北斗卫星定位系统的研究

哈尔滨理工大学毕业设计题 目:院、系:姓 名:指导教师:系主任:北斗定位系统研究荣成学院电气工程系侯甲童王哈力2016年6月24日北斗定位系统研究摘 要全球卫星导航系统已经成为重要的信息产业之一，越来越多的国家注 意到其巨大的潜在价值。并成为衡量一个国家综合实力强弱的工具，成为 各国研究的重点。本设计主要对基于STC89C52单片机的北斗定位接收机的软硬件系 统展开了研究。首先，研究了北斗导航系统的发展现状、原理和特点；其 次，选用和芯星通的UM220-IIIN芯片为北斗模块的核心芯片；然后，研 究了接收机芯片的工作原理和特征，确定了北斗导航接收机的硬件和软件 整体方案；最后，在此方案的基础上进行了软硬件的调试。本次设计的接 收机首先通过北斗模块接收定位信息，然后发送给单片机进行信息处理， 最终在显示模块显示且在语音模块播报。本设计所做的北斗导航接收机实现了精准定位。可以用LCD12864 显示经纬度、速度、时间、日期，并且用YS-M3语音播报模块播放经纬 度。关键词 卫星定位系统；北斗；STC89C52; UM220-11IN芯片The Research of Beidou PositioningSystemAbstractThe global satellite navigation system has bee one of the important information industry. More and more countries pay attention to its huge potential value.lt has bee the tool to measure a nations prehensive strength , and a focus of research.In this design, the hardware and software system of the Beidou positioning receiver based on STC89C52 single chip microputer is studied. Firstly, the paper studies the development, principle and characteristic of the Beidou navigation system; secondly, choose the He Xin Xing Tong UM220- III N chip as the core chip of Beidou module; then, study the worldng principle and characteristics of the receiver chip, determine the Beidou navigation receiver hardware and software of the overall program; finally, on the basis of this scheme were the debugging of the hardware and software. The design of the receiver first through the Beidou module to receive positioning information, and then sent to the microcontroller for information processing, and finally in the display module display and broadcast in the voice module.This design for the Beidou navigation receiver has realized the accurate positioning. It can be used LCD12864 display latitude and longitude, speed, time, date, and with YS-M3 speech module play the latitude and longitude.KeywordsSatellitepositioningsystem; Beidou; STC89C52; UM220- IDN chip摘要IAbstractll第1章绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外发展现状11.2.1 国外发展现状11.2.2 国内发展现状21.3 本课题主要研究内容3第2章北斗定位系统42.1 北斗定位系统概述42.1.1 北斗定位系统组成42.1.2 北斗定位系统的定位原理42.2 UM220-UIN模块62.2.1 UM220-1IIN 芯片介绍 62.2.2 UM220-1IIN引脚功能描述62.2.3 UM220-1IIN输出语句格式82.3 本章小结9第3章总体方案设计103.1 单片机最小系统103.2 北斗定位模块电路113.3 液晶显示单元电路143.4 语音模块电路153.4.1 语音模块工作原理153.4.2 语音模块工作模式153.5 本章小结16第4章 定位系统软件设计174.1 开发环境及软件方案设计174.1.1 pVision4174.1.2 软件设计流程174.2 定位信息接收与处理174.2.1 数据接收184.2.2 数据处理194.3 模块软件设计214.3.1 语音播报模块214.3.2 液晶显示模块224.3.3 中断函数244.4 本章小结24第5章系统调试与分析265.1 系统调试265.1.1 北斗模块调试265.1.2 软件调试285.2 结果分析295.3 本章小结31结论32致谢33参考文献34附录A36附录B37附录C45第1章绪论1.1 课题研究背景及意义全球导航卫星系统（Global Navigation Satelite System,GNSS） 是一种为人们提供全球、全时段高精度定位导航信息的卫星系统。作为一 个国家的基础设施，GNSS标志着一个国家的综合实力，是保障国家安 全、提高人民幸福指数的重要设施。众所周知，20世纪70年代以来。以美国和苏联为首的各国认识到太 空资源的重要性，相继启动各自的卫星导航计划。为紧随经济和科技迅速 发展的步伐，我国于198。年开始创立一个独立的北斗卫星导航系统。2003年，随着将第三颗北斗卫星顺利送入太空，我国组建了完整的 卫星导航定位系统，可以确保全天候、全天时提供卫星导航通信信息。标 志着继美国和前苏联后，我国成为世界上第三个建立了完善卫星导航系统 的国家。改变了我国长期缺少高精度、实时定位的局面，填补了我国卫星 导航定位系统的领域空白。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外发展现状目前，世界上已建成的全球卫星导航体系有美国的“全球定位系统” （GPS）和俄罗斯的“格洛纳斯”（GLONASS）系统。而欧洲也正在抓 紧建设“伽利略”（Galileo）系统也1995年4月27日，美国成功实现了 GPS系统的完全组网运行。在 空间部分，GPS的星座由24颗卫星组成，这24颗卫星等距地分布在6 个近圆轨道上，每个轨道上有4颗卫星。接收部分由1个主控站和5个监 控站组成。用户在同一时刻精准计算4颗卫星信号的传播时间，可得到高 精度的三维定位数据。现役的第二代GPS卫星增加了星钟、星间链路和 自主导航三大功能，大大增强了 GPS的导航精度、GPS系统的生存能 力。1995年12月，俄罗斯（前苏联）的GLONASS卫星定位系统落 成。但由于美国压制和后期资金紧缺，补网卫星没有及时发射，系统还满 足不了导航和定位的要求。GLONASS系统由24颗卫星组成，散布在三 个轨道上。GLONASS系统的民用标准定位精度是50m。伽利略卫星导航系统(Galileo)是由欧盟牵头开发的全球卫星导航体 系。该体系内共有30颗卫星，包括27颗运行星，3颗备用星。2014年 8月，随着第二批的一颗卫星成功进入预定轨道，太空中已有6颗正式的 伽利略卫星，可初步施展地面定位的作用。Galileo系统与GPS系统、 GLONASS系统相兼容的全球定位系统。它吸收了 GPS的经验，具有很 多优点。Galileo系统实施了三载波模糊度解算技术(Three-carrier Ambiguity Resolution,TCAR),较好地处理了加密、密钥和拒用三者的 关系。该系统定位精度10m,定时精度33ns。当今，卫星导航系统正在向多系统组合导航和差分导航方向发展。卫 星导航定位技术与惯性导航技术、无线电导航技术相结合，并且即将应用 数字化匏钟技术,这对我国北斗导航系统提出了更严格的要求和更新的挑 战。1.2.2 国内发展现状中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)由空间段、地面段和用户段三部分构成。目前为止，中国 已成功发射22颗北斗导航卫星。已成功覆盖亚太大部分地区，具备区域 无源导航服务能力。预计2020年前后，北斗导航系统将形成全球无源服 务能力。随着我国综合实力水平的提高，“北斗”产品越来越多地在工业 制造、军用领域、生活服务领域发挥着不可替代的作用。北斗定位系统在陆地上的开发应用方面具有极其重要的地位，体现在 诸多方面，如：车辆行驶状态监测和导航；旅游景点导航；应急车辆最快 路线引导；大气物理观测；工程建设的施工测算；板内运动状态和地壳形 变测量；智能火车网建设；智能放牧；气象监测等。北斗定位系统在海洋方面有着同样重要的作用，例如：提供远洋船只 的定位；计算最短航程，提高运输安全和效率；远洋船队在航行中的实时 调度和检测；提供两船之间、船与陆地的短报文通信；海洋救援的搜救和 定点测量；海底管道铺设测量；水文监测等。2014年11月23日，国际 海事组织海上安全委员会审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全 通函，这标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部 分,取得面向海事应用的国际合法地位也北斗定位系统在航空方面的应用主要体现在：民航飞机的自主导航； 飞机精密着陆；飞机空中加油等。北斗系统已经在我国许多领域发挥着重要作用。利用这套系统，最基 本的就是接收北斗系统发出的信号并能够实时输出显示。输出的信息包括 定位地点的经纬度、天线高程、UTC （协调世界时）时间、地面速度、日 期、时间、卫星个数等。由于北斗系统发展时间较短，与GPS和 GLONASS系统在精度方面有一些差距但相信北斗卫星系统在未来会大 放异彩。1.3 本课题主要研究内容本设计采用STC89C52单片机为核心，研究北斗卫星工作原理，读 取北斗卫星导航模块的标准数据，在LCD12864屏幕上显示当前的经纬 度、日期、时间和速度信息，并且使用语音模块播报经纬度。能够正确画 出系统原理图，并且能够正确调试电路，最终完成导航系统的实物制作， 为今后开发北斗卫星导航仪打下基础。第2章北斗定位系统2.1 北斗定位系统概述北斗卫星导航定位系统是中国正在努力实施的自主研发、独立运行的 全球卫星导航定位系统。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。促进卫星产业链形 成，具有完善的国家卫星导航系统。2.1.1 北斗定位系统组成北斗卫星导航定位系统由空间段、地面段和用户段三部分构成。空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地球静止轨 道卫星分别位于58.75吨、80吨、110.5吨、140吨和160E。非静 止轨道卫星由3颗倾斜同步轨道卫星和27颗中圆轨道卫星组成。地面段包括主控站、注入站和监控站等若干个地面站。主控站主要作 用是收集每个监测站的观测数据，分析数据，生成卫星导航电文和差分完 好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行与控制等。注入站主要任 务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和 有效载荷的控制管理。监测站接收卫星信号，发送给主控站，实现对卫星 的跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。用户段包含北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。 北斗卫星导航系统采用卫星无线电测定(Radio Determination Satellite Service,RDSS)与卫星无线电导航(RNSS)集成体制。既能 像GPS 一样，为用户提供卫星无线电定位服务，又具有位置报告及短报 文通信功能。2.1.2 北斗定位系统的定位原理目前，国际上三大定位系统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。用户接收机在同一时刻接收两颗及以上卫星信息，计算出接收机至两 颗卫星的距离，解算出卫星的空间坐标，再利用距离交会法解算出用户接 收机的位置。具体流程如下：1 .用户测量出接收机到三颗卫星的距离；2 .卫星的位置精确已知，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。如图2-1所示。图2-1三球交会定位原理图由于第二代北斗导航卫星系统已不再要求用户发送上行信号，因为不 再依靠中心站电子高程图处理或由用户提供高程信息，而是直接接受卫星 单方面测距信息自行定位，所以需要4颗以上的卫星测距才可精确定位。 这样就面临一个问题，就是需要大量卫星实行全覆盖，所以我国的北斗卫 星目前为止只能进行亚太地区的卫星导航通信，还没有全球覆盖。如图 2-2所示。图2-2北斗定位原理图2.2 UM220-IIIN 模块2.2.1 UM220-HIN 芯片介绍如图2-3为和芯星通针对车辆导航、便携设备、电信/电力授时、气 球探空等应用生产的具有自主知识产权的国产北斗/GPS双系统模块。 UM220-UIN芯片采用的是ARM9内核，较高的跟踪灵敏度，定位精度 2.5m,速度精度0.2m/s,授时精度优于20ns。该模块具有功耗低、体 积小、可靠性高等特点。VIDDFBCQFTVnUM220-III N图2-3 UM220-DIN模块外观相较于单一的GPS模块，UM220-UIN可以随意切换接受信息模 式。可接收单一的GPS或北斗定位信息，也可同时接收北斗和GPS双信 号。这样大大加强了定位信息的准确性。2.2.2 UM220-DIN引脚功能描述如图2-4、表2-1为UM220-UIN的引脚图和引脚功能介绍。 UM220-UIN引脚为两排对称排列共24个引脚：UM220-I1IN1213GNDGND11PC TNTcdt anc14oFl-oUU10,GNDSPLSDI159VCC RFepi16V J J 1KxALL D8am r*Q 1177RXD2SDA286TYH7SI 32UL，5 GPIO2TXD1204 仁EXTINTORXD121 a.3TTVfFPT T VPV RC1TP1 LVLD1A anFT Xver23V J JCvkt24presetkJlXU图2-4 UM220-HIN引脚图表2-1 UM220-HIN管脚说明序号名称I/O电平标准描述1nRESETILVTTL外部低电压重置2AADET_NILVTTL有源天线检测1:非有源天线0：有源天线3TIMEPULSEoLVTTL时间脉冲4EXTINTOILVTTL外部中断引脚5GPIO2ILVTTL天线短路检测1:天线对地短路0：天线对地正常6TXD2oLVTTL串口 2发送数据7RXD2ILVTTL串口 2接收数据8RSV保留管脚，悬空处理9VCC_RF2o3.0V10%输出电压信号（不用则悬空）10GNDI接地11RFJNIGNSS 输入信号（BD2 B1+GPSLI)12GNDI接地13GNDI接地14SPLSDOOLVTTLSPI数据输出引脚（不用则悬空）15SPLSDIILVTTLSPI数据输入引脚（不用则悬空）16SPLSCKOLVTTLSPI时钟引脚（不用则悬空）17SPLCS1OLVTTLSPI芯片选择1 （不用则悬空）18SDA23I/OLVTTLDDC数据（不用则悬空）19SCL24I/OLVTTLDDC时钟（不用则悬空）20TXD1OLVTTL串口 1发送数据，固件升级21RXD1ILVTTL串口 1接收数据，固件升级22V.BCKPI2.0V-3.6VRTC和SRAM暂份电压23VCC一3.0V10%供电电源24GND一接地2.2.3 UM220-MN输出语句格式北斗数据遵循NMEA-0183协议，该数据标准是由美国国家海事电 子协会（National Marine Electronics Association,NMEA）于 1983 年制定的。同一标准形式NMEA-0183输出使用ASCII码，其串行通讯 的参数为：波特率4800bps,数据位8bit,开始位lbit,停止位1 bit, 无奇偶校验位。数据传输以“语句”形式进行，每句话都以“$”开头，接着是两个 字母的“识别符”和三个字母的“语句名”，最后就是以逗号分割的数据 体，最末尾为校验和。在UM220-UIN模块中，“识别符”有三种。其 中，GP为GPS系统单独定位；BD为北斗系统单独定位；GN为GPS 与北斗系统混合定位。NMEA-0183的数据信息有十几种。其中，GGA为输出GPS定位信 息；GLL为输出大地坐标信息；ZDA为输出UTC时间信息；GSV为输 出可见的卫星信息；GST为输出定位标准差信息；GSA为输出卫星DOP 值信息；ALM为输出卫星星历信息；RMC为输出GPS推荐的最短数据 信息等。鉴于本文配置信息为RMC形式，所以只介绍RMC语句格式。对于一般的GPS定位应用，RMC语句完全可以满足要求。格式如下 叫$GNRMC , , , , , , , , , , , , 表2-2 RMC语句格式说明编号含义取值格式备注定位时间000000.00-125959.99hhmmss.ssUTC时间状态有效位A/VA:有效V：无效纬度0000.0000-8959.9999ddmm.mmmmdd：度nun. mmmm： 分南北半球N/SN：北纬S南纬经度00000.0000-17959.9999dddmm. mmmmddd:度 mm. mmmm： 分东西半球E/WE：东经W：西 经地面速度000.00-999.99单位：节速度方向000.00-359.99日期010100-311299日，月，年磁偏角00.0099.99单位：度磁偏角方向E/W固定为E模式指示及校 验和A/ NA:单点定位N:未定位 校验和：本语句 从，$到*， 之间所有字符进 行异或得到的16 进制数2.3 本章小结本章主要包括两部分内容。首先，介绍了北斗系统的组成与原理；在 充分了解北斗定位原理后，讲解了 UM220-UIN模块的基本信息。包括 UM220-UIN模块的电气特性和引脚介绍。最后讲解了 UM220-UIN输出 语句格式和各数据位的含义。第3章总体方案设计北斗接受模块通过天线接收卫星信号，实现对天线视野内卫星的跟 踪、锁定和测量。在获得卫星的位置信息和测量出卫星信号的传播时间 后，就可计算出天线所在位置，即实现定位。用户通过输入输出接口，获 取定位信息语句，通过单片机进行信息处理。最后通过显示屏和语音播报 模块进行人机交互。本设计要求通过单片机控制北斗导航器件实现定位信息显示和播报功 能。北斗模块使用的是以和芯星通UM220-UIN模块为核心的BD+GPS 接收机。利用STC89C52单片机串口接收北斗和GPS混合信号 (GNRMC ) o并通过软件实现显示和播报定位数据。显示屏采用 LCD12864,语音播放模块使用YS-M3模块。如图3-1所示为整体方案 框图，通过天线接收的数据信号经过芯片UM220-1IIN模块处理，通过串 口将定位信息传到单片机，最后通过单片机信息处理在LCD 12864显示 并在语音模块播放口支图3-1北斗导航硬件设计框图3.1 单片机最小系统本设计中使用的是STC89C52单片机，单片机具有的特点有稳定性 好、成本经济、使用简单、可控性好等。单片机电路加上复位和晶振两个 部分就形成了其最小系统。最小系统是构成开发板的基本单元。以此为基 础，用户加上北斗模块、语音播放模块和显示模块。单片机最小系统电路 图如图3-2所示。其中包含晶振电路和复位电路。晶振电路采用11.0592MHz的无源晶振，所以并联两个30pF电容作为起振电路【山。图3-2单片机最小系统电路3.2 北斗定位模块电路本设计选用的是和芯星通公司的UM220-HIN双系统高性能北斗定位 模块。基于该公司的双系统多频率高性能SOC芯片，能够同时支持 BD2B1、GPSL1两个频点。UM220-UIN体积小，采用SMT焊盘，适 合低成本、低功耗的北斗模块。UM220-11IN通过UART接口与开发板进 行通信。本设计中使用的北斗开发板为XX艾琳科技生产的北斗开发板。 该开发板可将TTL电平通过MAX232转换成232电平，与电脑进行数 据交互。并引出了两组串口，两组串口都可以输出NMEA扩展语句，串 口 1还可对芯片内部升级。实物如图3-3所示。图3-3北斗开发板实物图本北斗卫星模块串口有磁珠和瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor, TVS),用于对浪涌的消除，使得模块更加安全稳定。如图 3-4为模块电源集成电路。模块电源集成电路由LM317集成稳压器构 成，可输出1.2V37V的电压，保证1.5A输出电流。LM317有三个引 脚，分别为调整端、输入端和输出端，调整端和输出端电压恒为L25V。 可通过设置为不串联电阻分压作用获得想要输出的电压大小。在电源两端 并联多个O.lpF电容起到滤波作用，减少电源电压的波动，保护电路。图3-4北斗模块电源电路如图3-5为北斗模块芯片电路。由北斗模块UM220-11IN和其附加电 子器件组成。其中北斗模块外接4组插针，在芯片与电源间串联电感的作 用是起差模滤波作用，防止电流突变对芯片造成损坏；并联电感的作用是 提高芯片运行的稳定性，防止产生噪声。发光二极管为指示灯，每有信号 传输一次则闪烁一次。TXD1与单片机的P3.0 (RXD)相连，进行串行通信。图3-5北斗模块芯片电路如图3-6为北斗模块串口电路图，芯片UM220-11IN的串口信息通过 MAX232转化为232电平信号，通过9针的串口与电脑PC端相连。可 以进行模块数据定义和系统升级。图3-6北斗模块串口电路北斗模块关键指标如表3-1所示U2-1九表3-1北斗模块关键指标电源电压3.3V-5V冷启动时间32秒热启动时间1秒温启动时间8VL.一二M .f F“日海u j图3-8 YS-M3模块实物图表3-3 YS-M3引脚功能引脚序号引脚名称说明1Vcc5V2GND接地3GND接地4-12A1-A9编码端口13A10与GND相连进入编码模式141播放第二首，播放过程不可打断15BY播放时输出高电平，不播放这默认低电平3.5 本章小结本章主要讲述了硬件总体设计方案，介绍了单片机最小系统的组成， 并且讲述了北斗模块内部结构和原理。简述了 LCD12864显示原理和语 音模块工作原理和工作模式。4.2.1数据接收第4章定位系统软件设计4.1 开发环境及软件方案设计4.1.1 pVision4口Vision集成开发软件是Keil公司产品，它集编辑、编译（或汇 编）、仿真调试等功能于一体，具有当代典型嵌入式处理器开发的典型界 面。本次使用的是pVision4版本。它支持数百种嵌入式处理器（包括 80C51系列、非80c51系列的多种单片机以及ARM处理器等芯片）开 发。pVision4开发过程大概包括：建立工程；配置工程；编写程序；编 译程序；仿真调试。4.1.2 软件设计流程本设计程序设计分为五大主要模块：LCD液晶显示模块、导航数据 接收模块、单片机中断初始化、语音播放模块、时序模块,程序流程图如 图4-1所示。当运行程序时，首先进行LCD显示屏和中断初始化，然后 显示屏上显示“BPS北斗定位”的开机画面，接着判断是否已经定位， 如果没有定位则显示“Receiving”并循环判断；如果已经定位则需判断 定位信息是否正确，若不正确则显示“no data；若正确则处理定位信息 并存储在对应的存储区中，然后在显示屏上显示经纬度、日期、时间、速 度信息。当按下播报按钮时，则关闭中断，播报当前经纬度信息，最后打 开中断，循环运行程序。本设计接收信号为GNRMC信号，当模块接收此信号时，将数据接 收时间、接收日期、天线所在位置经纬度信息、天线速度信息显示在 LCD液晶显示屏上。当按下播放按键时，将播放当前经纬度位置信息 161（17O4.2 定位信息接收与处理北斗导航模块数据通过串口中断传输至缓冲区，同时将数据发送给上 位机，单片机通过处理串口数据获得经纬度等定位信息“明北斗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、UTC时间、移动速度等）数据包含在各个语句（$GNGGA、 $GNRMC等）中，接收到的定位信息传送至单片机的缓冲区。在串口助 手中，我们可以看到北斗模块从串口发给单片机的导航信息如图4-2o方 便我们根据各个语句的特点进行处理信息程序的编写。否图4-1程序流程图4.2.2数据处理本设计根据需要，解析显示的是$GNRMC这一传输语句信息。在第 五章北斗模块调试中，将介绍如何设置UM220-UIN,使其只输出 $GNRMC语句，这里不多累述I , SSCOM3.2 （作者:聂（丁丁）,主页http:www.moj5Lcom, Email: me.$GNRMC, 065924. 000, A, 3710. 180190JIJ2230. 607600, & 0. 049, 178. 219, 240516 & A*35 $GNRMC, 065925. 000, A, 3710.180316, N, 12230.607579, E, 0. 073, 178. 219,240516-& A*3C $GNRMC, 065926. 000, 3710. 180435, N, 12230.607551, & 0. 059,178.21% 240516-& A*3B $GNRMC, 065927. 000/ 3710. 180448JI J 2230. 607542, E, 0. 000, 178. 219, 2405 电禺 A*3E $GNRMC, 065928. 000, 3710. 180525JI J 2230. 607529, & 0. 010, 178. 2 电 2405 电工 A*37 $GNRMC, 065929. 000, A, 3710. 180606, NJ2230. 607523, E, 0. 005, 178. 219, 240516 & A*3A $GNRMC, 065930. 000, 3710. 180654, NJ2230.607525, & 0. 007, 178.21% 240516-& A*31打开文件11文件名串口号|COM4二曲关闭串口 |发送文件|保存窗口 |清跺窗口 |厂 的显示帮助 IWWW. MCU51 ,COM扩屐960081NoneNone厂DTR波特率 数据位 停止位 校驶位 流控制厂定时发送阿1ms/次 厂HEX发送厂发送新行 字符串输入框：3送Jr RTS!D0CmE KTNL PUBLIC -/W3C/DTD KTNL 4Not Found KIMLXXEAD XTITLE No t Fonnd TMLHot FouAd MLNot Found/ww.mcu51.cors：oR:553COM4已打升 9600bps 8CTS=O DSR=0 RL /|at+cmgr=l图4-2接收数据根据图4-3所示，为串口中断过程。在中断过程中，首先中断主程 序，进入中断服务子程序；然后判断是否为“GNRMC”语句；接着处理 数据，在处理数据过程中，我们可以根据作为分离数据标志，将相 应数据存储在不同数组中，方便显示。我们从$GNRMC语句中提取经纬 度、日期、时间、速度。最后，跳出中断程序。图4-3中断处理过过程在对时间进行处理时，由于北斗模块输出时间为UTC时间，与时间 相差8小时。所以在接收时间后，还要将UTC时间转换为时间。程序如 下：void trans_time(void)unsigned char temp,hour_shi,hour_ge;/定义小时，小时的十 位和个位temp=(time0-,0,)*10+(timel-,0)； /计算小时if(temp=16)/若小时小于等于16点加8小时temp=temp+8;hour_shi=t emp /10;hour_ge=t emp% 10; time0=hour_shi+,0,; time l=hour_ge+,01;else 时/若小时大于16点，则加8小时减24小temp=temp+8-2 4;time0=0;timel=temp% 10+0;4.3 模块软件设计4.3.1 语音播报模块YS-M3语音模块编码触发方式控制时需要单片机编码控制。本设计 中使用P1 口来控制播放歌曲。将经纬度信息拆分开分别进行播报，歌曲 存放在存储卡内，将“。9”、“东经”、“北纬”、“年”、“月”、“日”等语 音按顺序存入内存卡如表4-1所示，当出现数字或标点时，检索相应音频 文件播报，连续播报出来就成了经纬度。当按下播报按键时，先关闭中 断，读出经纬度，后打开中断【闻。流程如图4-3所示。表4-1音频存储表音频序号音频名称001-0091-90100011东经012北纬013度014分015秒016点图4-3播报流程图4.3.2 液晶显示模块1 .初始化函数 lcd_init()基本指令操作lcd_wcmd(0x30);delay (1);lcd_wcmd(OxOc);delay (1);lcd_wcmd (0x0 6);delay (1);lcd_wcmd(0x01); delay( 1);|2 .写指令函数/关光标整体显示光标右移，画面不动，AC加1清除LCD的显示内容void lcd_wcmd(unsigned char cmd)while(lcd_bz();rs = 0;rw = 0;en = 0;P0 = cmd; /通过单片机P0 口将指令发送至LCD显示屏 delay (3);en = 1;delay (3);en = 0;3.写数据函数void lcd_wdat(unsigned char dat)while(lcd_bz();rs = 1;rw = 0;en = 0;P0 = dat; 通过单片机的P0 口将数据发送至LCD显示屏 delay (3);en = 1;delay(3);en = 0;例如：要显示“GPS北斗定位”，这程序代码如下所示：unsigned char code kaijihuamian =GPS 北斗定位”;unsigned char i;lcd_wcmd(OxO 1);清除 LCD 显示内容i=0;lcd_pos(l,l);/设置显示位置while(kaijihuamiani != 101) /显示字符 |lcd_wdat (kai j ihuamian i);i+；4.3.3 中断函数当UM220-UIN模块发送数据至单片机时，单片机要进入中断程序， 需要先运行打开中断的相关语句，设置定时器方式等参数，即为中断初始 化，程序如下：void init_all(void)SCON = 0x50;/REN=1允许串行接受状态，串口工作模式1TMOD | = 0x20;定时器工作方式2PCON | = 0x80;TH1 = OxFa; /baud*2波特率9600数据位8停止位1校 验位无TL1 = 0xF3;TRI = 1;ES = 1;开串口中断EA = 1;/开总中断lcd_init();4.4 本章小结本章首先介绍了编程软件，然后详细讲述了软件设计整体思路，分别 阐述了北斗模块、显示模块、语音模块和中断初始化的控制流程，包括程 序编写和流程图讲述。第5章系统调试与分析5.1 系统调试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。5.1.1 北斗模块调试在北斗模块接收板的调试中，存在的许多问题都是软硬件相结合的。 所以北斗模块调试分为脱机调试和联机调试。1 .脱机调试脱机调试任务是检查硬件电路板所有器件和引脚。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：检查电源。确定电压值是否准确，检查开关是否正常。第三步：加电后，检测芯片与芯片间对应引脚是否导通和截止。2 .联机现试通过脱机调试，我们可以消除一些明显的硬件问题，保障硬件系统的 安全性和可靠性C但如果想要改变模块的内部特性，需要进行通过软件处 理的联机调试。北斗模块在与单片机共同工作之前，需要在电脑软件上进行输出数据 的设置。这个软件是和芯星通出产的专业测试软件Unicore Softwareo 功能强大完善，可以测试包括GPS、北斗在内的多种定位系统模块的功 能，如星数、接收质量及经纬度等参数。测试北斗模块的过程如下：(1)首先，用万用表测试硬件电路信号是否流畅。(2)连接天线并将天线置于空旷地带，切与地面成一定角度。尽量不 要有建筑物、树荫等的遮挡。避免有电压干扰，磁场辐射的地 方。(3)使用串口线将北斗模块与电脑相连，查询串口号。给北斗模块供 电。打开测试软件，设定串口号和波特率(9600bps)oa）星座图b）轨迹图注意：北斗模块电源线不能接反，否则将对模块造成永久损坏。当北斗模块正常接收定位信息时，工作指示灯会不停闪烁。初始时， 循环接收所有五种定位信息语句（GNGGA、GNGLL、GNGSA、 GNGSV、GNRMC）o所以可获得所有卫星定位信息。调试界面如图5- loc）北斗跟踪状态d） GPS跟踪状态图5-1北斗调试界面在Unicore Software软件中，可以调整北斗模块接收信息种类。如 只接收北斗卫星信息或GPS信息，也可两种信息都接收。还可通过语句 配置接收语句类型，且可保存，以至于掉电不取消。这样可以简化程序， 只接收有效信息。五中语句消息的类别和ID如表5-1,配置界面如图5- 2o如果想要将某种语句屏蔽掉则输入“$CFGMSG,类别，ID, 0。如 果想要输出某种语句需要输入“3CFGMSG,类别，ID, 1”。表5-1消息类别和ID消息名类别ID最高输出频度GGA005HzGLL015HzGSA025HzGSV035HzRMC045Hz图5-2信息配宜界面该编辑界面中，按键分别为：冷启动；温启动；热启动；北 斗；GPS;北斗+GPS;定位芯片信息；保存。当配置完成后需 要保存，这样在掉电重启后才能保存设置。5.1.2软件调试软件调试的目的旨在利用开发工具进行调试，纠正程序的问题，同时 也可能发现硬件的故障。软件调试是以模块进行的，首先调试各子程序否 能否具有预期的作用，最后调试整个程序，尤其测试各个模块间能否正确 传递参数。1 .检查LCD12864液晶显示模块程序，观察在液晶屏上是否能够正 确显示相应字符。2 .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程序接收数 据。3 .检查UM220-1UN模块程序，通过观察LCD12864液晶显示屏观 察UM220-UIN接收数据是否正确，接收处理定位信息是否准确。4 .检查语音播放模块程序，通过音响播放经纬度信息，与 LCD12864显示屏显示的经纬度对比确定播放是否正确。5.2 结果分析经过硬件和软件调试，最后实现了北斗定位接收机的功能，包括经纬 度、日期、时间和速度的显示，以及经纬度的播报。如图5-3为北斗定位 导航接收机。图5-4为开机画面；图5-5为未接受信号画面；图5-6为 数据无效画面；图5-7为定位画面，分别显示经度、纬度、时间、日期和 速度。图5-3北斗定位接收机图5-4开机画面图5-5未接收信号画面图5-6数据无效画面图5-7定位信息画面在试验地点获得相应的经纬度，通过“Google Earth进行验证定 位的精准度，实验地点为XX理工大学荣成学院2号实验楼，地图显示经 纬度如图5-4分别为：东经122o30,36.Hn;北纬371010.92o北斗 卫星接收机显示的经纬度如图5-7所示，分别为：东经122。30.60，；北 纬3710.171,将其换算为“度、分、秒”格式为：东经 122。3036.00；北纬 371010.20,与 Google Earth” 上给出的经 纬度差距在1分内。由此可见，本设计方案能够实现较准确的北斗定位功 能。图5-4 Google Earth卫星电子图5.3 本章小结本章首先讲述了北斗模块的脱机调试和联机调试，通过软件对北斗模 块进行相应配置；然后介绍了软件调试过程，完成程序开发；最后，进行 了设计验证。结论本设计在对北斗卫星定位技术、单片机控制、语音播报和显示模块进 行深入研究的基础上，构建了北斗定位系统的整体框架。该系统完成了在 北斗和GPS模式下的定位，并将定位信息通过液晶显示屏显示出来且播 报了准确的经纬度信息。本设计采用和芯星通公司的UM220-UIN北斗模块为接收板的核心部 分，并以STC89c52单片机为处理核心。本设计所完成的主要工作有：1 .北斗/GPS接收机先关技术的研究和总结，了解了北斗卫星的定位 导航的概念和原理，了解了全球定位导航系统的发展现状和我国北斗导航 说面临的挑战。2 .在经过比较论证后，选择利用51单片机为导航接收机的核心处理 芯片。并完成了接收模块、控制模块、显示模块、播报模块的结合。实现 了对导航数据的接收，单片机与北斗模块的串行通信以及LCD 12864的 显示和语音模块的播报。实现了导航数据的接收和定位显示播报工作。3 .完成了接收机的程序编译工作。整个程序采用层次化和模块化的设 计思想，层次分明，易于理解。4 .阐述了硬件和软件调试过程，进行了实际比对，与实际地点基本吻 合。达到了北斗接收机系统的基本定位功能。全球定位导航系统在未来必定将会成为大国间竞争核心，在给人们带 来便利的同时也保卫着国家的安全。本次毕业设计中，只实现了北斗定位 系统的核心功能，还有许多延展方向值得我们去开发和完善，例如加入触 摸屏来进行人机交互；加入语音识别系统来完善接收机的工作方式等等。致谢我要衷心感谢我的指导老师侯甲童老师，本次毕业设计在侯甲童老师 的悉心指导下圆满完成，从毕业设计的选题到最后论文的成稿，侯甲童老 师都给予了我精心的指导和极大的帮助。老师治学严谨、知识渊博。感谢 侯甲童老师在毕业设计期间为我们提供良好的实验环境，他热情的科研态 度、敏锐的思维方式以及对学生认真的态度成为了我顺利完成毕业设计的 坚实基础，并对我今后的学习生活产生了深远影响。感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究成 果，如果没有前人的努力付出，也不会给我这么多启发和帮助，使我这么 顺利的完成毕业设计。感谢我的母校XX理工大学荣成学院，是母校在大学四年时间使我成 为了合格的大学毕业生，感谢母校给了我四年美好的回忆，我会永远记住 我的母校。参考文献11李恒年.第三颗北斗导航定位卫星发射升空J.中国空间科学技术， 2003, 25 (03): 4-5. 石卫平.国外卫星导航定位技术发展现状与趋势J.航天控制， 2004, 22 (04): 28-33.3 Hein G W . Galileo frequency and signal designJ . GPS world, 2003, 14 (06): 30-37.4 X辉，焦诚，白龙.北斗卫星导航系统建设和应用现状J.电子技术 与软件工程，2015,