杜　俊，董　松

（陇东学院，甘肃　庆阳　745000）

基于单片机的GPS定位系统的设计与实现*

杜俊，董松

（陇东学院，甘肃庆阳745000）

GPS（Global Positioning System）在船舶、车辆、飞机等运动物体进行定位导航、车辆监控管理系统、物联网系统等都有重要的应用，但其高昂的成本让普通客户无法接受。本文设计了基于单片机的GPS定位系统，该系统以51单片机为主控制器，通过uart接口与GPS信息采集模块进行通信，GPS信息格式采用NMEA-0183协议格式，单片机对GPS信息格式进行解码，获得时间、经度、纬度、海拔高度、速度等信息，并根据需求将所需信息通过显示器显示。

NMEA-0183协议；UART；数据解码

1　概述

GPS（NavigationSatelliteTimingandRanging/Global Positioning System），中文名为“卫星授时测距导航/全球定位系统”。该系统由覆盖全球的24颗卫星组成。它可以保证在任意时刻、任意地方都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。

2　GPS定位系统总体设计

本系统主要以u-blox公司的NEO-6M GPS定位芯片和GPS有源天线组成GPS信息接收模块，利用UART接口将GPS模块的采集的NMEA-0183格式的信息传输给单片机，单片机对接收到的NMEA-0183格式的信息进行解码和处理，通过液晶屏显示出来，从而实现定位、授时、测速的功能，如图1所示。

图1　基于单片机的GPS定位系统结构

2.1GPS接收模块

本系统中GPS信息接收模块采用u-blox公司的NEO-6M芯片，该芯片具有高灵敏度、低功耗、小型化、其极高追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面，在普通GPS接收模块不能定位的地方，如狭窄都市天空下、密集的丛林环境，NEO-6M都能高精度定位。模块的高灵敏度、小静态漂移、低功耗及轻巧的体积，非常适用于车载、手持设备如PDA，车辆监控、手机、摄像机及其他移动定位系统的应用，是GPS产品应用的最佳选择。

在开发GPS定位系统的过程中，并不需要去关心如何计算坐标数据，这些工作GPS芯片都会自动完成。但是在设计过程中，应重点注意GPS模块的工作条件、通信接口、数据格式、波特率等问题。

NEO-6M GPS信息接收模块采用USB接口供电，支持3.3V-5V电源，支持UART接口，使用前可使用模块配置软件配置UART接口的波特率，使其与单片机串口的波特率一致。

2.2NMEA-0183协议

NMEA 0183是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）为海用电子设备制定的标准格式。目前业已成了GPS导航设备统一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）标准协议。该协议采用ASCII码，UART默认波特率4800bps，采用10位异步传输方式，无奇偶校验。NMEA-0183协议常用的数据格式有6种，见表1。

其中NMEA-0183的GPGGA命令的信息格式及含义如下，其他命令格式可查询相关文献。

$GPGGA，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞，＜12＞，＜13＞，＜14＞*＜15＞＜CR＞＜LF＞

表1　NMEA-0813常用的数据格式

该信息格式中的“$”表示命令起始位，GPGGA表示命令类型，其他字段含义如下：

＜1＞UTC时间，格式为hhmmss.sss。

＜2＞纬度，格式为ddmm.mmmm（前导位数不足则补0）。

＜3＞纬度半球，N或S（北纬或南纬）。

＜4＞经度，格式为dddmm.mmmm（前导位数不足则补0）。

＜5＞经度半球，E或W（东经或西经）。

＜6＞定位质量指示，0=定位无效，1=定位有效。

＜7＞使用卫星数量，从00到12（前导位数不足则补0）。

＜8＞水平精确度，0.5到99.9。

＜9＞天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米。

＜10＞高度单位，M表示单位米。

＜11＞大地椭球面相对海平面的高度（-999.9到9999.9）。

＜12＞高度单位，M表示单位米。

＜13＞差分GPS数据期限（RTCM SC-104），最后设立RTCM传送的秒数量。

＜14＞差分参考基站标号，从0000到1023（前导位数不足则补0）。

＜15＞“*”表示校验和前缀。

＜16＞校验和。

＜17＞CR和LR表示信息结束符合。

NEO-6M GPS接收模块可以接收以上6种常用的命令信息，可使用该模块的配置程序设置该模块的接收信息类型，设置好后，该模块只接收允许接收的信息类型。本设计方案中，对允许接收的命令信息类型没有筛选。

3　定位系统软件设计

GPS定位系统程序主要完成单片机串口初始化、LCD液晶屏的初始化，GPS命令信息的接收、解码、处理任务，最后将处理后的信息显示在LCD液晶屏上。GPS定位系统程序总体流程如图2所示。

图2　系统程序流程图

在整个系统程序设计中，解码是关键。单片机通过串口接收到来自GPS接收模块的NMEA-0183格式的命令信息后，将该信息解码，提取出用户需要的信息。NMEA-0183解码算法如下：

s1：初始化：定义逗号字符计数变量comma_cnt=0，数据字符计数变量char_cnt=0，命令类型数组cmd［5］，模式变量mode（mode=0，结束，mode=1，接收命令类型，mode=2，接收数据），命令类型编号cmd_num，启动串口接收，进入s2。

s2：判断串口的sbuf接收到的字符：

如果是“$”，设置mode=1，准备接收命令类型信息；

若是字符“，”，逗号字符计数comma_cnt自增1、数据字符计数char_cnt清零；

若是字符“*”，mode=0，进入结束模式；

若是其他，执行s3；

s3：若mode=1，则接收命令类型，依次将串口接收到的5个字符数据存储到cmd［5］数组中。

若 cmd［5］存储的是 “GPGGA”命令类型，则cmd_num=1，执行s4；

若是“GPGSV”命令类型，则cmd_num=2，执行s4；

若是“GPRMC”命令类型，则cmd_num=3，设置mode=2，进入接收数据模式，执行s4。

s4：若 mode=2，进入数据接收模式。判断cmd_num的值：

若cmd_num等于1，开始解码GPGGA命令类型的数据，判断逗号计数comma_cnt的值。根据2.2节中的NMEA-0183的GPGGA命令信息格式，数据字段之间用逗号分隔，因此根据逗号计数可以获取所需信息。

若comma_cnt的值等于1，表示后面接收的10个字符是UTC时间，然后存储在时间变量里。

若comma_cnt的值等于2，表示接下来接收的10个字符是纬度信息并存储，char_cnt清零。

若comma_cnt的值等于3，表示接下来接收的1个字符是纬度方向信息并存储，char_cnt清零。

若comma_cnt的值等于4，表示接下来接收的11个字符是经度信息并存储，char_cnt清零。

若comma_cnt的值等于5，表示接下来接收的1个字符是经度方向信息并存储，char_cnt清零。

用类似的方法将GPGGA中的所需的其他信息解码。

若cmd_num等于2，开始解码GPGSV命令类型数据，用上述办法解码获得所需信息并存储。

若cmd_num等于3，开始解码GPRMC类型数据，用上述方法解码获取所需的其他信息并存储。

s5：退出。

数据解码完成后，使用LCD屏实时显示解码后需要显示的数据。另外，系统接收到的时间信息是UTC时间，如要输出北京时间，还需对UTC时间进行处理转换成北京时间，在进行输出显示。

4　结论

本文提出了对GPS全球定位系统的各命令类型数据的解码方法，设计并实现了基于51单片机的GPS定位系统，由单片机控制GPS接收模块较为精确地计算和显示日期、时间、经度、纬度等卫星信息。

［1］ 吴东东.基于单片机的GPS定位显示设计［J］.上海师范大学学报（自然科学版），2016，45（1）.

［2］ 于铁军.基于ARM的GPS定位系统设计与实现［D］.中北大学，2014．

［3］杜天杰.基于GPS的定位系统设计与实现［D］.西安电子科技大学，2014.

［4］张烁.基于移动GIS定位导航系统的设计与实现［J］.计算机系统应用，2010，19（7）.

［5］赵志礼.基于单片机的GPS定位信息处理［J］.电子测试，2009.

［6］刘俊成.GPS软件接收机关键技术研究［D］.国防科技大学，2006.11．

［7］张鹏超.智能车载信息系统研究［D］.西安工业大学，2004.

［8］袁安存.全球定位系统原理及应用［M］.大连海事大学出版社，1999.

TP313

陇东学院紧缺人才科研启动资金资助项目（XYBY140207）。