车载GPS组合导航仪多传感器数据采集模块设计

1、本文由【中文word文档库】 搜集整理。中文word文档库免费提供海量教学资料、行业资料、范文模板、应用文书、考试学习和社会经济等word文档车载GPS组合导航仪多传感器数据采集模块设计王 玉 王 忠(四川大学电气信息学院通信工程系，成都 610065)摘 要: 对多传感器智能组合导航仪的数据采集模块进行了设计，利用51单片机作为核心部件构架整个模块。给出了系统框图、原理图设计。介绍了GPS数据格式以及陀螺仪信号形式、速度传感器信号特点，利用数据通信原理的知识将三个数据信号有机地融合，从而创造性地定义了传输数据的格式，并采用了特别设计的传送方式。采用51汇编语言进行了软件的程序编制，并在单片机

2、仿真环境下调试通过，已在硬件环境下试运行。整个系统运行正常，达到设计要求。关键词：GPS, DR, GIS, 数据采集, 导航, 定位Design on Block of Gathering SensorsData for VehicleGPS Integrated Navigation InstrumentWang Yu, Wang Zhong(School of Electrical Info., Sichuan Univ., Chengdu 610065,China)Abstract: The combination of Dead Reckoning (DR) and GPS will

3、 make the localization of mobile vehicles exactly , even when the Satellite signal is lost. The module of digital gather is designed which used 51 MCU as the key part of module in this text. After introducing the form of GPS data the signal form gyroscope and signal of tempo, the block diagram and p

4、rinciple picture are designed. It is very important to improve the method of communication to make the transmission more effective and simpler. The procedures of software is written by assembler language, and it has been debugged and passed under the development tool of KEILC51.The whole system runs

5、 normally, and it has reached the designing requirement.Keywords: GPS, DR, GIS, Data Acquisition, Navigation, Location全球定位系统（GPS）能迅速、准确、全天候地提供定位、导航和授时信息，但在城市高楼区、林荫道、涵洞及深山峡谷内，GPS的上述功能常常失效。为了能够在上述情况下，实现对车辆的定位与导航就有必须采用某种特殊的方法来弥补单纯的GPS定位的缺点。将航位推算（DRDead-Reckoning）与GPS定位相结合的组合式车辆导航定位是一种常用而有效的车辆定位技术。为了实现航

6、位推算我们就有必要去采集车子的速度、方向等参量。基于这种想法设计了这个车载GPS采集器。1 设计思想1.1 采集器设计分析1) 车载采集器工作的环境非常恶劣，而电磁脉冲对采集器系统的影响比较严重，必须考虑系统的抗干扰能力。同时由于系统需要长期不间断工作的可能非常大，所以必须要考虑系统的可靠性。2) 采集器采集的GPS信号、陀螺仪信号以及车速值在时间上有较强的相关性，采集到的陀螺仪信号和车速值必须对应于相应的GPS信号。如果在时间上产生的偏差太大或者根本就失去了应有的相关性，上层的定位系统就无法正常的工作。3) 采集器如何将采集到的数据发送到它的上层处理器，是一个极其重要的问题，这是一个通信问题

7、。显然有必要建立一套简单有效的通信方式解决不同数据的传送问题。1.2 采集器特点分析1) 采集器必须能够采集多种不同的信号，并对不同的信号进行相应的初级处理以便于信号的传输和识别。2) 采集器是一种安装在车体内的数字化设备。在它稳定、可靠的实现功能的条件下，应该尽可能的降低制作成本。2 系统2.1 设计方案简述基于上述设计思想, 以单片机为整个系统的核心，由它控制着整个系统的工作，即接收并提取有用的GPS信号$GPGGA帧、采集陀螺仪及提取车速值，并传送到中心处理器.2.2 硬件的框图化设计陀螺仪转速仪GPS信号倒车信号信号变换RS-232LPA/D单片机系统图1 硬件框图数据采集模块的具体实

8、现图1所示，由图可见数据采集模块是一个典型的以单片机为中心的通讯电路组合。其中，单片机采用ATMEL公司的AT89系列单片机AT89c51。它是一种低功耗，高性能的位CMOS微控制器芯片，它体积小、价格低廉、集成度高且易于扩展,这些特点非常适合移动车辆定位系统的需要。因此由它来构成整个系统的“心脏”,协调个模块之间的工作。 由于89C51没有内部A/D转换器,故陀螺仪输出的直流电压信号经低通滤波后由ADC0804转换为可供单片机读取的8位数字信号.ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率8位，转换时间为100微秒，输入电压范围为05V，在本设计中通过增加某些外部电

9、路，输入模拟电压扩展为-5V-+5V,这完全是为了适应陀螺仪的需要.转速仪发出的脉冲信号经过脉冲整形后,可直接接到51单片机的定时/计数器上,通过统计1秒内的脉冲个数可测得车速。GPS接收装置采用美国GARMIN公司出品的GPS_25接收板,它具有体积小、性能优良、价格便宜、易于二次开发等特点.它接收来自GPS天线单元的卫星信号，通过变频、放大、滤波等处理过程，产生大量的数据信息：如星历信息(卫星状况等)、位置信息(经度、纬度、海拔等)、时间信息(日期、时间等)、速度信息等，可以为车载导航、智能交通、地理信息系统(GIS)应用提供实时的三维位置信息.它采用单一+5V供电, 软件接口协议采用美国

10、的NMEA0183 ASC II码协议.2.3 软件模块化设计GPS、陀螺仪及车速信号采集接收信号处理数据发送图2 软件模块.采集接收模块在接收模块中需要实现GPS信号的接收、车速脉冲的计数和陀螺仪信号A/D转换后信息的接收。该模块是采集器软件的最底层，实现数据的收集。由于GPS等信号的性质完全不同，需要对不同信号采用不同的采集方法。同时，必须注意到GPS信号与陀螺仪信号的同步，即在接收到GPS信号的同时就开启A/D转换，这些由软件来完成。信号处理模块是针对不同信号进行的不同的处理方式的总和。信号处理是将由接收模块得到的不同信号按一定的约定的格式进行必要的格式转换。进行信号处理有利与传输过程后

11、信号的识别。前向通道中，输入信号均含有噪音和干扰，为了准确的测量，必须消除被测量信号中的噪音和干扰，而滤波通常采用均值滤波和极值滤波.数据发送是实现采集器作用的关键模块。若该模块出错，系统也就完全失去了其全部的功能。数据传输应该及时有效。软件框图如图3所示。3 信号分析3.1 GPS信号由GPS-OEM板发出的异步串行数据(以RS-232-C 为标准)的周期信号，主要由帧头、帧尾和帧内数据组成。根据数据帧的不同，帧头也不相同，主要有"$GPGGA"、"$GPGSA"、"$GPGSV"以及"$GPRMC"等。这些帧头

12、标识了后续帧内数据的组成结构，各帧均以回车符和换行符作为帧尾标识一帧的结束。对于通常的情况，我们所关心的定位数据如经纬度、速度、时间等均可以从"$GPGGA"帧中获取得到. 该帧的结构及各字段释义如下：$GPGGA、<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>、<8>、<9>、M, <11>、<12>*hh<CR><LF> <1>UTC时间，hh mm ss格式（定位它的） <2>经度d

13、d mm mmmm 格式（非0） <3>经度方向 N或S <4>纬度ddd mm mmmm 格式（非0） <5>纬度方向E或W <6>GPS状态批示0未定位 1无差分定位信息 2带差分定位信息 <7>使用卫星号（0008） <8>精度百分比 <9>海平面高度 <10>*大地随球面相对海平面的高度 <11>差分GPS信息 <12>差分站ID号 0000-123初始串口上电启动END接收串口数据是否有效帧存放到数据段1采集陀螺仪信号与车速并分别存放在数据段2,数据段3读取3个数据

14、区数据,进行数据封装,再发送出错处理 图3 软件设计框图3.2 陀螺仪信号陀螺仪采集车辆行进方向的传感器，采用陀螺仪输出的是随角度变化而变化的电压信号显然模拟的电压信号需要通过模数转换才能为数字芯片所用，而使用ADC0804模数转换芯片可以得到位并行的数据3.3 车速信号车速的大小是通过车速仪输出的脉冲信号的频率表示的。4 数据通信4.1 串行通信总线技术标准异步通信接口有RS-232C,RS-232E,RS-449,20mA电流环和USB通用接口。目前最常用的串行通信总线接口是美国电气工业协会1969年推荐的RS-232C。通常使用芯的接插件来实现RS-232标准接口的连接。用RS-232C

15、总线连接系统是，有近程通信方式和远程通信方式之分。而近程通信是指传输距离小于15M的通信，这时可以使用RS-232C 电缆直接连接(零MODEM方式)。15m以上的长距离通信需要采用调制解调器。S-232C逻辑电平对地是对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑电平规定为V之间，逻辑电平为V之间。因此,RS-232C驱动器与TTL电平连接必须经过电平转换.该标准的信号传输速率只能达到kbps，而最远距离只有米。RS-232C的单电源电平转换芯片有MAX232,MAX232A和MAX202以及ICL232等芯片。4.2存储转发方式考虑到硬件(89C51单片机)基础,采用存储转发方式.存储转发

16、方式是指采集器将接收到的GPS信号、车速信号和陀螺仪信号先存储起来，到发送时刻时再按某种处理方法的发送出去。存储转发方式可以形成一个完整的信息帧，帧中包含了系统所需的数据和标志符。 采集器上电之后，检查GPS信号输入端，一旦检测到GPS信号"$GPGGA"帧的帧头，采集器开始存储GPS信号的数据并开启A/D转换采集陀螺仪信号，直到检测得到帧的“*hh”。之后采集器采集车速信号，处理并保存。到数据读取完成之后，发送程序启动。程序首先发送信息帧的帧头标记“c#g”，再顺序的发送以保存的GPS信号、陀螺仪信号和车速值，当数据传送完成后程序必须发送帧结束标记“END”,表示数据传送

17、完成。帧格式如表1。表1 帧格式c#gGPS数据段e陀螺仪数据段EP车速脉冲校验和END 4.3 差错控制机制由于采集器采工作环境相当恶劣，脉冲干扰对通信线路的影响很大，差错控制的方法是需要认真选择的.由于GPS接收机发出的信号本身带有校验和,所以只需检验接收到的校验和是否正确便可判断接收是否正确.在同上层处理器的通信时,可在帧中插入累加和检验标记.4.4 通信机制当采集器系统有数据需要发送时，采集器向上层处理器发送q字符，表示请求数据传输。上层处理器返回o表示同意接收要求立刻数据传输并建立连接，而或返回w表示表示同意接收但等待一定时间再传输，而当上层处理器返回r时，采集器复位。建立连接之后，

18、采集器传输信息帧。传输完毕后，等待上层处理器的回复，若得到o表示传输顺利完成；而接收到g表示信息帧中GPS信息数据段出错要求重发GPS的最简帧；而接收到c表示信息帧中车况信息数据段出错要求重发车况信息的简单帧；而接收到e则表示信息帧有严重的错误需要重传信息帧。若重传扔就出错，上层处理器返回r要求采集器丢弃数据并复位。5 运行调试利用计算机模拟以 GPGGA开头以*结尾的GPS信号,用直流稳压电源输出05V的电压来模拟陀螺仪信号。用脉冲函数发生器来模拟里程仪信号。调试结果如图4所示。1. 模拟GPS信号，首先从串口一发出一连串无效数据jhfjshfuh，通过调试发现，串口二无数据输出。2. 然而当我们加入了以$gpgga这个数据头开始，