ATmega16A低成本的GPS接收系统设计[图]

摘要：针对传统的GPS接收系统因硬件结构复杂、成本较高，而造成GPS设备难以普及应用的问题，设计了一种基于ATmega16A的低成本、可存储、无线传输的GPS接收系统。该系统采用单片机ATmega16A接收和处理GPS模块信号，并通过无线收发模块将处理后的GPS数据传输到上位机中；也可将数据实时存储到Flash上，通过USB接口完成数据读取。实验结果表明该系统性能稳定、实时性高，具有良好的应用前景。

   引言
   GPS(全球定位系统)是为海上、陆地和空中各种运输工具和移动设备的导航和定位而开发的，具有高精度、全天候、全球性和点间无需通视等优点，使测量技术发生了质的飞跃。在GPS的行业应用中，数据接收系统是最基本的设备。目前，数据接收系统具有智能化和可扩展性不断增强的发展趋势，表现为内嵌的MCU性能越来越高，外围接口越来越丰富，但软硬件成本不断上升，减缓了GPS接收系统平民化的趋势。综上所述，本文设计了一种基于单片机ATmega16A的低成本、可存储、无线传输GPS接收系统。实验证明，该系统稳定度高，可以满足各种工程测量以及勘察测量等民用要求。
   1 GPS接收系统结构及工作原理
   GPS接收系统实现本地GPS信号读取、系统控制、数据接收、数据存储、数据读取和无线收发等功能。其系统结构框图如图1所示。
   
   GPS接收系统工作过程为：ATmega16A利用GPS模块获取其所在位置的经纬度等信息，并将该测试点处的数据通过USB接口传输到PC机中，通过上位机软件完成对数据的转化。此外，ATmega16A带有片上Flash，也可实现对接收数据的存储功能，以便进行离线处理。ATmega16A通过控制无线收发模块，实现了对数据发送的功能。
   2 GPS接收系统硬件设计
   GPS接收系统主要由电源模块、GPS模块、GPS天线模块、控制模块、无线收发模块和数据存储模块等部分组成。
   2.1 电源模块
   电源模块是GPS接收系统工作的重要组成部分，实现的是系统供电功能。在GPS接收系统中，主要耗电的部分为无线收发模块，该模块工作在1W接收功率时工作电流可达到700mA，因此需要采用大电流的电源芯片，以保证系统供电需求。LM2576最大供电电流可达到3A，完全满足系统大功率接收时对电流的要求。此外，系统中其他模块工作电压为3.3V，采用REG1117(3.3V)芯片为系统提供工作所需电压。电源模块设计原理图如图2所示。
   
   2.2 GPS模块
   GPS模块是影响系统测量精度的关键，该系统中GPS采用SDT11E模块进行设计。该模块具有-158dBm的接收灵敏度，定位精度可达2.5m。高接收灵敏度和定位精度可以有效保证该系统的适用范围。其原理图如图3所示。
   
   2.3 GPS天线模块
   GPS天线形式是多种多样的，可以是螺旋线圈天线、偶极子天线或是微带天线。通常会在天线的前端加入一个低噪声放大器，使得接收机内维持一个低的噪声系数，这时需要由接收机前端通过RF同轴电缆对放大器供电。需要注意的是，当使用GPS接收机解算位置的时候，实际上是在估计天线的电子相位中心的位置，而电子相位中心与物理相位中心常常不在同一点。对于测量型GPS接收机天线，电子和物理相位中心会有厘米级的差异。
   系统采用的是SDT11E型GPS接收机，它的天线单元如图4所示。它具有的功能是接收由卫星发射来的信号。
   
   2.4 控制模块
   该GPS接收系统中，主要采用Atmel公司的AVR芯片ATmega16A作为系统的控制器，控制器主要实现控制GPS模块、控制无线收发模块、控制USB传输模块、处理接收的GPS信号、从Flash芯片中存取数据等功能。
   由于GPS模块、无线收发模块、USB模块均采用串行接口，控制器内部只带有一个串口功能，因此采用通用I/O口模拟串口通信方式完成对GPS和收发模块的控制。同时设计了带接收中断功能的串口模块，以实现系统控制功能。本收发模块中对接收到的GPS信号进行了简化处理，提取出了经纬度、高度及时间信息，增加了数据存储的有效信息量。I/O口模拟串口通信模块工作流程如图5所示。
   
   2.5 无线收发模块
   为提高该系统的定位精度，并有效降低系统功耗，本系统采用无线收发方式实现数据传输，无线收发模块设计原理图如图6所示。
   
   该无线收发模块主要使用MaxStream公司的9XTend模块，其主要特点是：与传统无线调制方式相比，在相同的发射功率的情况下采用扩频通信方式可以传输更远的距离。它是MaxStream公司目前传输距离最长(视距传输距离为40km)的低功耗OEM RF模块。9XTend在5V电压下，电流消耗只有780mA，输出功率可达1W(30dBm)。该收发器的接收灵敏度达-110dBm，可使用户在1.5英里、15英里视距和40英里(通过高增益天线)接收900MHz信号，数据吞吐量为230kbps，数据率可达115.2kbps。通过对该模块的使用，有效地实现了对GPS信号的接收。
   2.6 数据存储模块
   数据存储模块用Flash芯片来存储该系统采集的GPS位置信息，便于进行后期数据处理。该GPS接收系统使用的Flash芯片为K9F1208U0M，它是Samsung公司生产的采用NAND技术的大容量、高可靠Flash存储器。图7是K9F1208U0M芯片与ATmega16A的外围连接电路。
   
   K9F1208U0M的接口控制方法：K9F1208U0M在应用时必须通过外部ATmega16A来控制其内容的读写。K9F1208U0M的数据总线与ATmega16A的数据口PA口相连，用ATmega16A的地址高位引脚PB6作为K9F1208U0M的片选信号(CS)；PB5接K9F1208U0M的命令数据选择端(CME)/DATA)，而PB4接K9F1208U0M的地址锁存允许端(ALE)。
   读写操作流程：进行写操作时先要写入命令字80H，通知K9F1208U0M要进行写操作，然后顺序写入目的地地址和待写入的数据。应该注意的是，地址只需写入一次，便可以连续写入多个字节数据。地址指针的调整是由K9F1208U0M内部逻辑控制的，不用外部干预。写入操作是以页为单位(1～528字节)进行的，即每次连续写入能超过528个字节。这是由K9F1208U0M的工作方式决定的：写入的数据先保存至Flash内部的页寄存器(528字节)中，然后再写入存储单元。数据写完之后还要给K9F1208U0M发出1个写操作指令10H，通知其将页寄存器中的数据写入存储单元，随后就应该对状态引脚进行查询。如果该引脚为低，表明此次写操作结束。最后的步骤是数据校验，如果采用了ECC校验模式，则此步骤可以省略。
   使用ATmega16A控制器完成Flash驱动函数主要包括：读ID；块擦除；写入一页数据；坏块检测；读取一页数据。
   另外，注意事项有：在以K9F1208U0M为数据存储介质的系统设计中，需要注意无效块的问题。无效块即包含一个和多个无效数据位的块。由于结构方面的原因，一块(32页)中有一个无效位也会导致整个块无效。因此，系统必须在写入数据时避开无效块。出厂时，每片K9F12 08U0M的无效块信息均保存在一个无效块信息表中，可以根据该表中的原始无效块信息识别无效块的位置。在K9F1208U0M的使用过程中，应随时对无效块情况进行检查和更新，以保证无效块表内容的准确性。
   3 微控器软件程序设计
   该ATmega16A软件程序流程如图8所示。
   
   4 实验结果
   为检验该GPS接收系统的系统性能，选择一空旷地域组织了若干次实验，实验内容是固定地点接收卫星信号。图9是GPS接收系统实物图和Flash数据读取图。
   
   图9中左边是GPS接收系统的实物图，右边是通过该GPS接收系统采集回来的数据，然后经过Flash读取而得到的信息。GPS卫星接收系统采集到的坐标是世界大地坐标系(WGS-84)坐标。输出的数据格式为：“时间+维度+经度+星数+高度”，接收回来的数据充分显示系统稳定度很高。
   结语
   本文设计了一种基于ATmega16A的GPS接收系统。该系统具有数据存储、无线传输、定位精度高等特点。实验数据显示系统稳定度很高，易于推广普及，可用于普通民用地理定位领域，具有较高的实用价值。
   作者：赵榉云 张波涛 胡宁博 杨薇   来源：单片机与嵌入式系统