便攜式地理信息采集儀的設(shè)計(jì)

引言
隨著數(shù)字化社會(huì)的快速發(fā)展，地理位置信息的采集分析越來越重要，如何使數(shù)據(jù)的采集分析更加簡便易行，是每個(gè)地理信息研究機(jī)構(gòu)最關(guān)心的問題。地理位置信息數(shù)據(jù)的采集是地理分析研究機(jī)構(gòu)的分析研究基礎(chǔ)，但是以往的數(shù)據(jù)只限于人工采集，采集記錄的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間存在較大的誤差，對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及地理環(huán)境的分析等都會(huì)造成了很大的影響。便攜式地理信息采集儀可以方便快捷地采集相應(yīng)位置的地理信息，并且可以全天候工作，真實(shí)可靠地記錄數(shù)據(jù)，從而可以避免人為誤差。
地理信息采集儀的功能
為了真實(shí)有效的采集記錄采樣點(diǎn)的地理位置的信息，以便地理信息研究機(jī)構(gòu)對(duì)采集數(shù)據(jù)的正確分析，便攜式地理信息采集儀的功能如下：
1）信息采集功能
對(duì)需要測控采集的采樣點(diǎn)的地理信息（如經(jīng)度、維度、海拔等）能進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的采集。
2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能
每個(gè)地理位置采集點(diǎn)的地理信息一對(duì)一記錄保存，以便工作人員分析各采集點(diǎn)的地理位置信息。
3）數(shù)據(jù)傳輸功能
地理信息采集儀可以將各個(gè)位置采集點(diǎn)的采集到的數(shù)據(jù)通過RS232傳輸給上位機(jī)。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為核心控制器[1]，集成GPS模塊、LCD顯示模塊、串行存儲(chǔ)器模塊、RS232接口模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖
Fig.1 System diagram
2.1 單片機(jī)單元
系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為核心控制器[2]，此款單片機(jī)具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)最大化的代碼效率；集成JTAG，支持在線編程；兩個(gè)通用全雙工串行同步/異步通信接口；6個(gè)8位I/O口；外部中斷輸入接口。單片機(jī)串口0負(fù)責(zé)接收GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，分析并且提取接收到的有效地理信息數(shù)據(jù)，一方面送到LCD顯示模塊顯示，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且可以將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。
2.2 GPS模塊
2.2.1 GPS概述
GPS（Global Positioning System）是美國研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。它是目前世界上精度高的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，已被廣泛用于軍事、經(jīng)濟(jì)、地理信息測控及其他領(lǐng)域。GPS定位系統(tǒng)由以下三個(gè)部分組成：
（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）：24顆衛(wèi)星（其中三顆備用），分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面均勻布設(shè)4顆衛(wèi)星，從而保障了地球上任何地點(diǎn)和時(shí)刻都能觀察到4顆衛(wèi)星。它能發(fā)射L1和L2波段的信號(hào)。
（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）：中央控制系統(tǒng)，跟蹤衛(wèi)星定軌，用來監(jiān)測衛(wèi)星的狀態(tài)，對(duì)衛(wèi)星軌道信息進(jìn)行修正。
（3）GPS信號(hào)接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）：接收設(shè)備，主要由天線、電源、數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成。其基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元，天線單元主要作用是捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。接收單元主要作用是記錄GPS信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，以獲得有用的定位信息。
2.2.2 GPS模塊介紹
GPS采用GS-87模塊[3]，它是一個(gè)高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊或稱作衛(wèi)星接收引擎，它采用美國瑟孚SiRF star III公司所設(shè)計(jì)的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，GPS Antenna（GPS天線）接收衛(wèi)星信號(hào)，將微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電流。電流經(jīng)過LNA（低噪音放大器）被放大，在通過filter 濾波器將其變頻處理，送入SIRF StarIII(由GRF3W和GSP3組成)進(jìn)行處理，將處理后的信號(hào)通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接。用戶通過對(duì)單片機(jī)的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進(jìn)行處理，提取出對(duì)用戶有用的信息。