、bus控制部件和晶体振荡电路等功能。由于这种类型的单片机片内资源丰富并且有强大的处理功能，所以在工业控制、智能仪表、家用电器和自动化办公系统中应用的比较广泛。16位单片机是在20世纪80年代才慢慢的发展起来的。这类单片机的cpu是16位的，运算速度普遍比8位的单片机要高，有的16位单片机寻址能力可以达到1mb，片内含有a/d和d/a转换电路，并且支持像c语言这类的高级语言。这类单片机的应用领域和8位单片机差不多，都是用在工业控制，自动化办公系统以及工程控制系统中，他们比8位单片机具有更好的性能，可以完成一些8为单片机不能完成的东西。32位单片机是指一次可以处理32位二进制数的微控制器，是单片机中最优秀的产品，具有极快的处理速度。近年来，随着科技的发展，32位单片机的市场前景被广泛看好。例如arm单片机，作为一款32位的微处理器，arm与普通的8位单片机相比，其处理效率要高很多很多。一般的情况下人们谈到arm时经常会把它和嵌入式操作系统联系在一起，因为利用arm实现嵌入式是一个非常好的选择方案。虽然arm的各种性能都非常好，16位单片机的性能也要高于8位单片机，但是如果在本次设计的行车记录仪系统中使用16位单片机或者更好的arm单片机完全是一种资源的浪费，因为一个8位的单片机就可以完全满足开发的要求了。而且平时我们对于8位的单片机了解得比较多，上手起来也非常容易，所以在本次设计中8位的单片机是最好的选择。目前流行的8为单片机很多例如avr单片机，pic单片机和我们最熟悉的51系列单片机，在这几个品种中，每种单片机也都有各自的优点：c51单片机是51单片机和c语言程序设计的简称，在大学阶段我们都对51单片机有一定的了解，所以在学习51系列的其它单片机时也会很容易上手因此，此类单片机可以作为首选。 pic单片机种类很多，他的优点是比其它的单片机(例如51单片机，avr单片机)都要稳定一些，所以这类单片机一般用在社会上对稳定性的要求比较高的场合。 plc单片机运行很稳定，但是和他的稳定性相对应的就是它的价格普遍很高，它的核心其实也可以说就是一个51单片机，区别就在于它在51单片机的基础上又加了很多的隔离器，这样在应用过程中就不会有像单片机那样多的干扰，plc的应用领域一般是在强电设计方面，例如工控行业。avr是atmel公司的一个系列的产品,其性价比较高,如果我们设计的产品对稳定性没有太大的要求的话，这款单片机算是一个比较不错的选择，它拥有哈佛结构和risc，具有处理功能强、效率高等特点。 了解了各类单片机的特点与各自具有的优点，结合自己的实际选择一款单片机就变得很容易了。因为在大学阶段，主要学习的单片机就是89c51单片机，而且c语言也是大学中必修的一门课程，这两样东西都是很熟悉的东西，而且c51系列单片机在性能上也完全可以满足开发所需要的要求，所以c51系列单片机是最佳的选择。因此在这次毕业设计中我选择的是stc公司生产的90c51系列的单片机。stc单片机完全兼容51单片机，并有其独到之处，其抗干扰能力极强，保密性也很不错，功耗低，可以进行远程升级，内部还配置有max810专用复位电路，价格也较便宜，性价比非常高，最重要的是上手容易，而且拥有不错的性能。第三章 行车记录仪系统的硬件设计第一节 单片机模块1.1stc90c516rd+系列单片机简介stc90c516rd+系列单片机是高速、低功耗的单片机，指令代码对传统的51系列单片机完全的兼容，并且还有可供选择的两种时钟周期（12时钟/机器周期以及6时钟/机器周期），内部配置有专用的复位电路max810，时钟频率在12mhz以下时，复位脚可直接接地。1.增强型6 时钟/机器周期，12时钟/机器周期；2.工作电压：3.7v-5.5v/2.4v-3.8v；3.工作频率的范围：0至40mhz，相当于一般的51系列的单片机 0至80mhz的频率范围；4.用户应用程序空间 4k/6k/7k/8k/10k/12k/13k/16k/32k/40k/48k/56k/ 61k/字节；5.片上集成 128/256/512字节的ram；6.通用i/o口，复位后的p1/p2/p3/p4 口全都是准双向口（相当于一般的51系列单片机的i/o口）；7.内含isp/iap；8.eeprom；9.看门狗定时器；10.内部集成max810专用复位电路，外部晶体12m以下时，可以省去外部的复位电路，只要把复位引脚接地即可；11.共3个16位定时器/计数器，当需要时我们可以把定时器0当成2个8位定时器使用，这样就可以扩展为四个定时器；12.4路外部中断，分别由下降沿触发和低电平触发；13.通用异步串行口（uart），还可用定时器软件实现多个uart；214.工作温度范围：0-75/-40-+85。1.2 stc90c51系列单片机的内部结构stc90c51系列单片机的内部结构框图如下图所示。stc90c51系列单片机中包含很多种模块，像中央处理器模块，程序存储器模块，数据存储器模块，定时/计数器模块，uart串口，i/o接口，eeprom，看门狗模块等。这个系统几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可以称得上是一个完整的片上系统。stc90c51系列单片机的内部结构框图如下： 图3.1 stc90c51rd+系列内部框图 1.3 stc90c51系列单片机引脚说明vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位双向i/o口。当p0口的管脚输入1时，显示高电平输入。当p0口被定义为数据/地址的低八位时还可以用于外部程序/数据存储器。当我们在用单片机做fiash编程时会输入源码，进行校验时会输出源码，这时我们就可以从p0口进行输入和输出。如果这样做的话p0口外部必须接上拉电阻。p1口：p1口也是一个8位双向i/o口。当p1口的被输入1时，该引脚会被置为高电平，此时p1为信息的输入端口，当p1口被置为0，则该引脚被置为低电平时，此时成为信息的输出端口。在flash编程和校验时，p1口主要是作为低八位地址的接收端口。p2口：p2口为8位双向i/o口，当给p2口输入“1”时，该引脚被置为高电平，此时它作为输入端口。当把p2口做为外部的程序存储器或数据存储器进行存取的接口时，此时p2口输出的为地址的高八位数据。如果对外部的数据存储器进行读写操作时，p2口输出内容为它的特殊功能寄存器中的值。当p2口用在flash编程和校验时，他接受到的是数据高八位的地址信号和控制信号。p3口：p3口也是双向i/o口，当p3口被写入“1”后，该端口被置为高电平，用于数据的输入。p3口除了上面提到的功能外，还可以作为stc90c51的一些特殊的功能接口，例如有以下备选功能：p3.0 （rxd口）和p3.1 （txd口）相对应，他们可以分别作为串行口的输入和输出（串行输入口）；p3.2 和p3.3相对应，他们可以分别作为/int0和/int1，即外部中断0和外部中断1的接口；p3.4 和p3.5是一组相对应的接口，他们可以分别做为外部t0和t1的输入端口（t指的是定时器）；p3.6 和p3.7相对应，他们分别是外部数据存储器的读写选通接口，其中/wr表示写选通，/rd表示读选通；p3口的另外一种功能就是可以为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst为单片机的复位输入引脚。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存对低位的地址字节有效。在用flash进行编程的时候，这个引脚为脉冲的输入引脚。/psen：外部程序存储器选通信号。在外部程序存储器取地址的时候，每个机器周期该引脚有效两次。/ea/vpp：该引脚为低电平时，不管内部是否有程序存储器，都是外部程序存储器（低值范围从0000h到ffffh）工做。只有当该引脚为高电平时，内部程序存储器才开始工做。xtal1和xtal2可以分别作为反向振荡放大器的输入和输出端，其中前者可以作为内部时钟工作电路的输入端口。振荡器特性:我们可以把这两个振荡器配置为片内振荡器。如果我们采用外部时钟源驱动器件的话，我们应该把xtal2引脚悬空。因为给振荡器内部输入时钟信号时会通过一个二分频的触发器模块，因此这个对外部时钟信号的脉宽没有什么要求，但是需要注意的是，我们必须得保证输入信号的脉冲的高低电平所要求的宽度。1.4 时钟电路设计时钟电路就像整个单片机系统的心脏部分，由他来控制整个芯片的工作，cpu就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能。单片机的外部晶振电路如图3.6所示：图3.2 外部晶振连接图1.5 复位电路设计复位是将单片机做重新初始化的操作。为了使cpu和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，单片机在启动运行时，都需要先进行复位操作，以便能有一个统一的工作状态，因此复位是一步很重要的操作，但是大多数的单片机不具备自动复位的功能，虽然在本次毕业设计中所用到的单片机在晶振频率为12m以下时可以直接将复位引脚接地进行复位，但是这次用到的单片机晶振的频率为12m，所以不能直接进行复位，所以必须配合相应的外部电路才能实现。单片机的上电自动复位电路如图3.7所示：图3.3 上电自动复位电路第二节 gps模块1.1gps简介gps全称为global positioning system全球定位系统，他由空间部分，地面控制部分和用户设备部分三部分组成。gps的空间部分是由均匀分布在6个轨道面上距离地球表面两万多米的24 颗卫星组成。除此之外，在轨道上运行的还有另外四颗作为备份的卫星。这24颗卫星分布均匀，无论何时都可以保证在全球的各个角落观测到4 颗以上的卫星，以便能够随时保持良好的定位服务。这就保证了随时随地的进行连续的全球定位导航工作。gps向地面发射两组电码，p码(precise code 10123mhz）和c/ a 码( coarse/ acquisition code11023mhz)。p 码频率较高，因此有很强的抗干扰能力和准确的定位精度，但是它受到了美国军方的管制。由于被设定了密码，民间无法解读，所以它主要为美国的军方服务。c/ a 码则不同，c/a码为了开放给民间使用被人为的采取措施降低了精度。地面控制部分由三部分组成，他们分别是主控站，全球监测站和地面控制站。主控制站位于美国科罗拉多州，主要任务是负责收集由卫星传回之讯息。监测站装配有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。它们将从卫星接收到的观测数据（包括电离层和气象数据）经过初步处理后传送到主控站。主控站再从各监测站收集数据，根据这些数据计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送给地面控制站。当卫星运行至地面控制站上方时，控制站将这些导航数据信息及主控站指令发送给卫星。这种工作每天对每个卫星执行一次，并在卫星离开主控站作用范围之前进行最后的信息注入。假如某一地面控制站发生了故障，那么在卫星中预存的导航信息还是可以使用一段时间的，但是随着时间的增长，卫星的导航精度也会逐渐的降低。所谓的用户设备部分其实就是一种信号接收设备（即gps信号接收机）。它的主要功能就是可以捕获到卫星，并追踪这些卫星在宇宙空间中的运行。当它接收到被他追踪的gps通讯卫星所发射出的信号之后，就可以测量并计算出接收天线至通讯卫星之间的伪距离和距离的变化率，3通过这些数据来解调出通讯卫星运行的轨道参数等有效数据。将接收到的这些数据输入到该设备中的微处理计算机中，根据定位解析算法进行定位计算，就可以计算出用户所在地理位置的经度、纬度、高度、海拔、时间、速度等各种我们需要得到的信息。完整的gps用户设备是由硬件部分、软件部分和gps 数据处理后的软件包构成的。gps 接收机又由天线部分和接收部分组成。接收机一般采用双电源进行供电，即机内和机外电源。机内电源的作用在于当你在更换外电源时不至于中断接收机对卫星的连续观测。在用机外电源时，机外电源会给机内电池进行充电。关机后，机内电池也会继续为ram存储器供电来防止存储在ram存储器中的数据丢失。目前各种类型的接受机体积被做的越来越小，重量也越来越轻，越来越便于用在野外观测中。1.2gps 接收机的性能与结构gps 卫星全部都采用展频技术来向地面发射信号，两个载频发射(l 1波长为19 cm，频率f 1= 15410. 23mhz；l 2波长为24 cm，频率f 2= 12010.23mhz)的信号传输速率为50 hz，调制方式为二相键控(bpsk)调制，且信号被调制在伪随机码上。gps的伪随机码分为p码、c/a码和y码三种：p 码称为精码，一般用在精密定位服务上。它的周期长为7 d，码频率为10.23mhz，既然可以称为精码，因此无论是定位还是时间速度等都有很高的精度。它的时间精度已经超越了纳秒的水平为100 ps，定位精度为16m，速度精度也达到了0.1 m/s。c/a 码被称为粗码，也可以称他为标准定位服务码。它具有周期短频率低等优点，他的周期仅为1 m s；码的频率也仅有1.023mhz，它的一个周期中有1023 个码位。由于它的搜捕时间很短，所以特别适合用于快速提供精度不高的定位信息。定位精度为40m。y 码和p 码相类似，都属于精密定位服务码。但是它的编码比p 码复杂得多。gps最开始的用处就是用在美国军方的军事活动，军事科研等方面，虽然后来对民间开放，但是美国军方对gps 的使用范围进行了一些控制，只有c/a 码和广播星历向全球开放。虽然美国对gps的c/a码做了开放，但又不是绝对的开放，他们对c/a 码又采用了sa 方式，限制了c/a 码的精度，使得水平定位的精度变为一百米的概率为百分之九十五。美国在gps 系统中采用的sa 措施，对用户是个很大的限制，为了针对这种限制，使这种限制降到最低，又发展了称为dgps 的差分gps 技术。由于采用差分编码技术，使得测量的定位精度得到了极大的提高，因此在大地的实际测量中获得了非常广泛的应用。gps 定位的基本原理实际上是比较简单的。由于每个地方都能监测到四颗卫星，这4 颗卫星同时向gps接收机发射时钟信号，我们将它取名为d t，gps接收机将收到的时钟信号与自身的标准时钟进行对比，就可以得出时钟偏差，这就是卫星信号传播所需要的时间，我们将它乘以3*108m/s，就可以计算出卫星信号传播的距离。于是我们得到这样的一个简单的多元方程组：(a i - u a ) l + (bi - u b )l + (c i - u c )l = (r i - cb)l这里a i、b i、ci 分别代表四颗卫星的位置参数，由gps 卫星以50 hz 的速率向全球不间断广播。u a、u b、u c 为接收机的位置。r i 即为传播距离：r i= cd ti。cb 为用户的标准时钟偏差参数。于是得到含有四个未知数u a、u b、u c、cb的四个方程。一般来说这样的方程都有唯一的解，由此我们就可以得到准确的位置参数信息。作为gps 用户部分的主要部件gps 接收机，主要是用来接收和处理来自gps卫星发送的位置信息。它主要由主机天线、运算单元、输出通道等三个大部分构成。主机的核心是低噪放大器、信道电路、中央处理器、存储器等模块；4我们可以借助软件将卫星信息进行接收、采集、放大、识别、存储、处理等操作以便能够输出有用的定位信息、速度信息和时间信息。在本次毕业设计中使用的gps模块采用瑞士u-blox公司的neo-5q主芯片，此芯片为多功能独立型gps模块，它以rom为基础架构，具有成本低，体积小等众多优点。在接收端采用u-blox公司最新的kick-start微弱信号攫取技术5，无论天线尺寸多大，设备所处的位置如何，只要可以接收到gps信号，都可以确保采用此模块的设备能够有最佳的初始定位性能并进行快速定位。1.3gps信号的数据解析gps上电后，每隔一定的时间就会返回一定格式的数据，数据格式为：$信息类型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x每行开头的字符都必须是$，紧接着是信息类型，最后面的部分是数据，每个数据以逗号分隔开。一行完整的数据如下：$gprmc,080655.00,a,4546.40891,n,12639.65641,e,1.045,328.42,170809,a*60信息类型一共可以分为以下几种类型：gpgsv：可见卫星信息gpgll：地理定位信息gprmc：推荐最小定位信息gpvtg：地面速度信息gpgga：gps定位信息gpgsa：当前卫星信息在本次的毕业设计中我们只用到了gprmc和gpgga的信息，因此在这里我们只对gprmc和gpgga的信息进行数据解析的介绍。（1）gprmc数据详解gprmc数据信息的格式为：$gprmc,*hh其中标号“ ”表示utc时间，时间格式为：hhmmss(时分秒)；标号“”表示gps的定位状态，其中a表示有效定位，v表示无效定位；标号“”表示纬度信息，格式为：ddmm.mmmm(度分)(前面的0也将被传输)； 标号“”表示纬度半球，其中包括south和north； 标号“”表示经度，其格式为：dddmm.mmmm(度分)(前面的0也将被传输)；标号“” 表示经度半球，其中包括east和west；标号“”表示地面速率(0.09.999*103节，前面的0也是会被传输的)；标号“”表示地面航向(0.0360度，参考基准为地磁北极，同上)； 标号“”表示utc日期，其日期格式为：ddmmyy(日月年)； 标号“”表示磁偏角(0180度，前面的0跟上面的数据一样会被传输)； 标号“”表示磁偏角方向，其中包括east或west； 标号“”表示模式指示(其中a表示自主定位，d代表差分，e表示估算，n代表数据无效)；解析内容：1. gps上接收到的时间格式为格林威治时间，即世界时间（utc），因此我们需要把它转换成北京时间（btc）以便方便我们使用，btc和utc的时差为8个小时，因此我们要在这个时间基础上加8个小时才是北京时间。2. 定位状态，在接收到有效数据之前，这个位为“v”，后面没有数据，当接到有效数据之后，这个位就变为了“a”，这样后面的数据才开始变为有效数据。3. 纬度，把纬度转换成度分秒的格式是很有必要的，因为只有这样我们才能看得懂。他的计算方法如下：如接收到的纬度是：4556.319814556.31981 / 100 = 45.5631981可以直接读出纬度的度数：45度（45.563198145）* 60 = 27.946356即27分（27.94635627）* 60 = 50.73187即50秒经过计算得到的纬度的数值：45度27分50秒。4. 南北纬，它包括两种值：north and south；5. 仿照上面纬度的计算，我们就可以得到经度的数值；6. 东西经，这个位也有两种值east（东经）和west（西经）；7. 速率，这个速率单位是海里/时，为了把它转换成标准单位千米/时，我们应该知道换算的比例，因为1海里 = 1.85km，所以我们需要把通过计算得到的速率全都乘以1.85才行，这样就可以得到标准的速率；8. 航向，指的是我们行驶的方向和正北的夹角；9. 日期，gps中的日期为准确日期，因此不需要转换。gpgga数据详解gpgga的数据格式为：$gpgga,m,m,*xx$gpgga：起始引导符及语句格式说明(本句为gps定位数据)；标号“”表示utc时间，它的数据格式为hhmmss.sss；标号“”表示纬度，它的格式为ddmm.mmmm(如果数据的第一位是零也将会被传送)；标号“”表示纬度半球，包括n和s(北纬和南纬)；标号“”表示经度，其格式为dddmm.mmmm(如果数据的第一位零也将会被传送)；标号“”表示经度半球，它包括e和w(东经和西经)；标号“”表示定位质量指示，0表示定位无效，1则表示定位有效；标号“”表示使用卫星的数量，从00到12(第一个零也将被传送)；标号“”代表水平精确度，数值范围为0.5到99.9；标号“”表示天线距离海平面的高度，高度值的范围从-9999.9到9999.9米 m代表单位米；标号“”表示大地水准面高度，高度值的范围也是从-9999.9到9999.9米 m代表单位米标号“”表示差分gps数据期限(rtcm sc-104)，最后设立rtcm传送的秒数量；标号“”为差分参考基站标号，数值范围从0000到1023(如果首位为0也将会被传送)。1.4 gps模块工作原理gps模块原理图如下所示：图3.4 主芯片原理图图3.5 ttl电平接口neo-5q的引脚功能：1、 vcc 主电源供电引脚。gps 接收机对工作电源的纹波较为敏感。最大电源纹波峰峰值不得超过50mv。2、v_bckp 为备用电池连接引脚。在vcc主电源掉电的期间内可以继续维持实时时钟和备用ram的供电。这样的好处就是可以使接收器在温启动、热启动后可以恢复并保持配置设定。如果备用电池未接入，那么在上电时接收器将执行一个冷启动。如果没有后备电池，将该引脚应该接vcc或者gnd。（注：gps 的热启动 冷启动和温启动）gps开机定位分为冷启动、温启动和热启动三种方式。冷启动：以下几种情况开机均属于冷启动方式。初次使用时的启动；电池耗尽导致星历信息丢失时的启动；关机状态下将接收机移动1000公里以上距离时； 温启动：距离上次定位的时间超过两个小时的启动；6 热启动：距离上次定位的时间小于两个小时的启动。 有时候如果机器有软件问题，需要进行冷启动，冷启动可以使用gps-viewer进行。3、vdd_usb usb接口电源，该引脚电压范围：3.0-3.6v。如usb未使用，该引脚必须连接到gnd。4、电源功耗模式 u-blox5 提供两种电源模式：最大性能模式和经济模式。5、extint 外部中断引脚，用于低功耗模式唤醒功能。6、系统监控 u-blox5 gps和伽利略接收器提供系统监控功能，这允许嵌入式处理器的操作及关联外围设备的监督。这些监控功能作为ubx协议的部分被输出。class “mon”。 7、接口 a、uart 1 (rxd1/txd1)是默认的串行接口。支持数据速率：4.8 k bit/s to 115 k bit/s.。信号电平：cmos 0v 到vcc（注:rxd1 有固定输入电压阀值（input voltage thresholds），独立于vcc,如引脚不用，可以将之进行悬空处理。） b、usb 在主机的usb接口和接收器的vdd_usb引脚间必须接入一个ldo（输出3.3v）。接收器以usb自供电设备方式使用时，基本不耗电。但在总线供电方式下，电流最大约150ma左右。在这两种方式间切换，ldo需要通过使能端控制其是否工作。 c、ddc c c通讯总线，sda2 和scl2引脚内置上拉。做为从机模式时则无需上拉。 d、spi 8、i/o引脚 a、extint0是一个有固定输入电压阀值的中断输入引脚。独立于vcc，如果不使用该引脚可以将之悬空。 b、配置引脚：(cfg_com0, cfg_com1, cfg_gps0)neo-5 模块提供了一些引脚用于开机时间配置。在启动后这些引脚立即有效。一旦模块启动，除非系统掉电或者复位修改后的信息一直保持，否则ubx的