基于單片機(jī)的GPS／電子羅盤測姿定位系統(tǒng)

摘要：設(shè)計了一種基于GPS／電子羅盤的測姿定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)C8051F021作為中央處理器，功耗極低的iTrax03-02作為GPS接收機(jī)，數(shù)字電子羅盤HMR3300提供姿態(tài)信息，通過串口通信實(shí)現(xiàn)了實(shí)時測姿定位功能。實(shí)地跑車實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以正確、可靠地完成運(yùn)動載體的姿態(tài)和位置信息的實(shí)時測量，為最終的組合導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GPS；電子羅盤；測姿定位系統(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，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(bǔ)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(diǎn)，為最終組合導(dǎo)航的實(shí)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)iTrax03-02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(shí)時輸出跟蹤天線的當(dāng)前方向、俯仰信息。GPS接收機(jī)iTrax03-02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(shí)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。

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iTrax03-02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。

iTrax03-02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iTaIk格式數(shù)據(jù)。

iTrax03-02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。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RS48 5)。同時，它還具有體積小、功耗低、價格便宜等特點(diǎn)。

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。控制整個系統(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(diǎn)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。