GPS與電子羅盤組合，用C8051設(shè)計高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)

　　引言

　　當(dāng)前，衛(wèi)星導(dǎo)航成為導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要方向，自助式導(dǎo)航繼續(xù)發(fā)展，組合導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為主要的導(dǎo)航方式。針對電子羅盤經(jīng)啟動后要較長時間才能穩(wěn)定，而陀螺球轉(zhuǎn)速高、磨損大、壽命短等問題［1］，本文做了載體姿態(tài)和位置測量的研究。就測姿定位問題，本文基于單片機(jī)最小系統(tǒng)，設(shè)計了基于GPS/電子羅盤的測姿定位系統(tǒng)，將GPS與電子羅盤組合，利用多種信息源相互補充，構(gòu)成了一種有多余度和高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它具有高精度、穩(wěn)定、小型化、易操作等特點，為最終組合導(dǎo)航的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

　　1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　基于GPS/電子羅盤的測姿定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　RXD0為GPS接收機(jī)發(fā)送到單片機(jī)的數(shù)據(jù);RXD1為電子羅盤發(fā)送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)；TXD0為單片機(jī)發(fā)送到MAX3232的數(shù)據(jù)；P（2~3）為單片機(jī)發(fā)送到LCD進(jìn)行顯示的數(shù)據(jù)。整個流程如下：首先，GPS接收機(jī)iTrax0302通過天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，按要求輸出當(dāng)前經(jīng)度、緯度和高度信息。電子羅盤HMR3300 實時輸出跟蹤天線的當(dāng)前方向、俯仰信息。GPS 接收機(jī)iTrax0302和電子羅盤HMR3300 輸出的信息由C8051F021單片機(jī)通過串行口接收，單片機(jī)子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的控制核心，它完成串行信息的接收、數(shù)據(jù)處理和對各部分電路的控制工作。經(jīng)處理的信息由單片機(jī)串行口輸出后，再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232實現(xiàn)由TTL到RS232電平的轉(zhuǎn)換。最后，再由MAX3232將信息傳入上位機(jī)顯示即可。

　　圖1　基于GPS/電子羅盤的測姿定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1　電路的基本構(gòu)成

　　在信息接收模塊中，本系統(tǒng)采用iTrax0302作為GPS接收機(jī)，GPS上電后將自動從天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號，經(jīng)過一系列的處理過程，通過并行通道完成最佳位置衛(wèi)星的跟蹤，測出衛(wèi)星到天線的傳播距離，解讀導(dǎo)航電文，從而計算出經(jīng)度、緯度、海拔高度等信息。iTrax0302是體積小、功耗低的GPS OEM板，具有極快的信號獲取引擎，自帶2個UART 接口，可接收NMEA0183格式的數(shù)據(jù)和二進(jìn)制的iTalk格式數(shù)據(jù)。

　　iTrax0302內(nèi)嵌8 Mb的Flash，可用于存儲中間定位數(shù)據(jù)，并為授時應(yīng)用提供極高的精度［2］。對偏航、俯仰等姿態(tài)信息的獲取選用了數(shù)字電子羅盤HMR3300，航向精度為±1.0°，分辨率可達(dá)0.1°，橫滾和俯仰的精度為±0.3°，分辨率為±0.1°，輸出端口采用RS232（或RS485）。同時，它還具有體積小、功耗低、價格便宜等特點［3］。

　　在信息處理模塊中，GPS和電子羅盤將采集到的信息通過串口不斷發(fā)送過來，單片機(jī)通過對這些數(shù)據(jù)的處理提取所需的有用信息，然后將有用信息按一定協(xié)議組裝成數(shù)據(jù)包傳送給電平轉(zhuǎn)換器發(fā)送模塊?？刂普麄€系統(tǒng)的中央處理器選用C8051F021，它是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)，其最突出的優(yōu)點就是改進(jìn)了可以控制片內(nèi)數(shù)字資源與外部I/O引腳相連的交叉開頭網(wǎng)絡(luò)。

　　C8051F021具有異步的雙串口UART0和UART1，可分別用于接收電子羅盤信息與GPS信息。而在接收電子羅盤信息與GPS信息時要分為兩個中斷分別進(jìn)行信息處理。C8051F021具有多中斷源，滿足這一性能要求。此外，C8051F021還具有低功耗、高速度、低電壓工作（3.3 V）、高容量存儲器等特性，滿足本方案的要求，故信息處理模塊采用C8051F021單片機(jī)。

　　信息接收和信息處理模塊的硬件電路圖如圖2所示。

　　圖2　信息接收和信息處理模塊的硬件電路圖

　　2.2　串行通信接口電路

　　在信息傳輸模塊中，由于C8051F021引腳的信號電平為TTL類型，而上位機(jī)串口的異步串行通信是基于RS232標(biāo)準(zhǔn)的，兩者通信信號的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行信號電平轉(zhuǎn)換。而MAX3232芯片能直接將單片機(jī)輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成上位機(jī)能接收的RS232電平，或?qū)C機(jī)輸出的RS232電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的TTL電平，故采用MAX3232來實現(xiàn)其中的電平轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的串行通信［4］。本系統(tǒng)的串行通信硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　圖3　串行通信硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)采用C語言，C語言具有功能豐富的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫，具有運算速度快和可移植性強等特點。用C語言來編寫軟件會大大縮短開發(fā)周期，增強軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。

　　對于串口的數(shù)據(jù)處理有兩種方法：一種是查詢的方法，另一種是中斷的方法。查詢的方法是不斷地檢測接收和發(fā)送標(biāo)志位，當(dāng)查詢到有數(shù)據(jù)進(jìn)入到SBUF時對 SBUF數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否為所需的數(shù)據(jù)，如果是則存儲到數(shù)據(jù)寄存器中。由于查詢方法在編寫程序時比較復(fù)雜，需要反復(fù)地查詢標(biāo)志位，但是相較于其他算法對于實現(xiàn)循環(huán)比較簡單。本系統(tǒng)對串口接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)采用的是查詢的方法［4］。

　　圖4　單片機(jī)信息處理流程

　　單片機(jī)信息處理流程如圖4所示。首先，待單片機(jī)初始化后，開啟中斷0，關(guān)閉中斷1，開始通過串口0接收電子羅盤信息。電子羅盤HMR3300更新頻率為8 Hz，即每秒最多可更新8次［5］。為了保證其穩(wěn)定輸出，每秒鐘提取4次電子羅盤信息。然后，以判斷回車來表示接收完一次羅盤信息，即 hmr［i］=10。待接收完畢后，開啟中斷1，關(guān)閉中斷0，通過串口1接收GPS定位信息。iTrax0302更新速率為1fix/s。提取定位信息時，每秒鐘提取一次GPS信息。接收到一條完整的語句后將其放入GPS數(shù)據(jù)存儲區(qū)。同樣地，我們以判斷回車來表示接收完一次GPS信息，即 gps［i］=10。

　　GPS信息接收完畢后，再開啟中斷0，關(guān)閉中斷1，接收電子羅盤信息。同時，將采集到的姿態(tài)和定位信息通過串口0傳送給MAX3232后，不斷發(fā)送給上位機(jī)。在中斷0中接收電子羅盤的數(shù)據(jù)時，需要提取的是其航向、俯仰和滾動信息，應(yīng)判定接收到的數(shù)據(jù)是否為起始標(biāo)志位，若是則開始采集數(shù)據(jù)，讀取第二位數(shù)，進(jìn)行采集的同時保存數(shù)據(jù)；如不是，則繼續(xù)判定。

　　由于采用的是非定長通信，因此，在采集數(shù)據(jù)的同時還要判定當(dāng)前位是否為結(jié)束標(biāo)志位，若是則進(jìn)行CRC校驗，若正確則對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行HPR分離；若否則開始新的采集。同樣，在中斷1中應(yīng)在接收有效后，判斷是否接收到GGA語句，若是再進(jìn)行分析處理［6］。也可直接發(fā)送指令給GPS接收機(jī)，使GPS接收機(jī)只輸出所需要的語句信息。同樣的操作也適用于電子羅盤HMR3300。

　　4　實驗驗證

　　為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)的正確性和有效性，筆者進(jìn)行了地面跑車實驗。將該系統(tǒng)固定于汽車內(nèi)，實驗過程中可見衛(wèi)星數(shù)為11顆，可用衛(wèi)星為7顆。實驗后，將采集到的數(shù)據(jù)運用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并對結(jié)果進(jìn)行了分析。跑車實驗數(shù)據(jù)分析如圖5所示。結(jié)論如下：

　?、?通過對比汽車內(nèi)的里程顯示器與采集回來的實驗數(shù)據(jù)計算得出跑車距離，結(jié)果均為2.9 km，基本一致；對比分析圖中的軌跡顯示與實際跑車路線，基本匹配；對比分析圖中的姿態(tài)信息與實際跑車路線情況，基本匹配。

　?、?當(dāng)衛(wèi)星信號被某些障礙物暫時阻斷時，儀器線路的瞬間故障使基準(zhǔn)信號無法與衛(wèi)星信號混頻產(chǎn)生差頻信號；外界干擾或接收機(jī)所處的動態(tài)條件惡劣，使載波跟蹤環(huán)路無法鎖定信號而引起信號的暫時失鎖等，所有這些原因都會使GPS計數(shù)中斷，使恢復(fù)跟蹤后的整周計數(shù)產(chǎn)生錯誤，如何在短時間內(nèi)測出何時發(fā)生整周數(shù)跳變，并求出丟失的整周數(shù)，則需要與慣性導(dǎo)航相結(jié)合，才能在任何條件下都實現(xiàn)高精度的實時導(dǎo)航定位，為MEMSIMU/GPS/電子羅盤組合導(dǎo)航系統(tǒng)起到更好的輔助作用。