文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)07-0010-04
隨著GPS系統的完善，對于GPS定位系統的定位精度提出了更高的要求，各種GPS應用平臺應運而生[1]。GPS全球定位系統（Global Positioning System）是覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統，可以采集到地球上任意觀測點的經緯度和高度，以實現導航、定位、授時等功能，其應用領域廣泛[2]。
本系統采用高精度的E580模塊接收GPS信號，再輔以低功耗MSP430[3]單片機對信息進行接收和存儲，進而在LCD上顯示目標的坐標，最終將數據傳送至上位機，在虛擬地球儀軟件Google Earth中直觀地顯示目標軌跡。該平臺具有高可靠性、高測量精度、超低功耗、全球覆蓋、操作簡單等特點[4]。系統成本低廉，易于工程實現，可以應用到廣泛的工程領域，如：罪犯追捕、物流及時查詢、目標跟蹤或公交查詢等。
1 系統硬件設計
1.1 系統總體框架
系統可分為兩部分：
第一部分：對GPS信號的接收和處理，具體過程為：通過天線接收到原始信號，并將信號送入E580模塊；然后采用E580的串口與單片機通信，將數據發送給MSP430單片機；單片機對數據進行提取和處理，并將數據進行存儲。
第二部分：在Google Earth軟件中實現軌跡顯示，具體過程為：當PC向單片機發送正確的讀取密碼后，通過上位機軟件接收數據并生成Google Earth識別的KML格式文件，用Google Earth 打開該文件后地圖上將顯示對應的目標軌跡圖。
除此之外，單片機在提取出所需的GPS信息后，在FYD16032液晶上實時顯示目標的坐標，并且可以通過按鍵進行各種交互操作。系統總設計框圖如圖1所示。
硬件系統可分為接收模塊、微處理器模塊、顯示模塊以及人機接口模塊。各個功能模塊的具體功能如下：
接收模塊：接收原始的GPS信號，存儲為固定格式的數據信息并傳送給單片機，報告自己的狀態，并接收單片機的控制。
微處理器模塊：控制并接收GPS模塊的數據，對數據處理后在LCD上顯示出坐標信息，并把數據存儲在Flash中；同時，將數據傳給PC機，接收PC機控制，實現與PC機的通信功能。
PC控制模塊：PC接收軟件主要功能是接收數據并生成Google Earth可以打開的KML軌跡文件。
人機接口模塊：包括LCD顯示模塊和鍵盤控制模塊。
1.2 E580模塊硬件電路
高感低功耗的E580每秒數據更新率為4次，具有16個通道，可以同時跟蹤16顆GPS衛星，跟蹤靈敏度可達-158 dBm。不僅能滿足陸地導航的要求，而且能達到飛行器的動態要求。E580采用ANTARRIS4定位技術，內置節能模式（FIXNOW）可提供極低功率架構。E580從硬件和軟件上都十分易于使用，非常適合用于系統集成，只需要外加天線和電源即可工作。E580擁有2個UART和一個USB口，其數據可以通過任意接口來讀取。對于天線部分的設計，需要加50 ?贅的阻抗匹配線，采用Si9000軟件對微帶線進行設計，并采用計算后的數值進行PCB的布線[5]。
E580系統結構如圖2所示。
GPS接收模塊E580采用串口通信，與單片機的電器連接如圖3所示。
1.3 MSP430通過USB與上位機通信
由于USB總線具有傳輸速度快、占用資源少和真正的即插即用等優點，故在該系統中采用了常用的USB通信芯片FT245來進行單片機與上位機之間的通信。FT245主要進行USB與并行I/O口之間的協議轉換，轉換過程由硬件自動完成，開發者無需考慮硬件設計。FT245通過8根數據線(D0~D7)及讀/寫控制線(RD、WR)來完成與單片機的數據交互，內含一個128 B的接收緩沖區和一個384 B的發送緩沖區，此外還包括1個內置的3.3 V穩壓器、一個6 MHz振蕩器、8倍頻的時鐘倍頻、USB鎖相環和EEPROM接口。具體電路如圖4所示。
1.4 Flash存儲器
在該系統中需要對接收到的GPS信息進行保存，這種數據量比較大，為了更好地進行本地處理和軌跡的重現，加入了大容量的Flash存儲器M25P80。M25P80具有8個引腳，與MSP430F148單片機的硬件連接非常簡單，僅需片選信號、串行數據輸入、輸出以及時鐘信號4條線與MSP430F148的SPI接口相連。硬件連接圖如圖5所示。
MSP430F148單片機的最小系統部分以及LCD顯示模塊在此就不再贅述。
1.5 LCD顯示模塊
FYD16032是一種具有8 bit并行或3線串行兩種接口方式，內部含有簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；顯示分辨率為160×32。使用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。LCD顯示格式如下：
緯度：104.13951633
經度：30.6741392
GPS接收系統中，采用3線接口方式，引腳連接關系如表1所示。
2 系統軟件設計
系統工作流程：MSP430F148通過其串口進行實時數據接收，當單片機核心板按下“啟動”鍵，在接收到以SGPRMC為開始的信息后，提取當前有效信息的經緯度，并存儲在系統的Flash中，同時顯示在LCD上；在進行數據接收時，按下“停止”按鍵，此時系統停止接收，數據全部存儲在系統的Flash中，之后可以通過USB傳輸到PC機，上位機經過KML格式轉換后即可在Google Earth上顯示目標軌跡。
2.1 下位機端程序設計
單片機接收數據后在串行中斷函數中進行數據格式的判斷。數據接收格式為NMEA標準格式[6]，本系統采用了接收推薦的最小語句格式：
SGPRMC，hhmmss，status，latitude，N，longitude，E，spd，
cog，ddmmyy，mv，mvE，mode*cs<CR><LF>
GPRMC語句中，GPS模塊輸出的信息依次為：小時、分鐘、秒、狀態(接收數據是否有效)、北緯度、東經度、速度等以及最后的信息結束標志(信息結束標志為：回車，換行)。
下位機程序流程如圖6所示。
2.2 上位機軟件設計
2.2.1 KML文件
系統采用KML的文件格式進行數據轉換。Google Earth中有KML和KMZ兩種類型的地標文件。KML文件是Keyhole客戶端進行讀寫的文件格式，是一種XML描述語言，并且是一種文本格式，使用起來簡潔易懂，可以通過程序自動生成KML文件。因此，使用KML格式的文件非常利于Google Earth應用程序的開發。雙擊KML文件即可從Google Earth中打開地標文件，但值得注意的是KMZ/KML地標文件名不能包含中文字符，文件存放的路徑也不能有中文字符，否則將無法在Google Earth中打開。
2.2.2 軟件界面
該系統通過USB將接收到的GPS數據送給PC機后[7]，上位機實時記錄數據并顯示在界面上，同時點擊界面中“生成歷史軌跡”按鈕，即可將接收的數據轉換成KML格式的文件，該操作界面是采用Visual C++ 6.0設計的。
上位機界面可以在接收數據的同時顯示緯度和經度，它還包括了“接收數據”控制按鈕、“生成當前坐標”控制按鈕以及“生成歷史軌跡”控制按鈕。密碼欄為輸入接收數據的密碼，范圍是0～255，具體的密碼可以在程序中設定。該界面的操作過程是用戶先向下位機發送密碼，下位機接收到密碼后進行判斷，若與之相符，則開始向PC機傳送數據，點擊“接收數據按鈕”會生成TXT文件并存放在所規定的路徑里，再點擊生成歷史軌跡按鈕就會生成KML格式的文件。
2.2.3 KML文件轉換
接收到的數據為TXT格式的文件，通過程序自動生成Google Earth客戶端能夠識別的KML格式的文件后，在Google Earth軟件中就可顯示目標的軌跡圖。試驗中可以采用單點的KML文件格式和多點的KML格式兩種方式，以成都理工大學的地理位置為參照對象。
轉換后的多點的KML文件格式為：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<kml xmlns="http://earth.google.com/kml/2.0">
<Folder><name>軌跡</name><Placemark><Style>
<LineStyle>
<color>e500ffff</color><width>4</width></LineStyle>
</Style><LineString><altitudeMode>relativeToGround
</altitudeMode><coordinates>
104.13951633,30.674139
104.13962,30.67411733
104.139659,30.67422833
104.13967817,30.6743225
104.13966717,30.67433567
……
</coordinates></LineString></Placemark></Folder></kml>
此文件在Google Earth中顯示所有點連成的軌跡線，軌跡顏色、寬度以及名字都可以在程序中由用戶自定義。
3 試驗結果
實驗過程中，以成都理工大學行政區域的地理位置為參照對象進行了目標的運行軌跡記錄，然后在Google Earth中再現該運行軌跡采用的是多點KML文件格式。實驗軌跡圖如圖7所示。
本文介紹了基于MSP430F148的便攜式軌跡記錄與再現系統的設計思路、硬件結構和軟件設計方法。采用E580來接收GPS信號，以MSP430F148為控制中心，將目標信息實時顯示在LCD上，并將數據存儲在Flash中，傳給上位機通過Google Earth軟件進行軌跡的再現。通過各項實驗測試，該系統實現了預期的功能及指標[8]。該平臺功耗低，操作簡單，可以非常靈活地應用到物流跟蹤、公交查詢、野外探險、精細農業等工程領域中。
參考文獻
[1] 曾吉全．GPS車輛自導航系統關鍵技術研究[D]．西安：西安電子科技大學，2004．
[2] 韓九強，張新曼，劉瑞玲．現代測控技術與系統[M].北京：清華大學出版社，2007.
[3] 謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[4] 徐太忠.便攜式電子系統的低功耗設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2001(8)：11-13.
[5] 徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京：電子工業出版社，2009.
[6] 肖遠亮.NMEA-0183數據標準在GPS技術中的應用[J].物探裝備，2003，13(2)：12-21，33.
[7] 胡輝.GPS數據采集軟件的實現[J]．全球定位系統，2008(1)：25-30.
[8] 孔慶華．現代交通電子控制技術[M]．哈爾濱：東北林業大學出版社，2004.