GPS全球定位系统应用毕业设计(论文)word格式

PAGEVGPS全球定位系统的应用摘要GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统），是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。智能交通系统(ITS)是未来交通系统的发展方向，它是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。其中，交通信息采集系统是最为基本、最重要的系统之一。它为交通管理、交通信息公众发布等提供了大量的基础交通信息，是其他交通管理系统应用的基础。本文以GPS在智能交通系统(ITS)中的典型应用为例，介绍了GPS系统的组成、定位原理、定位误差以及GPRS网络结构、业务特点等，并以台湾皇家数码出品的GPS模块作为地理信息数据采集载体，BENQM22GPRS模块作为数据发送载体，设计了一个简单的交通信息资源采集系统与应用系统。该系统能够根据需要在确定的地理位置采集定位信息，如经纬度信息，并标记此地理位置，当再次途径此地理位置时，自动用语音报告该地理位置信息，可对已采集的地理信息进行人工编辑，包括删除某一地理坐标，在两地理坐标之间插入一新的地理坐标，修改某地理坐标的标记，通过GPRS模块将设备当前所在的地理位置坐标以短信的方式发送到预先设定的数据处理中心，以作进一步处理。文中对硬件和软件的具体实现给予了深入探讨，详细分析了GPS输出数据的通信标准及其数据帧的接收和参数提取的方法，最后对系统测试结果进行了处理和分析并给出了系统的总结与展望。关键词GPS；GPRS；信息资源采集

THEAPPLICATIONOFGLOBALPOSITIONINGSYSTEMABSTRACTGPSisaglobal,all-weather,high-precisionnavigationandpositioningandtimedeliverysystem.Theintellectualtrafficsystem(ITS)isthedirectionofthetrafficsysteminthefuture.Itisofadvancedinformationtechnology,datacommunicationstransmissiontechnology,electronicsensortechnology,controltechnologyandcomputertechnologyetc.,whichiseffectivelyintegratedthroughoutthewholeapplicationsoftrafficmanagementsystemsontheground,andsetupawidelyfulluse,real-time,accurateandefficientintegratedtrafficmanagementsystem.Thetrafficinformationcollectionsystemisthemostbasicandimportantsystem.Itprovidesalargeamountofbasictrafficinformationfortrafficmanagement,trafficinformationmassesreleaseetc.,andalsoitisthefoundationoftheapplicationofothertrafficmanagementsystem.ThispaperintroducesthecompositionofGPSsystem,positioningprinciple,positioningerror,GPRSnetworkstructureanditsbusinesscharacteristics,etc.,anduseGPSmodulewhichisproducedbyRoyalDigitalCompanyofTaiwanasgeographicinformationdatacollectioncarrier,BenQM22GPRSmoduleasadatatransmissioncarrier,workingoutasimpletrafficinformationresourcescollectionandapplicationssystem.Accordingtothedemand,thesystemcancollectpositioninginformationinthespecificlocation,suchaslongitudeandlatitudeinformation,andmarkthelocation.Whenonceagaincomearoundthatlocation,thesystemcanautomaticallyusevoicetoreporttheinformationofthatlocation.Itcanmanuallyeditcollectedgeographicinformation,includingdeletingaparticulargeographicalcoordinate,insertinganewgeographiccoordinatesbetweentwoexistgeographiccoordinates,modifyingageographiccoordinatemarking.ThegeographicalcoordinatesofthecurrentequipmentwillbesenttothepredetermineddataprocessingcenterthroughGPRSmoduleinSMS,sothatitcanmakefurtherprocess.Thispaperdiscussestherealizationofconcretehardwareandsoftwareindetail,analyzesthecommunicationprotocolofGPS’soutputdataparticularly,andworksoutasolutiontoreceivedataframeandretrievenavigationinformationfromGPS,atlastthispaperprocessestheexperimentresultsandgivestheconclusionandprospects.KEYWORDSGPS;GPRS;collectionofinformationresources

目录摘要 IABSTRACT II前言 11基础理论 21.1全球定位系统——GPS 21.1.1GPS发展概述 21.1.2GPS系统组成 21.1.3GPS卫星信号 51.1.4GPS定位原理 51.1.5GPS定位误差 61.1.6GPS应用前景 71.2通用分组无线业务——GPRS 71.2.1GPRS发展概述 71.2.2GPRS网络结构 81.2.4GPRS业务特点 82硬件设计 92.1硬件总体框架设计 92.2嵌入式处理器的选择 92.3GPS模块 112.4GPRS模块 122.5LCD显示模块 122.5.1HG1286416图形点阵液晶模块介绍 122.5.2模块主要硬件构成说明 122.5.3模块的外部接口 142.6键盘模块 152.7串口模块 152.8GPS数据存储 162.9语音模块 173软件设计 203.1软件总体框架设计 203.2.1GPS数据格式(NMEA-0183) 223.2.2GPS数据接收与处理 233.3GPRS模块软件 263.4LCD显示模块 273.6串口通讯模块 293.7站点管理模块 293.7.1新增站点 293.7.2删除站点 303.7.3报站 303.8语音模块 314软硬件调试与测试结果 334.1软硬件调试步骤 334.2软硬件调试中遇到的问题 334.3测试结果 345总结与展望 35附录 37致谢 39-PAGE40-前言随着国内交通基础设施的建设和完善，许多城市相继建立了各种类型的交通管理应用系统。智能交通系统(ITS)无疑是未来交通系统的发展方向，它是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统[7]。当前ITS的服务领域有：先进的交通管理系统、先进的出行者信息系统、先进的公共交通系统、先进的车辆控制系统、营运车辆调度管理系统等。其中，交通信息采集系统是最为基本、最重要的系统之一。它为交通管理、交通信息公众发布等提供了大量的基础交通信息，是其他交通管理系统应用的基础[6]。我国目前仍有少数地区以人工采集作为交通信息采集的主要手段，交通信息的采集需要投入大量的人力、物力和财力。同时，人工采集所得到的数据准确性往往较差，不能很好地反映道路交通实时状况，基于此数据所做的道路交通规划、管理方案具有一定的偏差，从而导致交通信息的综合利用率不高，效能还有待进一步挖掘。因此，需要建立一个快速，高效的交通信息资源采集系统。本文讨论了基于GPRS网络的GPS应用系统，该系统利用GPS设备进行交通地理信息数据采集，可存储主要交通站点的地理位置信息，当交通设备再次行进到相应站点时自动报告站点信息，另外还通过GPRS网络不间断地将收集到的地理位置信息发往监控中心，监控调度中心可根据得到的数据进行统计分析，或进一步处理。

1基础理论1.1全球定位系统——GPS 全球定位系统（GlobalPositioningSystem）,简称GPS,是随着现代化科学技术的发展而建立起来的新一代精密卫星定位系统。1.1.1GPS发展概述1958年12月，美国海军和詹斯霍·普金斯(JohnsHopkins)大学物理实验室为了给北极核潜艇提供全球导航，开始研制一种卫星导航系统，称之为美国海军导航卫星系统，简称NNSS(navynavigationsatellitesystem)系统。在该系统中，由于卫星轨道通过地极，因此被称为“子午(transit)卫星系统”。1959年9月美国发射了第一颗试验性卫星，经过几年试验，1964年该系统建成并投入使用。1967年美国政府宣布该系统解密并提供民用。虽然子午卫星系统对导航定位技术的发展具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目较少(6颗工作卫星)，运行高度较低(平均约1000km)，从地面站观测到卫星的时间间隔也较长(平均约1．5小时)，因而不能进行三维连续导航。加上获得一次导航解所需的时间较长，所以难以充分满足军事导航的需求。从大地测量学来看，由于它的定位速度慢(测站平均观测1—2天)，精度较低(单点定位精度3—5m，相对定位精度约为1m)，因此，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面受到了极大的限制。为了满足军事及民用部门对连续实时三维导航的需求，1973年美国国防部开始研究建立新一代卫星导航系统，即为目前的“授时与测距导航系统／全球定位系统”(navigationsystemtimingandranging/globalpositioningsystem——NAVSTAR/GPS)，通常称之为全球定位系统(GPS)。从该系统研制开始，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。GPS实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行试验。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网，即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。1.1.2GPS系统组成 GPS系统主要由三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分所组成(图1-1)： 图1-1GPS系统的组成一、空间星座部分 全球定位系统的空间卫星星座见图1-2，由24（3颗备用卫星）颗卫星组成。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°。在相邻轨道上，卫星的升交距相差30°。轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。 GPS卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测，加上卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。图1-2全球定位系统的空间卫星星座二、地面监控部分GPS的地面监控部分，目前由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。1．监测站现有5个地面站均具有监测站的功能。监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测．以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理．并储存和传送到主控站．用以确定卫星的轨道。2．主控站主控站一个，设在美国本土科罗拉多·斯平士(ColoradoSprings)的联合空间执行中心CSOC。主控站除了协调和管理地面监控系统工作外，其主要任务是：(1)根据本站和其他监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站；(2)提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，井把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站；(3)调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；(4)启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。3．注入站注入站现有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(DiegoCarcia)、南大西洋的阿松森岛(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备包括一台直径为3．6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。整个GPS的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通讯网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。三、用户设备部分GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础。根据GPs用户的不同要求，所需的接收设备各异。随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成。而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位；GPS软件部分是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。根据GPS用户不同的要求，GPS接收机也有许多不同的类型，一般可分为导航型、测量型和授时型。1.1.3GPS卫星信号GPS卫星发射的导航电文是一组不归零制二进制编码脉冲D(t)(称为基带信号)。其带宽为△F=50Hz，传递速率50bit/s。为了有效地将该低码率的导航电文发送给用户，采用伪码扩频技术将基带信号的频带从50Hz扩展到10.23MHz。这些导航电文是通过两个载波频率f1=1575.42MHz(L1载波),f2=1227.6MHz(L2载波)向地面发射。所以GPS卫星发射的信号就是将导航电文D(t)经过二级调制后的信号。第一级是将D(t)码调制C/A码和P码，实现对D(t)的伪随机码扩频。第二级是将它们的组合码分别调制在上述两个载波频率上。在载波L2上只调制了一种伪码(P码)，而在载波L1上调制了两种码(P码和C/A码)，并且是采用正交调制方式调制的。1.1.4GPS定位原理 GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置[5]。如图1-3所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：图1-3GPS定位原理示意图上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vt0为未知参数，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。△ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vt0为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vt0。1.1.5GPS定位误差在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：（1）与GPS卫星有关的因素SA政策：美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度、在GPS基准信号中加入高频抖动等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。卫星星历误差：在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。卫星钟差：卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。卫星信号发射天线相位中心偏差：卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。（2）与传播途径有关的因素电离层延迟：由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。对流层延迟：由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。多路径效应：由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。（3）与接收机有关的因素接收机钟差：接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。接收机天线相位中心偏差：接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。接收机软件和硬件造成的误差:在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。（4）其它GPS控制部分人为或计算机造成的影响:由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。数据处理软件的影响：数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。1.1.6GPS应用前景 过去,GPS的应用大都集中在军事领域，随着时代发展，GPS现己广泛应用于我们日常生活之中，如卫星导航系统、陆地交通运输调度、监控与导航，以及具有GPS定位功能个人手机等。如今，GPS的应用领域主要有以下几部分：资源调查、土地探测、调度与监控、导航与定位，其中,普遍看好汽车导航定位系统及个人手机定位系统市场。1.2通用分组无线业务——GPRS GPRS(GeneralPacketRadioService)即通用分组无线业务，它是在现有GSM网络基础上发展起来的分组交换系统，与因特网或企业网相连，向移动客户提供丰富的数据业务。1.2.1GPRS发展概述通常将移动通信分为三代。第一代是模拟的无线网络，第二代是数字通信包括GSM、CDMA等，第三代是分组型的移动业务，称为3G。GPRS是介于第二代和第三代之间的一种技术，通常称为2.5G，目前通过升级GSM网络实现。可以称之为2.5G，因为它是一个混合体，采用TDMA方式传输语音，采用分组的方式传输数据。1.2.2GPRS网络结构 GPRS网络是在现有GSM网络中引入三种新的逻辑网络实体，服务GPRS支持节点(SGSN)、网关GPRS支持节点(GGSN)以及分组控制单元(PCU)，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。在使用中，控制器或电脑通过串行或无线方式连接到GPRS蜂窝电话上，GPRS蜂窝电话与GSM基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送GPRS服务支持节点(SGSN)，而不是通过移动交换中心(MSC)连接到语音网络上。SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网。来自因特网标识有移动地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。其系统结构如图1-4所示。图1-4GPRS系统结构图SGSN是GSM网络结构中的一个节点，它与MSC处于网络体系的同一层。SGSN通过帧中继与BTS相连，是GSM网络结构与移动台之间的接口。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN通过基于IP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，是连接GSM。网络和外部分组交换网(如因特网和局域网)的网关，GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP网络;PCU负责管理分组分段和规划、无线信道、传输错误检测和自动重发、信道编码方案、质量控制、功率控制等。 1.2.4GPRS业务特点 GPRS网为移动数据用户主要提供突发性数据业务，能快速建立连接，无建链时延。GPRS特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量数据。GPRS能提供的PTP（点对点）和PTM（点对多点）数据业务外，还能支持补充业务和短消息业务。

2硬件设计2.1硬件总体框架设计 硬件总体设计框架如图2-1所示，主要由以下模块组成：（1）嵌入式处理器模块，（2）GPS模块，（3）GPRS模块，（4）LCD显示模块。图2-1硬件总体设计示意图GPS模块和GPRS模块均采用串行方式与处理器连接，但大多数处理器只提供一个标准的串行I/O接口，因此，在系统中设置了一个串口切换电路。当进行地理信息采集时，处理器与GPS模块连接，GPRS模块处于闲置状态；当需要将收集到的地理信息发送到数据处理中心时，处理器与GPRS模块连接，进行数据发送，而GPS模块处于闲置状态。此外，系统还为这些模块设计了电源管理模块，以根据不同模块或者芯片的需要，提供相匹配的电源输入。2.2嵌入式处理器的选择 嵌入式处理器是嵌入式硬件系统中最核心，最关键的部分，应根据系统应用的要求、体积、成本等因素选择合适的处理器。89C51系列单片机由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器全部支持12时钟和6时钟操作。P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口（可用于多机通信、I/O扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频率可降至0）。可实现两个由软件选择的节电模式-空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存RAM的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。89C51主要性能如下：◆89C51核心处理单元4k字节FLASH（89C51X2）8k字节FLASH（89C52X2）16k字节FLASH（89C54X2）32k字节FLASH（89C58X2）128字节RAM（89C51X2）256字节RAM（89C52X2/54X2/58X2）布尔处理器全静态操作◆12时钟操作，可选6个时钟（通过软件或并行编程器）◆存储器寻址范围64K字节ROM和64K字节RAM◆电源控制模式时钟可停止和恢复空闲模式掉电模式◆两个工作频率范围6时钟模式时为0到20MHz12时钟模式时为0到33MHz◆LQFP,PLCC或DIP封装◆扩展温度范围◆双数据指针◆3个加密位◆4个中断优先级◆6个中断源◆4个8位I/O口◆全双工增强型UART帧数据错误检测自动地址识别◆3个16位定时/计数器T0，T1（标准80C51）和增加的T2（捕获和比较）◆可编程时钟输出◆异步端口复位◆低EMI(禁止ALE以及6时钟模式)◆掉电模式可通过外部中断唤醒图2-289C51的结构2.3GPS模块选用的是由台湾皇家数码出品的GPS模块，通讯方式是RS232（9600Bps），具有并行12通道，可同时跟踪12颗卫星，定位精度高，体积小，功耗低，它还可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间及日期等数据保存在静态存储器中，以下是它的一些参数[4]：L1(1575.42MHz)接收频率；工作温度：-30°Cto+80°C；输出资料格式：NMEA0183V3.0；启动时间(TTFF)：热启动：8秒；温启动：35秒；冷启动：55秒；定位准确度：StandardDev.:3米(大约)；MaximumDev.:10米(最多)；跟踪敏感性:-153dBm；导航敏感性:-147.5dBm；捕获敏感性:-136dBm；工作电压：+3.3～+5V；功耗：跟踪模式52mA；更新接收：每秒钟(1pps)；外形体积尺寸：17.65×19.15×2.5mm。2.4GPRS模块 选用的是BENQM22GPRS模块，M22内置了嵌入式TCP/IP，可以支持数据业务的透明和非透明传输,用于实时性要求较高，数据量相对较大，传输速度相对较快的数据通信领域。它的通讯数据接口为UART，电平为TTL/CMOS电平，波特率为标称的300—115200bps的自适应波特率，只要是这个区间的标称波特率，模块自动识别，无须用户去干预，可以接成全串口或者半串口通讯。所谓的全串口，是指DB9的九条线都需要接上，所谓的半串口则只接RXD，TXD和GND就可以进行通讯，非常方便。2.5LCD显示模块2.5.1HG1286416图形点阵液晶模块介绍HG1286416是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及格128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。主要技术参数和性能：1)电源：VDD：+3V；模块内自带负压，用于LCD的驱动电压；2)显示内容:128(列)×64(行)点；3)全屏幕点阵；4)七种指令；5)与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线；6)占空比1/64；7)工作温度：-10℃～+60℃，存储温度：-20℃～+70℃。2.5.2模块主要硬件构成说明模块硬件结构框图如图2-3所示。图2-3结构框图IC3为行驱动器。IC1，IC2为列驱动器。IC1，IC2，IC3含有以下主要功能器件。了解如下器件有利于对LCD模块之编程。1.指令寄存器(IR)IR是用于寄存指令码，与数据寄存器数据相对应。当D/I=0时，在E信号下降沿的作用下，指令码写入IR。2.数据寄存器(DR)DR是用于寄存数据的，与指令寄存器寄存指令相对应。当D/I==1时，在下降沿作用下，图形显示数据写入DR，或在E信号高电平作用下由DR读到DB7～DB0数据总线。DR和DDRAM之间的数据传输是模块内部自动执行的。3.忙标志(BF)BF标志提供内部工作情况。BF=1表示模块在内部操作，此时模块不接受外部指令和数据。BF=0时，模块为准备状态，随时可接受外部指令和数据。利用STATUSREAD指令，可以将BF读到DB7总线，从检验模块之工作状态。4.显示控制触发器(DFF)此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。DFF=1为开显示(DISPLAYOFF),DDRAM的内容就显示在屏幕上，DFF=0为关显示(DISPLAYOFF)。DDF的状态是指令DISPLAYON/OFF和RST信号控制的。5.XY地址计数器XY地址计数器是一个9位计数器。高3位是X地址计数器，低6位为Y地址计数器，XY地址计数器实际上是作为DDRAM的地址指针，X地址计数器为DDRAM的页指针，Y地址计数器为DDRAM的Y地址指针。X地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。Y地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1,Y地址指针从0到63。6.显示数据RAM(DDRAM)DDRAM是存储图形显示数据的。数据为1表示显示选择，数据为0表示显示非选择。DDRAM与地址和显示位置的关系见DDRAM地址表。7.Z地址计数器Z地址计数器是一个6位计数器，此计数器具备循环记数功能，它是用于显示行扫描同步。当一行扫描完成，此地址计数器自动加1,指向下一行扫描数据，RST复位后Z地址计数器为O。Z地址计数器可以用指令DISPLAYSTARTLINE预置。因此，显示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行。此模块的DDRAM共64行，屏幕可以循环滚动显示64行。2.5.3模块的外部接口外部接口管脚功能表如表2-1所示，LCD电路原理图如图2-4。表2-1LCD管脚功能表管脚号管脚名称LEVER管脚功能描述1VSS0电源地2VDD5.0V电源电压3V05.0V-13V液晶显示器驱动电压4D/IH/LD/I=H表示DB7～DB0为显示数据D/I=L表示DB7～DB0为显示指令数据5R/WH/LR/W=HE=H数据被读到DB7～DB0R/W=LE=HL数据被写到IR或DR6EH/LR/W=LE信号下降沿锁存DB7～DB0R/W=HE=HDDRAM数据读到DB7～DB07DB0H/L数据线8DB1H/L数据线9DB2H/L数据线10DB3H/L数据线11DB4H/L数据线12DB5H/L数据线13DB6H/L数据线14DB7H/L数据线15CS1H/LH:选择芯片(右半屏)信号16CS2H/LH:选择芯片(左半屏)信号17RETH/L复位信号,低电平复位18VEE-10VLCD驱动负电压19ELAC背光板电源20ELAC背光板电源图2-4LCD显示模块电路图2.6键盘模块 设计3个按键，直接采用I/O口控制，采用软件去抖动消除抖动的影响，如图2-5所示。图2-5按键电路图2.7串口模块 89C51输出的是TTL电平，而RS-232C采用的是负逻辑，即逻辑“0”：+5V~+15V;逻辑“1”：-5V~-15V，若直接与TTL电平相连，将会烧坏TTL电路。为了匹配89C51的TTL电平和GPS模块与GPRS模块的RS-232C标准接口，采用MAX232进行电平转换，如图2-6所示。图2-6串口电路图2.8GPS数据存储利用串行EEPROM（24C02）存储采集到的数据。AT24C02有地址线A0～A2，串行数据引脚SDA，串行时钟输入引脚SCL，写保护引脚WP等引脚，它采用IIC总线读写。其引脚较少，对组成的应用系统可以减少布线，提高可靠性。如图2-7、2-8。各引脚的功能和意义如下：①VCC引脚，电源+5V。②GND引脚，地线。③SCL引脚，串行时钟输入端。在时钟的正跳沿即上升沿时把资料写入EEPROM；在时钟的负跳沿即下降沿时把资料从EEPROM中读出来。 图2-724c02管脚图④SDA引脚，串行数据I/O端，用于输入和输出串行数据。这个引脚是漏极开路的埠，故可以组成“线或”结构。⑤A0,A1,A2引脚，是芯片地址引脚。在型号不同时意义有些不同，但都要接固定电平。⑥WP引脚，写保护端。这个端提供了硬件数据保护。当把WP接地时，允许芯片执行一般读写操作；当把WP接VCC时，则对芯片实施写保护。图2-824c02电路图2.9语音模块 采用ISD4002芯片，ISD系列芯片采用直接模拟存储专利技术，把语音信号以原始的模拟形式直接存储在片内EEPROM存储器中，无需进行A/D转换和压缩处理等，从而减少了失真、大大提高了录放音质量，并具有抗断电、音质好、使用方便、可反复录放、无需专用的语音开发工具、能随意列改内容和耗电省等优点，很适合于现场录放音系统。ISD系列芯片采用SPI(SerialPeripheral

Interface)串行外设接口或MSI(MicrowireserialInterface)微传输线串行接口，实现了主机对语音片灵活的寻址和控制。如图2-9，为ISD4002芯片引脚图。图2-9ISD4002管脚图采用功放集成电路LM386对ISD4002-输出的语音信号进行放大。LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386电路特性：静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。工作电压范围宽，4-12Vor5-18V。外围元件少。电压增益可调，20-200。低失真度.图2-10LM386管脚图利用单片机AT89C51做为主控单元，用单片机的3个I/O口分别控制ISD4002的)SS器件选择输人(低电平有效);MOSI:串行数据输人端(SCLK时钟上升沿触发):SCLK串行时钟输端。另外单片机上设置三个按键，结合系统需要可以作为录音，删除录音，放音功能控制。由于整个系统使用的是+5V电源供电，而ISD4002的正常工作电压为+3V，单独给它配置一个+3V电压十分不便，而且现在的电子产品讲究的都是单电源供电。通过ISD4002的芯片数据手册发现它的工作电流十分微小，功耗很低。于是，采用一个绿色的LED发光二极管（工作时压降约2V）进行降压，得到+3V电压，为ISD4002提供工作电压（工作状态下实际测试为2.9V）。语音输入部分电路：主要以三极管9013和驻极体传声器为核心，用PNP三极管构成集电极放大电路。接到ANAIN+端，录音的音质最佳。语音输出部分电路：输出端选用音频功率放大器LM386构成，增益设置为200，通过调节3号引脚处的电位器可以调节音量大小。（扬声器采用0.5W/8欧姆）最大输出功率约300mW左右(电源电压为+5V时)。由于ISD4003系列器件的直接扬声器驱动功率为12.5mW，其输出信号经电阻衰减后再加到LM386的输人端，否则电压摆动会导致LM386失真。语音模块电路图如下：图2-11语音模块电路图

3软件设计3.1软件总体框架设计 软件模块主要由GPS模块，GPRS模块，LCD显示模块，键盘模块，串口通讯模块，语音模块等组成，如图3-1所示。软件模块主要流程，如图3-2所示。图3-1系统层次方块图3.2GPS模块软件 该模块主要负责接收GPS发送过来的导航定位信息，并对这些信息进行提取和解析，保存在全局变量GPS_DATA中，以供其他模块使用。其GPS_DATA的数据结构定义如下：typedef struct{ Time_TYPE Time; //世界时间 Latitude_TYPE Latitude; //纬度 Longtitude_TYPE Longtitude;//经度 uint16 Altitude; //120to12.0meter//海拔高度 uint8 HDOP; //18to1.8//水平精度系数 uint8 VDOP; //18to1.8//垂直精度系数 uint8 StlUsed; //卫星个数 Stl_TYPE Satellite[MAXSATELLITE];//卫星状态； uint16 Speed; //速度18to1.8Km/hr uint8 Status;//高4位表示数据是否有效,低4位表示所测量的}GPS_DATA_TYPE; //是3维或2维数据Time：用于保存时间，它的定义也是一个结构体Time_TYPE。Latitude：用于保存纬度，它的定义也是一个结构体Latitude_TYPE。Longtitude：用于保存经度，它的定义也是一个结构体Longtitude_TYPE。Altitude：用于保存海拔高度，它是一个16位整型，有符号，其单位是0.1米。HDOP：是水平精度系数。VDOP：是垂直精度系数。StlUsed：是卫星个数Satellite：是卫星状态，共保存12个卫星的状态，它的定义也是一个结构体Stl_TYPE。Speed：用于保存当前的移动速度，单位是0.1Km/hrStatus：是GPS所获取的信息的当前状态，高4位表示数据是否有效，0为错误数据，其它值为正确，低4位表示所测量的是3维或2维数据（海拔高度无效）。3为3维，2为2维。Time_TYPE是用来保存时间的，包括年月日。typedefstruct{uint8Day;uint8Mon;uint8Year;uint8Hour;uint8Min;uint8Sec;uint16ms;uint8Flag;//A正确;V错误}Time_TYPE;Time_TYPE结构里除了Flag，所有数据都是以10进制表示，所有的时间值都是以世界时的形式保存，在加上8个小时就是当前的北京时间。Flag用于表示当前的时间值是否正确。检查Flag的值，如果等于‘A’表示数据正确，‘V’表示错误。Latitude_TYPE结构体:typedefstruct{charIndicator;uint8dd;uint8mm;uint16mmmm;}Latitude_TYPE;Indicator用于表示北纬（‘N’）或南纬（‘S’）,dd表示纬度的个位和十位，mm表示小数点后两位，mmmm表示小数点后3～6位。Longtitude_TYPE结构体:typedefstruct{charIndicator;uint16ddd;uint8mm;uint16mmmm;}Longtitude_TYPE;Indicator用于表示东经（’E’）或西经（’W’）,ddd表示经度的个位、十位和百位，mm表示小数点后两位，mmmm表示小数点后3～6位。Stl_TYPE结构体:typedefstruct{uint8ID;uint16AZnEL;//118degreesand79degreesto11879;uint8SNR;//satellitesignaldBHz}Stl_TYPE;ID表示卫星的ID编号，AznEL表示卫星所在的位置，纬度表示低两位，经度表示高3位。SNR表示当前该卫星的信号强度。3.2.1GPS数据格式(NMEA-0183)GPS的通讯接口协议采用美国的NMEA（NvationalMarineElectronicAssociation）0183ASCII码协议。NMEA-0183是一种航海，海运方面关于数字信号传输的标准，此标准定义了电子信号所需要的传输协议、传输数据时间。下面列举一些常用的信息格式：位置信息（GGA）:$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF><1> UTC时间，hhmmss格式<2> 经度ddmmmmmm格式<3> 经度方向N或S<4> 纬度dddmmmmmm格式<5> 纬度方向E或W<6> GPS状态批示，0-未定义；1-无差分定位信息；2-带差分定位信息<7> 使用卫星号<8> 精度百分比<9> 海平面高度<10> 大地随球面相对海平面的高度<11> 差分GPS信息<12> 差分站ID号GPSDOP和卫星活动:$GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh<CR><LF><1> 模式，M-手动，A-自动<2> 当前状态，1-无定位信息，2-2D，3-3D<3> PRN号<4> 位置精度<5> 垂直精度<6> 水平精度当前GPS卫星状态（GSV）:$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF><1> GSV语句的总数目<2> 当前GSV语句数目<3> 显示卫星的总数目00~12<4> 卫星的PRV号星号<5> 卫星仰角<6> 卫星旋角<7> 信噪比语句共有两条，每条最多包括4颗卫星的处所。每个卫星有4个数据，即<4>-星号；<5>-仰角；<6>-方位；<7>-信噪比；最简特性（RMC）:$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF><1> 定位时UTC时间，hhmmss格式<2> 状态，A——定位，V——导航<3> 经度ddmmmmmm格式<4> 经度方向N或S<5> 纬度dddmmmmmm格式<6> 纬度方向E或W<7> 速率<8> 方位（二维方向指向，相当于二维罗盘）<9> 当前UTC日期，ddmmyy格式<10> 太阳方位<11> 太阳方向3.2.2GPS数据接收与处理GPS接收机只要处于工作状态，就会源源不断地把接收并计算出来的GPS导航定位信息通过串口传送过来。这些接收到的信息在没有经过分类提取之前是无法加以利用的，必须通过程序将各个字段的信息从缓冲字节流中提取出来，将其转换成有实际意义的、可供高层使用的定位信息数据。GPS发送过来的数据主要由帧，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、$GPGSV、$GPGSV以及$GPRMC等，这些帧头标识了后续帧内数据的组成结构，各帧均以回车符和换行符作为帧尾标识一帧的结束。通常，我们所关心的定位数据如经纬度、速度、时间等均可从$GPGGA帧中获得。至于其他几种帧格式，除了特殊用途外，平时并不常用。虽然接收机也在源源不断地发送各种数据帧，但在处理时，通过对帧头的判断，只对包含所需数据的帧进行数据提取处理。由于帧内各数据段由逗号分割，因此，在处理缓存数据时，通过搜索ASCII码$来判断是否帧头。在对帧头的类别进行识别后，在通过对所经历逗号个数的计算来判断当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并作出相应的处理。将所需的信息提取到内存后，还需作进一步的处理，因为从GPS接收机中获得的时间信息为格林威治时间，还要在获取时间上加上8小时才能得到北京时间。数据接收流程图和数据处理流程图如下所示：SKIPIF1<0图3-2数据接收处理流程图3.2.3GPS数据存储利用24c02对接收到的GPS数据进行存储。在程序开始时，先从24c02中读取上一次关机时所存储的数据，主要包括GPS的经纬度数据和ISD4002语音芯片的地址。I2C总线时需如下图:图3-3I2C总线图 CPU写数据到24C02的数据格式如下:图3-424c02写数据示意图 CPU从24C02内读数据格式如下:图3-524c02读数据示意图S表起始条件,A表示应答响应,P表示停止条件.3.3GPRS模块软件 1）选择短消息格式 短消息的格式通过发送AT+CMGF=n命令设置,n=0,选择PUD格式；n=1，选择纯文本格式。执行命令成功后，模块返回OK。PDU格式是默认的编码方式，可以使用任何字符集，但是其编码比较复杂；纯文本格式虽然比较简单，但足以满足本系统发送数据的要求，因此，本系统选择纯文本格式。 2）发送短消息 在纯文本格式下，发送AT+CMGS=“string”（string是发送目的手机的号码），等模块返回“>”符号后，发送短消息的内容，以“^Z”结束，模块就开始发送短消息。发送成功，则模块返回“+CMGS：<mr>[,<scts.]OK”；否则模块返回ERROR。3.4LCD显示模块 LCD在使用之前经过初始化操作，将其初始化为图形模式显示，然后将由地图转换生成的图形数据送给LCD。显示的地图如图3-6所示，读写时序如图所示。图3-6LCD显示的地图读写时序：写操作时序图3-7LCD写操作时序2.读操作时序图3-8LCD读操作时序3.读写时序参数表表3-1LCD读写时序参数表名称符号最小值典型值最大值单位E周期时间Tcyc1000nsE高电平宽度Pweh450nsE低电平宽度Pwel450nsE上升时间Tr25nsE下降时间Tf25ns地址建立时间Tas140ns地址保持时间Tah10ns数据建立时间Tdsw200ns数据延迟时间Tddr320ns写数据保持时间Tdhw10ns读数据保持时间Tdhw20ns3.5键盘模块 键盘模块要实现新增、删除、确定、取消、翻页等功能，由于直接采用61A板上的三个按键，所以，软件上要实现键盘的分时复用。设61A板上的三个按键分别为k1,k2,k3,具体的按键功能定义如下：1）短按k1，进入添加站点状态，此时，k2按键功能分别定义为确定,结束语音输入。2）按k2，进入删除站点状态，此时，k3按键功能定义为翻页，k1按键功能定义为确定。3）按k3，进入查询站点状态，此时，k3按键功能定义为翻页，翻阅结束返回。具体按键处理的流程图如图3-9所示:SKIPIF1<0图3-9键盘处理流程图3.6串口通讯模块串口通讯的参数为：波特率=9600，数据位=8位，停止位=1位，无奇偶校验。下图为向GPS和GPRS发送字符串命令的流程图。在GPS串口数据接收时因为数据集中且数据量较多，所以不采用中断方式接收，用查询方式接手相关数据。3.7站点管理模块3.7.1新增站点 将当前采集到的经纬度坐标添加到站点序列里，并更新flash存储器里的站点数据。3.7.2删除站点 将某一个站点的经纬度坐标从站点序列里删除，更新每个站点的索引，并更新flash存储器里的站点数据。3.7.3报站 每隔一秒钟，就将当前采集到的经纬度坐标于站点序列里的进行比较，查看是否进入某个站点所在的区域，是则调用语音模块报告该站点的信息。在进行经纬度坐标的比较时，先比较其经纬度的整数部分是否相同，相同则再比较其小数部分是否落入某个站点的区域内，不相同则跟下一个站点经纬度坐标进行比较。下图是判断是否进入某一个站点区域内的流程图3-10。SKIPIF1<0图3-10报站流程图3.8语音模块 ISD4002可以进行多段录语音放操作，每一段称为一个信息段，一个信息段由起始地址(在每次操作开始之前由信息起始指针(MSP)指定)、记录数据和信息结束标志(EOM)组成。一个信息段占用一行或多行存储空间，可以包含多个地址单元;一个地址单元最多只能作为一个独立的段。因此1SD4002最多可以分为1200段。ISD4002存储阵列中的每一行都可以独立寻址。录放操作都是从任一行的行首开始.可以一直持续到行尾，内部的行地址计数器加1指向下一行的起点。录音时语音每一段结束后芯片自动设有段结束标志(EOM)，芯片录满后设有溢出标志(OVF)。按某一段的起始地址进行放音操作，遇到段结束标志(EOM)即自动停止放音，单片机收到段结束标志(EOM)就开始触发下一段语音的起始地址，如此控制，就可以将很多、不同段的语音组合在一起成一句话放音出来，实现语音的自动组合。 命令字的高5位为操作码，低11位为操作地址。状态字的最高2位分别是溢出标志OVF和信息段末尾标志EOM，紧跟其后的是行地址计数器的值。ISD4000总共10条命令，由于篇幅所限，这里不一一列出。SPI端口的命令字和状态字如图3-11。根据下图可设计出单片机控制程序，在主程序中完成一些初始化的工作及录放结束工作，如ISD上电、掉电等，另外循环扫描键盘，检查启动键是否按下、根据录放开关状态跳转到相应的子程序。图3-12给出录音