基于单片机的北斗导航接收机设计论文

密级：公开NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR〔2023—2023年〕题目基于单片机的北斗导航接收机设计学院：信息工程系电子信息工程专业班级：生物医学工程111班学生姓名：李杰学号：6103411013指导教师：卢宗武职称：讲师起讫日期：2023年3月16日至2023年6月1日南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承当。作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或局部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。〔请在以上相应方框内打“√〞〕作者签名：日期：导师签名：日期：基于单片机的北斗导航接收机设计专业：生物医学工程学号：6103411013学生姓名：李杰指导教师：卢宗武摘要卫星导航已经成为继互联网、移动通信之后开展最快的信息产业之一，但凡涉及到位置、速度、时间信息的领域都与卫星导航技术息息相关。中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。随着北斗导航系统的不断完善和相关芯片的开展，基于北斗导航系统的应用越来越广泛。本课题采用u-BloxM8导航信号接收模块，结合STC12C5A32S2单片机设计北斗导航系统的接收机。U-BloxM8是三模接收模块，能够同时接收GPS、北斗、GLONASS的信号。本课题完成了导航信息接收机的根本设计，实现了位置经纬度、移动速度、标准时间等相关信息的显示功能，为今后北斗导航系统在各领域中的应用打下坚实的根底。关键词：北斗(BD)导航；u-BloxM8模块；单片机；导航数据AbstractThesatellitenavigationhasbecomeoneofthefastestdevelopinginformationindustriesfollowingtheInternetandthemobilecommunication.Alldomainsrelatedtotheposition,velocity,andtimeinformationarerelatedcloselywiththesatellitenavigationtechnology.TheBeiDouNavigationSatelliteSystem,aglobalnavigationsatellitesystem,isdevelopedandoperatedbyChinaindependently,whichhasbecomethethirdmaturesatellitenavigationsystemfollowingtheUSGlobalPositioningSystem(GPS)andtheRussianGlobalnavigationsatellitesystem(GLONASS).WiththeperfectionoftheBeiDouNavigationSatelliteSystemanddevelopmentoftherelevantchips,theapplicationbasedonBeiDouNavigationSatelliteSystemisbecomingmoreandmorepopular.ThepaperdesignsareceiverofBeiDouNavigationSatelliteSystemusingthemoduleofu-BloxM8navigationsignalreceiver,combinedwiththeSTC12C5A32S2Singlechipmicrocomputer.TheU-BloxM8isareceivermodulewhichcanreceiveGPS,BeiDou,andtheGLONASSsignalsimultaneously.Thebasicdesignofthenavigationinformationreceiveriscompleted,whichrealizesthedisplayoftheinformationrelatedtothelocationoflongitudeandlatitude,themovingspeed,andthestandardtime,layingaslolidfoundationfortheapplicationofBeiDouNavigationSatelliteSysteminvariousfieldsinfuture.Keywords:BeiDouNavigationSatelliteSystem;u-BloxM8module;Singlechipmicrocomputer;Navigationdata目录TOC\o"1-3"\h\u10436摘要 I21761AbstractII4822第一章前言1222381.1课题研究背景1115681.2国内外研究现状及开展趋势2106671.3本文研究内容2168511.4本课题研究方案327839第二章北斗导航系统定位信息接收模块4320622.1北斗导航定位系统455432.1.1工作原理4137432.2u-BloxM8模块512842.2.1u-BloxM8模块介绍518372.2.2u-BloxM8数据输出格式6299242.2.3u-BloxM8输出语句格式616661第三章基于单片机的北斗导航接收机的硬件设计917173.1总体硬件方案的设计9145103.2局部硬件设备根底介绍10219863.2.1STC12C5A32S2简介10291473.2.212864液晶显示模块简介12236513.2.3MAX232简介1321988第四章基于单片机的北斗导航接收机的软件开发1583884.1开发环境及软件方案设计15127734.1.1单片机软件开发工具——KeiluVision31585634.1.2keil软件调试及编译与运行16167474.1.3软件设计思路17202984.2模块软件设计17284864.2.1液晶显示初始化模块17147774.2.2液晶显示模块1814334.2.3单片机中断初始化模块19248314.2.4数据接收模块2040094.2.5时序模块2118654.3导航数据解析显示21772第五章系统调试与结果24245005.1硬件调试24130405.2软件调试24129375.3设计结果24266925.4结果分析262092第六章总结272330致谢2814475参考文献2922266附录30第一章前言1.1课题研究背景20世纪70年代以来，美国和苏联相继启动各自的卫星导航定位方案，面对卫星导航技术的迅速开展及其在国民经济开展和现代战争中的重要作用，根据国情，我国在1980年开始建立一个独立的北斗卫星导航系统[1]。2003年，我国顺利建成北斗的验证系统，即北斗双星系统。我国卫星北斗导航系统的顺利建成，改变我国长期缺少高精度、实时定位的局面，打破美国和俄罗斯在这一领域的垄断的局面，填补我国卫星导航定位系统的领域空白。并且北斗导航系统在推动国内多个领域开展起着及其重要的作用，成为我国带动科技开展，经济开展不可缺少的工具。北斗导航系统在各个领域中的应用情况[4]如下：北斗定位技术的陆地应用北斗定位系统在陆地上的开发应用上表达出其及其重要的地位，表达在许多方面，如：各种车辆的行驶状态监控；旅游者或旅游车的景点导航；应急车辆的快速引导行驶；高精度时间比对和频率控制；大气物理观测；地壳内物理资源勘探；工程建设的施工放样测算；大型建筑和煤气田的沉降检测；板内运动状态和地壳形变测量；陆地以及海洋大地测量基准的测定；工程、区域、国家等各种类型大地测量控制网的测量和建设等。北斗定位技术的海洋应用北斗定位系统在海洋方面同样有着极其重要的作用，比方：远洋船舶的最正确航线测定；远洋船队在途中航行的实时调度和监测；内河船只的实时调度和自主导航测量；海洋救援的搜索和定点测量；远洋渔船的结队航行和作业调度；海洋油气平台的就位和复位测定；海底沉船位置的精确探测；海底管道铺设测量；海岸地球物理勘探；水文测量；海底大地测量控制网的布测；海底地形的精细测量；船运货物失窃报警；净化海洋；海洋纠纷或海损事故的定点测定；港口交通管制；海洋灾难检测等。北斗定位技术的航空应用北斗定位系统在航空方面的应用主要表达在：民航飞机的在途自主导航；飞机精密着陆；飞机空中加油控制；飞机编队飞行的平安保护；航空援救的搜索和定点测量；机载地球物理勘探；飞机探测灾区大小和标定测量；摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量等。由上可知，北斗系统在我国已经是多个领域继续开展不可或缺的核心工具。我们要利用这套系统，最根本的就是要拥有能接收北斗系统发送的信号并且有能够实时输出显示的设备工具。输出显示的定位信息包括定位地点的经纬度、UTC标准时间、海平面高度、物体移动速度等。在市场已经出现一些价格比拟昂贵的北斗导航仪器，且由于北斗系统开展时间较短，相较美国的GPS定位系统及俄罗斯的GLONASS系统在精度方面有一些差距，使得对于普通的使用者来说，北斗系统仪器不会是最适宜的选择。基于此情况，本课题针对普通用户使用北斗系统仪器的实际需要，设计并制作基于单片机的北斗定位信息显示系统。1.2国内外研究现状及开展趋势我国在上世纪90年代开始建立北斗系统，至2003年顺利建成北斗验证系统即：北斗双星系统。北斗系统的建成打破美国和俄罗斯在这一领域的垄断的局面，更重要的是，填补我国缺少高精度、实时定位系统的空白[6]。这对于我过促进科技及经济开展具有重要意义。斗卫星系统是中国独立自主设计、建设的卫星导航系统，也是联合国有关机构认定的全球卫星导航四大核心供给商之一。北斗一代的建成使中国成为在GPS、GLONASS之后，能够独立提供效劳的3大卫星导航系统之一[2]。北斗系统的建设分两步，首先建立提供效劳的导航定位系统〔北斗一代〕，然后在此根底上进行完善实现具有全球导航功能的北斗导航定位系统〔北斗二代〕。北斗卫星导航是我国首次建成的拥有全天候、高精度、大范围、快速实时等特点的卫星导航定位系统，具有快速定位、简短报文通信和精密授时3大功能。2023年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务对亚太地区提供无源定位、导航、授时效劳[2]。北斗卫星导航系统同时具备定位于通信功能，相对于GPS有自己独到的优势，但在民用领域有良好的前景，影响、制约北斗系统在民用领域获得广泛应用的主要因素就是系统用户终端[2]。北斗卫星导航系统虽然没有GPS广泛应用，但随着北斗卫星导航系统的开展与民用方面的深入应用，相信越来越会被广泛应用。1.3本文研究内容本设计采用以单片机为核心，读取北斗导航模块的标准数据，并在LCD屏幕显示当前位置的经纬度信息。能够正确画出系统原理图，并正确调试电路，完成PC机位置显示软件的设计，即程序的调试，最终完成接收机的实物制作，为今后开发北斗导航仪打下根底。1.4本课题研究方案本课题介绍一种低本钱而且能满足功能使用要求的基于单片机的u-BloxM8接收机的设计方案。此设计基于单片机、u-BloxM8、LCD液晶显示屏等硬件，并使用C语言编程来实现信号的提取、显示及根本信息的控制操作等。本课题研究设计采用以u-BloxM8为核心的GNSS定位技术。系统以STC12C5A32S2单片机为主控，从GNSS定位模块中获取当前位置〔经纬度〕、时间等信息，并使用LCD液晶显示屏显示这些信息。如图1.1所示：图1.1系统方案图第二章北斗导航系统定位信息接收模块2.1北斗导航定位系统北斗卫星导航系统﹝BeiDouNavigationSatelliteSystem，英文缩写BDS﹞是中国正在实施的自主开展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用[2]。在2000年,建成“北斗一号〞卫星导航系统(compass)，使我国成为继美国、俄罗斯之后，在全球第三个拥有自主卫星导航系统的国家，并且北斗卫星导航试验系统已成功应用于测绘、交通、救灾和公共平安等诸多领域，产生显著的经济效益[12]。2.1.1工作原理北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三局部组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等假设干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端[12]。北斗卫星导航试验系统的根本功能包括：定位、通信和授时。与美国的GPS系统和俄罗斯的格洛纳斯系统不同，北斗导航试验系统是有源定位系统，对所有终端的位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面控制中心完成的。因此，地面中心站可以北流全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。北斗卫星导航试验系统ITU登记的频段为卫星无线电定位业务频段，上行为L频段〔频率1610~1626.5MHz〕，下行为s频段(频率2483.5~2500MHz)，系统能容纳的用户数为每小时540000户。覆盖范围是北纬5°~55°，东经70°~140°之间的心脏地区，最宽处在北纬35°左右。其定位精度〔1σ〕位100m，设立标校站之后可达20m；高程控制精度〔1σ〕为10m。两颗北斗导航定位卫星都是地球同步静止的轨道卫星，轨道较其他导航系统偏高，距离地面36000km。作为区域卫星导航系统，使其能够全天候、全天时监控全中国和周边地区，只能选择高轨道运行。北斗导航系统的定位是基于三球交会原理[2],如图2.1所示，用户接收机在某一时刻同时接收三颗以上卫星信号，测量出测站点〔用户接收机〕至三颗卫星的距离，解算出卫星的空间坐标，再利用距离交会法〔从两个点测量至某一待测点的距离,然后根据这两段距离的交点确定该待测点，这种方法称为距离交会法。〕就可以解算出测站点的位置。目前，国际上四大卫星导航系统GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星导航系统的定位原理都是相同的，均是采用三球交会的几何原理来实现定位，具体流程如下：〔1〕用户测量出自身到三颗卫星的距离；〔2〕卫星的位置精确，通过电文播发给用户；〔3〕以卫星为球心，距离为半径画球面；〔4〕三个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。图2.1三球交会定位原理示意图2.2u-BloxM8模块2.2.1u-BloxM8模块介绍图2.2u-BloxM8实物如图2.1为瑞士u-blox公司推出NEO系列的M8,它能够同时获取和跟踪不同的GNSS〔全球导航卫星〕系统:并行接收GPS〔QZSS〕和GLONASS或BeiDou，或同时接收GLONASS和BD。此平台专门适应于即使在GPS信号差的环境下〔尤其是城市峡谷〕都需要最高的可用性和准确性的高性能应用。由于GPS/SBAS操作在晴空郊外条件下就可到达最正确定位，M8平台还配备了内置的智能自动切换功能。可根据GNSS卫星的可见性和可靠性，自动切换到单一GNSS操作模式。相比于单一GPS模块，M8在获取定位信息是可以搜到更多的卫星。一般情况下，比拟容易搜索到15颗左右的卫星。而单一GPS模块一般也只能搜到9到10颗卫星。因为搜到更多的卫星，定位精度HDOP数值能到达0.5米~1.0米。相较于其他众多的导航模块，如：国产的UM220-III、u-blox_7m等，u-blox_8M有功耗低、冷启动时间短、定位速度快、灵敏度高等优点。2.2.2u-BloxM8数据输出格式表2.1预留字符定义十六进制十进制定义<CR>OD13回车：语句定界符结束，C语言表示为〞\r〞<LF>OA10换行，C语言表示为〞\n〞$2436参数语句定界符开始*2A42和校验字段定界符,2C44字段定界符\5C92预留^5E5E用十六进制表示的编码定界符～7E126预留<del>7F127预留如表2.1，为模块输出的语句中包含的一些字符意义，其中‘$’为每一帧数据的开始标志，以换行符‘\n’结束一帧数据；‘，’为在同一帧数据中，用‘，’隔开表示不同意义的数据，如：<yyyyy.yyyy>,<hhmmss.ss>;表2.2导航系统标识符标识符导航系统BD北斗GPGPSGN双模〔北斗+GPS〕由于u-BloxM8可以接收多个导航系统的信号，根据天线的不一样，模块所接收的信号根据系统参数的不一样接收到的数据流也不一样，如表2.2。表2.3常用导航信息语句标识符语句标识符语句内容GGA位置信息GLL大地坐标位置信息GSA精度因子和有效卫星号GSV可视的卫星状态RMC最简导航传输数据VTG航迹向和地速TXT短文本信息的传送SIR设置模块当前工作模式及启动状态CAS01设置串口通信波特率CAS02设置定位更新率表2.3列出一般常用的语句中包含的信息，不同的导航系统根据需要选用其中一句或多句语句进行信息提取再解析得到普通用户可以理解的信息。2.2.3u-BloxM8输出语句格式u-BloxM8并行接收GPS(QZSS)和GLONASS或BeiDou，或同时接收GLONASS和BD，或同时接收GPS和BD。本设计采用GPS和BD的双模天线，可以同时接收GPS和BD的信号，所以输出的语句为GPS和BD的混模信号，即导航标志符为：GN。如下为几种比拟常用语句的格式：GGA(GNGGA)功能描述：输出语句。结构：$GNGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>,<14>*<15>表2.4GGA语句格式说明编号含义取值范围单位备注格式<1>定位时刻〔UTC时间〕hhmmss.sss<2>纬度hhmmss.sss<3>纬度方向N/SN－北纬，S－南纬<4>经度dddmm.mmmm<5>经度方向E/WE－东经，W－西经<6>状态指示0-10=定位无效，1=定位有效<7>参与定位的卫星数目00-12前导位数缺乏那么补0<8>HDOP值0.5-99.9<9>天线大地高-9999.9-9999.9<10>天线大地高单位米<11>高程异常〔CGS2000〕-999.99-999.9<12>高程异常单位米<13>差分数据龄期<14>差分站台ID号0000-1023前导位数缺乏那么补0<15>校验和RMC(GNRMC)功能描述：输出语句。结构：$GNRMC,<1>,<2>,<2>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11><12>表2.4RMC语句格式说明编号含义取值范围单位备注格式<1>定位时刻〔UTC时间〕时分秒hhmmss.sss<2>定位状态位A/VA－有效定位V－无效定<3>纬度hhmmss.sss<4>纬度方向N/SN－北纬，S－南纬<5>经度dddmm.mmmm<6>经度方向E/WE－东经，W－西经<7>地面速度000.0-999.9节<8>地面航向000.0-359.9度以真北为参考基准，沿顺时针方向至航向的角度。<9>日期日月年dd表示日mm表示月yy表示年ddmmyy<10>磁偏角000.0-180度<11>磁偏角方向E/WE〔东〕或W〔西〕<12>模式指示A/D/E/N米A-自主定位，D-差分，E-估算，N-数据无效RMC(GNRMC)功能描述：输出语句。结构：$GNGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,*<8>表2.4RMC语句格式说明编号含义取值范围单位备注格式<1>GSV语句总数1~9<2>当前GSV语句序号1~9<3>视野内卫星数00-12<4>卫星号01-32<5>卫星仰角00-90度<6>卫星方位角000-359度<7>信噪比Db-Hz重复4～7字其它卫星信息第三章基于单片机的北斗导航接收机的硬件设计3.1总体硬件方案的设计北斗和GPS接收模块通过天线接收卫星信号，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。在获取卫星的位置信息和测量出卫星信号传播时间之后，就可以计算出天线位置。用户通过输入输出接口，与北斗和GPS接收模块进行信息交换，实现显示相应的定位信息。本课题要求通过单片机控制北斗导航器件实现定位信息显示功能。在这里使用STC12C5A32S2型单片机作为处理器，利用STC12C5A32S2单片机的串行接口〔RXD〕接收北斗和GPS的混模信号[3]，并通过软件实现显示定位数据，最后通过单片机的并行接口输出至液晶显示模块显示的方案。该BD+GPS定位信息显示系统硬件局部主要由以下几个局部组成：信号接收局部：以u-BloxM8接收模块为核心的GPS+BDS接收机；数据处理电路：以STC12C5A32S2单片机作为微处理器控制GPS和北斗系统的混模信号；显示局部：12864LCD液晶显示模块；其他局部：电源电路、外围电路、程序写入单片机电路等；数据处理器系统：本课题以STC12C5A32S2单片机作为数据处理器，控制读取GPS和北斗系统的混模信号和数据传输。利用单片机串行接口(RXD)接收u-BloxM8导航接收模块输出的GNRMC语句数据，并将接收到的数据经过分析和处理后通过并行接口发送到12864液晶显示器显示。外围电路：外围电路是由u-BloxM8接收模块及其辅助电路组成、LCD液晶显示模块的电源电路、显示电路。u-BloxM8接收模块主要由变频器、信号通道、存储器、中央处理器和输入输出接口构成。接收天线获取的卫星信号，可以实现对天线范围内卫星的跟踪、锁定和测量。图3.1北斗导航系统接收机的硬件设计如图3.1所示为硬件连接，u-BloxM8模块通过天线接收到数据信号经过芯片MAX232把高电平转换成TTL电平，单片机通过RXT接口将接收到的数据存储至缓冲区〔SBUF〕,再通过并行接口将数据发送到LCD上显示。u-BloxM8模块第二章已做详细介绍，以下不再赘述。3.2局部硬件设备根底介绍本设计使用的主要硬件有：单片机STC12c5A32S2、定位信号接收模块u-BloxM8、电平转换芯片MAX232、LCD液晶显示屏等。3.2.1STC12C5A32S2简介图3.2STC12c5A32S2芯片引脚图如图3.2所示为单片机STC12C5A32S2的管脚排布，下面对局部管脚的功能和其他方面的作用进行介绍[3]。1、STC12c5A32S2芯片局部管脚介绍：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1〞时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1〞时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1〞后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流〔ILL〕这是由于上拉的缘故。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。RST:复位，复位时单片机的初始化操作，其功能是把PC重新赋值0000H，使单片机从0000H开始执行程序。当因为程序运行出错或操作失误使系统不能继续运行程序，此时可以按复位键重新启动单片机，重新开始运行程序。STC12c5A32S2系列主要性能高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍。宽电压：5.5～3.3V，2.2～3.6V〔STC12LE5A60S2系列〕。增加第二复位功能脚〔高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<12MHz时，无需此功能〕。增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP。低功耗设计：空闲模式，〔可由任意一个中断唤醒〕。低功耗设计：掉电模式〔可由外部中断唤醒〕，可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。工作频率：0～35MHz，相当于普通8051：0～420MHz。时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置。32K字节片内Flash程序存储器，1280字节片内RAM数据存储器，芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上，ISP/IAP在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器；8通道,10位高速ADC，速度可达25万次/秒；2路PWM还可当2路D/A使用；2通道捕获/比拟单元〔PWM/PCA/CCP〕，也可用来再实现2个定时器或2个外部中断〔支持上升沿/下降沿中断〕；4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1；2路PCA实现2个定时器；可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟；高速SPI串行通信端口；全双工异步串行口(UART),兼容普通8051的串口；先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令。10) 通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉〔普通8051传统I/O口〕可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可到达20mA，但整个芯片最大不得超过100mA。3.2.212864液晶显示模块简介LCD由两块玻璃板构成，厚度约为1mm，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。因液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，在液晶显示屏反面有一块背光板〔也称匀光板〕和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。本设计采用QC12864B_LCD显示模块，可显示汉字和图形，其内置字库8192个中文汉字〔16X16点阵〕、128个字符〔8X16点阵〕及64X256点阵显示RAM。如图3.4和表3.1为LCD管脚说明[4]：图3.4LCD12864引脚排布QC12864B_LCD主要技术参数和显示特性:电源：VDD3.3V~+5V(内置升压电路，无需负压)；显示内容：128列×64行；显示颜色：黄绿屏，蓝屏；显示角度：6：00钟直视；LCD类型：STN与MCU；接口：8位并口或串行；配置LED背光；多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。表3.1QC12864B_LCD管脚说明引脚序号管脚名称管脚说明1GND电源地2VDD电源输入〔+5V〕3V0液晶显示比照度调节4RS数据输入5R/W读写选择(1读；0写)6E读写使能7-14DB0-DB7数据总线15PSB并/串口选择〔H并；L串〕16NC悬空17RST液晶模组复位18Vout悬空19A电源正〔5V〕20K电源地3.2.3MAX232简介232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换，它的的9、10、11、12引脚是TTL电平端用来连接单片机，7、8、13、14为232电平引脚[3]。如图3.5所示：图3.5MAX232引脚排布主要特点：

1、单5V电源工作。2、LinBiCMOSTM工艺技术。3、两个驱动器及两个接收器。4、±30V输入电平。5、低电源电流：典型值是8mA。6、符合甚至优于ANSI标准IA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28。7、ESD保护大于MIL-STD-883〔方法3015〕标准的2000V。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第四章基于单片机的北斗导航接收机的软件开发4.1开发环境及软件方案设计4.1.1单片机软件开发工具——KeiluVision3KeilSoftware公司推出的uVision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改良的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。

uVision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83x和ADuC84x，以及Infineon的XC866等。KeiluVision3主要特点：具有Windows风格的可视化操作界面如图4.1，界面友好，使用极为方便。图4.1KeiluVision3界面支持汇编语言、C51语言及混合编程等多种方式的单片机设计。集成非常全面的单片机支持，能够完成51系列单片机及和51系列兼容的绝大局部类型单片机的程序设计和仿真。集成丰富的库函数，以及完善的编译链接工具。提供并口、串口、A/D、D/A、定时器/计数器及中断等资源的硬件仿真能力，能够帮助用户模拟实际硬件的执行效果。可以与多款外部仿真器联合使用，提供了强大的在线仿真调试能力。内嵌RTX-51Tiny和RTX-51FULL内核，提供了简单而强大的实时多任务操作系统支持。在一个开发界面中支持多个工程的程序设计。支持多级代码优化，最大限度地帮助用户精简代码体积。4.1.2keil软件调试及编译与运行翻开软件，在文件选项中选择新建工程，同时新建一个新文件用于编写程序；在工作窗口编写程序或者是在其他word中编写复制到程序编写窗口，如图4.2所示；图4.2程序编写窗口程序完成后，在编译链接前，设置生成hex文件，如图4.3所示；图4.3设置输出hex文件链接编译程序，设置生成相应的.hex文件，用于仿真及写入单片机，如图4.4所示；图4.4连接编译生成hex文件4.1.3软件设计思路本设计程序设计分为以下五个主要模块：LCD液晶显示模块、导航数据接收模块、单片机中断初始化模块、时序〔延时〕模块。其程序流程图如图4.5所示。图4.5程序流程图本设计解析GNRMC这帧数据，当模块接收到此帧数据时，将数据接收时间、天线移动速度、天线所在地点的经纬度在LCD液晶显示屏上显示。4.2模块软件设计4.2.1液晶显示模块本设计中使用的QC12864B液晶显示模块，其初始化程序如下所示： void12864LCD_initinal(void)； {duan=0; wei=0; Basicwrite_com(0x30);//写指令，初始化屏幕，进行清零/屏 delays(1); Basicwrite_com(0x0c); delays(1); Basicwrite_com(0x01); delays(1); }LCD显示数据〔字母、汉字等〕需要先写入屏幕显示地址与显示的数据，如下为写入液晶地址与内容的函数：//写数据 //写指令函数 voidBasicwrite_com(ucharcom) { lcd_rs=0; lcd_rw=0; lcd_en=0; lcd_psb=0; P0=com;//通过单片机的P0口将指令发送至LCD显示屏 delays(5); lcd_en=1; delays(5); lcd_en=0; } //写数据 voidBasicwrite_date(uchardate) { lcd_rs=1; lcd_rw=0; lcd_en=0; lcd_psb=1; P0=date;//通过单片机的P0口将数据发送至LCD显示屏 delays(5); lcd_en=1; delays(5); lcd_en=0; }例：假设要液晶显示：“南昌大学〞，“格物致新厚德泽人〞这两句话，相应的程序代码如下所示：Basicwrite_com〔0x01〕;//首先清屏Basicwrite_com(0x80);//液晶屏幕第一行的首地址//液晶屏幕以两个字节为一个地址，一个汉字占两个 字节，使用for循环使之能自动写下一个地址for(a=0;a<9:a++){Basicwrite_date(“南昌大学〞);}Basicwrite_com(0x90);//LCD液晶显示屏幕第二行的首地址for(a=0;a<16:a++){Basicwrite_date(“格物致新厚德泽人〞);}4.2.2单片机中断初始化模块当u-BloxM8模块发送数据至单片机时，单片机要可以进入中断程序，需要先运行翻开总中断相关语句，设置定时器方式等参数设置，即为中断初始化，程序日下所示：voidUart_Init(){//IE=0x;//EA=1;ELVD=0;EADC=0;ES=1;ET1=1;EX1=1;ET0=0;EX0=0;//SCON=0X50; //SM0=0;SM1=0;SM2=1;REN=1;TB8=0;RB8=1;RI=0;TI=0; //TCON=0x; //TF1=1;TR1=1;TF0=0;TR0=0;IE1=1;IT1=1;IE0=0;IT0=0;SCON=0x50;//REN=1允许串行接受状态，串口工作模式1 TMOD|=0x20;//定时器工作方式2PCON|=0x80;TH1=0xFA; //baud*2波特率9600、数据位8、停止位1。效验位无TL1=0xFA;TR1=1;ES=1;//开串口中断EA=1;//开总中断}4.2.3数据接收模块单片机因外部中断的触发跳入中断接收数据存至缓冲区，同时将数据发送给上位机，程序如下所示： voidser_int(void)interrupt4 { if((RI==1)&&(flag==0))//RI接受中断标志 { RI=0; a=num++; rec_data=SBUF; table0[a]=rec_data; if(table0[0]=='$')//如果是此字符；马上接收数据 { if(table0[a]=='\n') { num=0; flag=1; ES=0; } } else { num=0; } SBUF=rec_data; //将接收到的数据发送至上位机的串口助手 while(TI==0); TI=0; } }中断允许接收数据标志RI和发送数据标志TI不能自动清零，当进入中断后要手动清零。4.2.4时序模块时序模块即为延时程序，当液晶LCD显示一页信息后，需要延时一段时间，否那么因为时序过短，我们无法看清楚显示的信息。延时程序如下所示: voiddelays(uintz)/**延时函数*/ { uintx=0,y=0; for(x=z;x>0;x--) { for(y=110;y>0;y--); } }4.3导航数据解析显示4.3.1数据接收导航模块启动后开始接收导航数据，接收到的各种信息〔如：经纬度、标准时间、移动速率等〕数据包括在各个语句〔$GNGGA、$GNRMC等〕中，接收到的导航信息传输至单片机的缓冲区，单片机再将接收到的导航信息发送至上位机进行显示如图4.6所示。在上位机可以直观的了解到导航模块接收到的各类信息，方便我们根据各个语句的特点进行处理并通过显示系统显示出导航信息。图4.6模块接收的数据4.3.2数据处理显示本课题根据需要，解析显示的是$GNRMC这一帧内包含的数据信息。我们需要在u-BloxM8模块接收到的多帧数据中解析提取出$GNRMC这一帧数据。根据图4.6所示，$GNRMC语句的第四位‘R’或者第五位‘M’在其他语句中没有出现过，以此，可以将‘R’或‘M’作为程序中提取获取$GNRMC这一帧数据的标志。缓冲区每次存储一句导航语句，后一句接收到的数据覆盖掉前面存储到缓冲区的数据，每一次接收到的数据都进行判定是否是$GNRMC这一句语句，假设是那么进行数据解析显示，假设不是或者定位信息无效，那么继续接收信息。接收到的$GNRMC这一帧的数据格式为：$GNRMC,<1标准时间>,<2状态指示>,<3纬度>,<4纬度方向>,<5经度>,<6经度方向>,<7地面速率>,<8航向>,<9日期>,<10磁偏角>,<11磁偏角方向><12模式指示>；因此我们要从其中解析出标准时间、经纬度方向、地面速率这些信息。本课题中，以数据中的‘，’作为别离数据标志。可以根据需要解析相应的数据信息。如下为获取地面速率的例如程序： if(table0[4]=='M') { ES=0; if(table0[17]!='A')//判断定位是否有效 break; for(c=0;c<strlen(table0);c++) { if(table0[c]==',') { count++; } if(count==6) { if(cspeed==0) { Basicwrite_com(0x01);//清屏 Basicwrite_com(0x80); for(a=0;a<10;a++) { uchartable10[]="地面速率："; Basicwrite_date(table10[a]); } Basicwrite_com(0x90); for(a=0;a<5;a++) { Basicwrite_date(table0[c+a+2]); } Basicwrite_com(0x93); for(a=0;a<4;a++) { uchartable10[]="m/s"; Basicwrite_date(table10[a]); } delays(100000); } }}解析出来的地面速率数据，经单片机处理发送至LCD液晶显示屏显示，显示的结果如图4.9所示。图4.9地面速率显示第五章系统调试与结果完成系统的硬件设计、硬件制作和软件编程后，要使系统能够按照设计目的正常运行，必须进行硬件和软件调试。5.1硬件调试硬件调试的主要目的是排除硬件故障，其中包括设计的错误和操作过程中造成的错误等。检查设计的硬件电路板所有的器件和引脚。第一步，用数字万用表进行逐一对点的检查，检查导线间是否有短路与开路的故障及电阻是否正确。第二步测输入5V电源〔0V地〕是否能正常接入电路，给各元件提供电源；检查开关是否正常，连接正是否确。第三步检测芯片与芯片之间对应脚是否导通和截止。(1)将程序代码经过Keil软件仿真生成的〔.hex〕文件，用编程器将生成的文件导入单片机STC89C52中。(2)将写入程序的单片机插入硬件电路单片机管座，查看液晶显示器12864显示结果是否符合设计要求。5.2软件调试软件调试的目的是利用开发工具进行调试，发现并纠正程序的错误，同时也可能发现硬件的故障。软件调试是以模块进行的，首先调试各子程序是否能够实现预期的功能，最后调试整个程序，尤其测试是各模块间能否正确的传递参数。检查12864液晶显示模块程序，观察在液晶显示器是否能够正确显示相应的字符。检查单片机中断初始化模块，利用串口助手进行发送外部中断，测试单片机初始化的参数设置是否正确，单片机能否进入中断接收数据。(3)检查u-BloxM8接收模块程序，通过观察LCD12864液晶显示情况及串口助手显示的数据接收情况来判断u-BloxM8信号接收状况。(4)通过数据接收模块程序和12864液晶显示模块程序的结合，观察12864液晶显示器上的BD+GPS显示信息。5.3设计结果经过软件局部和硬件局部的调试，最后实现了其功能。如图5.1为BD导航定位信息接收机：图5.1北斗导航定位信息接收机接收状态如图5.2所示：图5.2BD有效定位信号接收天线移动速度如图5.3所示：图5.3地面速率接收到有效定位信号的时间显示如图5.4所示：图5.4接收到有效信号的时间接收到有效信号显示经纬度，如图5.5所示：图5.5经纬度5.4结果分析在实验地点获得相应的经纬度，并通过“GOOLE地球〞进行验证定位的准确度。实验地点在我校〔南昌大学〕信工楼，通过北斗导航系统获得的相应纬度为：2839.85773，即为：28度39分51.46秒，经度为：11547.65988，即为：115度47分39.66秒。图5.6GOOLE地球查询得到卫星电子图通过“GOOLE地球〞查询相应地点获得的相应纬度为:28度39分15秒，经度为：115度47秒39.60秒，如图5.6所示：第六章总结随着导航技术的深入研究，且国内外对此项技术的极大需求，必会极大的促进导航定位技术的开展。而北斗是继GPS、GLONASS后出现的第三个导航系统，它即继承了前面两个导航系统的优点，又有新的创新，它对促进其他领域的开展具有重要的意义。与其他卫星导航系统相比，北斗卫星导航系统的最大创新在于把导航和通信紧密地结合在一起，这使得该系统在除根本的导航定位功能外，还具有简短通信功能。同时，北斗卫星导航试验系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单等优点，可以满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。但北斗导航也存在较多缺点，如不能覆盖两极地区，且在赤道附近定位精度差，只能采用二维主动式的定位方式，且需要提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量也受一定限制，体制上不能与国际上的GPS、GLONASS以及将来的伽利略系统兼容。虽然在国内北斗导航系统的相关产业才刚刚起步，北斗导航系统在民间的使用肯定会越来越广泛，与现在市场上的GPS系统分庭抗礼。本次毕以设计的课题，主要是了解北斗导航定位的原理，熟悉北斗导航系统接收机的工作原理及其各局部工作流程。北斗导航定位信号处理模块由u-BloxM8实现，通过u-BloxM8与STC12C5A32S2单片机相连，并连接所需的外围电路，可以显示相应的定位信息，并详细介绍了该北斗导航系统接收机的硬件和软件设计。通过本次设计，结合学习理论知识，锻炼了我的综合运用所学知识的能力，以及解决问题与实际工程的能力，提高了我搜索资料、查阅文献资料、设计手册、设计标准的能力，通过对整体的掌控，对局部的取舍，对细节的斟酌处理，使我的能力得到提升。因水平有限和时间问题，存在许多缺乏。本设计只是北斗导航系统入门级的设计，不能满足现在市场上剧烈的竞争环境，功能也有待完善，实用性还有待提高。致谢本课题是在卢宗武老师的悉心指导下完成的，论文从选题到写作及最后成稿，卢老师都给予了我精心的指导和极大的帮助。卢老师渊博的科学知识、远见卓识的科学创新和严谨的治学态度给了我深远的影响，同时卢老师随和的性格更让我感到亲切。在设计阶段，卢老师在资料搜集、程序调试、论文写作等方面都给予我严格的要求和关键性的指导，在此衷心感谢几个月来卢老师对我的关心和指导。感谢电子信息工程系所有老师在毕业设计期间为我们提供良好的实验环境。此外，我还要对在这次设计中，帮助和支持我的同学，表示感谢！李杰2023年5月于南昌大学信息工程学院参考文献[1]袁建平,罗建军,岳晓奎,等.卫星导航原理与应用[M].北京:中国宇航出版社,2003.[3]许进，周宁.GPS接收机的单片机通讯接口[J]，电子器件，1999,22(3)：23-26.[4]索明何,饶运涛,邢海霞，等.基于单片机的液晶显示系统设计[J]，科技广场,2023,7(2)：22-24.[5]张志良.单片机原理及控制技术〔第2版〕.机械工业出版社，2005.[6]朱筱虹,李喜来,杨元喜.从国际卫星导航系统开展谈加速中国北斗卫星导航系统建设[J].测绘通报,2023.[7]赵亮、侯国锐．单片机C语言编程与实例.人民邮电出版社，2003.[8]姚永平.STC12C5A60S2系列单片机手册[Z].STCMCU.[9]北斗导航系统原理及应用,[10]李德瑞,王德强.北斗一号用户机在无人机系统中的应用[A].中国航空学会,2006.[11]刘基余，李征航.全球定位系统原理及其应用[M]，北京：测绘出版社，1993.附录程序代码： #include<reg52.h> #include<string.h> #include<intrins.h> #defineucharunsignedchar #defineuintunsignedint sbitduan=P1^0; sbitwei=P1^1; sbitlcd_en=P2^6; sbitlcd_rs=P2^4; sbitlcd_rw=P2^5; sbitlcd_psb=P2^3; sbitctime=P2^2; sbitcspeed=P2^1; sbitclonglati=P2^0; uinta=0,b,c,d; uintcount=0; uchartable0[70]="0"; //hour[]="0" uintnum=0;ucharrec_data=0;//ucharsecond; uinttemp1=0,temp2=0,hourB; bitflag=0; voidLCD_initinal(); voidBasicwrite_com(ucharcom); voidNotewrite_com(ucharcom); voidBasicwrite_date(uchardate); voidNotewrite_date(uchardate); voiddelays(uintz); voiddelayms(uintz); voidUart_Init(); voidmain() { Uart_Init(); LCD_initinal(); Basicwrite_com(0x01);//清屏 Basicwrite_com(0x93); for(b=0;b<4;b++)//局部定义数组并写入液晶〔局部定义极大的节省RAM〕 { uchartable[]="李杰"; Basicwrite_date(table[b]); } Basicwrite_com(0x89); for(b=0;b<10;b++)//局部定义数组并写入液晶〔局部定义极大的节省RAM〕 { uchartableb[]="6103411013"; Basicwrite_date(tableb[b]); } delays(100000); Basicwrite_com(0x01);//清屏 Basicwrite_com(0x80);//局部定义数组并写入液晶 for(b=0;b<16;b++) { uchartable1[]="北斗信号接收中..."; Basicwrite_date(table1[b]); } Basicwrite_com(0x98); for(b=0;b<10;b++) { uchartable2[]="请稍后………"; Basicwrite_date(table2[b]); } //delays(10000); Notewrite_com(0x01); while(1) { if(flag==1) { flag=0; if(table0[4]=='M') { ES=0; if(table0[17]!='A')//判断定位是否有效 break; for(c=0;c<strlen(table0);c++) { if(table0[c]==',') { count++; } if(count==6) { if(cspeed==0) { Basicwrite_com(0x01);//清屏 Basicwrite_com(0x80); for(a=0;a<10;a++) { uchartable10[]="地面速率："; Basicwrite_date(table10[a]); } Basicwrite_com(0x90); for(a=0;a<5;a++) { Basicwrite_date(table0[c+a+2]); } Basicwrite_com(0x93); for(a=0;a<4;a++) { uchartable10[]="m/s"; Basicwrite_date(table10[a]); } delays(100000); } } if(count==8) { if(ctime==0) { uchartemp1,temp2,shi_1,shi_2; ucharcodesj[]="0123456789"; //Basicwrite_com(0x90); //for(a=0;a<6;a++) //Basicwrite_date(table0[c+2+a]); Basicwrite_com(0x01); Basicwrite_com(0x80); for(a=0;a<7;a++) { uchartable5[]="时间："; Basicwrite_date(table5[a]); } Basicwrite_com(0x90); for(a=0;a<2;a++) { Basicwrite_date(table0[c+6+a]); } Basicwrite_com(0x91); for(a=0;a<2;a++) { uchartable6[]="年"; Basicwrite_date(table6[a]); } Basicwrite_com(0x92); for(a=0;a<2;a++) { Basicwrite_date(table0[c+4+a]); } Basicwrite_com(0x93); for(a=0;a<2;a++) { uchartable6[]="月"; Basicwrite_date(table6[a]); } Basicwrite_com(0x94); for(a=0;a<2;a++) { Basicwrite_date(table0[c+2+a]); } Basicwrite_com(0x95); for(a=0;a<2;a++) { uchartable6[]="日"; Basicwrite_date(table6[a]); } //读入时 switch(table0[7])//别离字符串 { case'0':temp1=0;break; case'1':temp1=1;break; case'2':temp1=2;break; } switch(table0[8])//别离字符串 { case'0':temp2=0;break; case'1':temp2=1;break; case'2':temp2=2;break; case'3':temp2=3;break; case'4':temp2=4;break; case'5':temp2=5;break; case'6':temp2=6;break; case'7':temp2=7;break; case'8':temp2=8;break; case'9':temp2=9;break; } d=temp1*10+temp2;//时差转换〔即转换为北京时 间〕 if(d>=16,d<=23) { shi_1=0; shi_2=d-16; } if(d>=2,d<=15) { d+=8; shi_1=d/10; shi_2=d%10; } if(d>=0,d<=1) { shi_1=0; shi_2=d+8; } //以下给液晶写时间内容 Basicwrite_com(0x88); Basicwrite_date(sj[shi_1]); Basicwrite_com(0x89); Basicwrite_date(sj[shi_2]); Basicwrite_com(0x8A); for(a=0;a<2;a++) {