引言
GPS(全球定位系統)是為海上、陸地和空中各種運輸工具和移動設備的導航和定位而開發的，具有高精度、全天候、全球性和點間無需通視等優點，使測量技術發生了質的飛躍。在GPS的行業應用中，數據接收系統是最基本的設備。目前，數據接收系統具有智能化和可擴展性不斷增強的發展趨勢，表現為內嵌的MCU性能越來越高，外圍接口越來越豐富，但軟硬件成本不斷上升，減緩了GPS接收系統平民化的趨勢。綜上所述，本文設計了一種基于單片機ATmega16A的低成本、可存儲、無線傳輸GPS接收系統。實驗證明，該系統穩定度高，可以滿足各種工程測量以及勘察測量等民用要求。
1 GPS接收系統結構及工作原理
GPS接收系統實現本地GPS信號讀取、系統控制、數據接收、數據存儲、數據讀取和無線收發等功能。其系統結構框圖如圖1所示。
GPS接收系統工作過程為：ATmega16A利用GPS模塊獲取其所在位置的經緯度等信息，并將該測試點處的數據通過USB接口傳輸到PC機中，通過上位機軟件完成對數據的轉化。此外，ATmega16A帶有片上Flash，也可實現對接收數據的存儲功能，以便進行離線處理。ATmega16A通過控制無線收發模塊，實現了對數據發送的功能。
2 GPS接收系統硬件設計
GPS接收系統主要由電源模塊、GPS模塊、GPS天線模塊、控制模塊、無線收發模塊和數據存儲模塊等部分組成。
2.1 電源模塊
電源模塊是GPS接收系統工作的重要組成部分，實現的是系統供電功能。在GPS接收系統中，主要耗電的部分為無線收發模塊，該模塊工作在1W接收功率時工作電流可達到700mA，因此需要采用大電流的電源芯片，以保證系統供電需求。LM2576最大供電電流可達到3A，完全滿足系統大功率接收時對電流的要求。此外，系統中其他模塊工作電壓為3.3V，采用REG1117(3.3V)芯片為系統提供工作所需電壓。電源模塊設計原理圖如圖2所示。
2.2 GPS模塊
GPS模塊是影響系統測量精度的關鍵，該系統中GPS采用SDT11E模塊進行設計。該模塊具有-158dBm的接收靈敏度，定位精度可達2.5m。高接收靈敏度和定位精度可以有效保證該系統的適用范圍。其原理圖如圖3所示。
2.3 GPS天線模塊
GPS天線形式是多種多樣的，可以是螺旋線圈天線、偶極子天線或是微帶天線。通常會在天線的前端加入一個低噪聲放大器，使得接收機內維持一個低的噪聲系數，這時需要由接收機前端通過RF同軸電纜對放大器供電。需要注意的是，當使用GPS接收機解算位置的時候，實際上是在估計天線的電子相位中心的位置，而電子相位中心與物理相位中心常常不在同一點。對于測量型GPS接收機天線，電子和物理相位中心會有厘米級的差異。
系統采用的是SDT11E型GPS接收機，它的天線單元如圖4所示。它具有的功能是接收由衛星發射來的信號。
2.4 控制模塊
該GPS接收系統中，主要采用Atmel公司的AVR芯片ATmega16A作為系統的控制器，控制器主要實現控制GPS模塊、控制無線收發模塊、控制USB傳輸模塊、處理接收的GPS信號、從Flash芯片中存取數據等功能。
由于GPS模塊、無線收發模塊、USB模塊均采用串行接口，控制器內部只帶有一個串口功能，因此采用通用I/O口模擬串口通信方式完成對GPS和收發模塊的控制。同時設計了帶接收中斷功能的串口模塊，以實現系統控制功能。本收發模塊中對接收到的GPS信號進行了簡化處理，提取出了經緯度、高度及時間信息，增加了數據存儲的有效信息量。I/O口模擬串口通信模塊工作流程如圖5所示。
2.5 無線收發模塊
為提高該系統的定位精度，并有效降低系統功耗，本系統采用無線收發方式實現數據傳輸，無線收發模塊設計原理圖如圖6所示。
該無線收發模塊主要使用MaxStream公司的9XTend模塊，其主要特點是：與傳統無線調制方式相比，在相同的發射功率的情況下采用擴頻通信方式可以傳輸更遠的距離。它是MaxStream公司目前傳輸距離最長(視距傳輸距離為40km)的低功耗OEM RF模塊。9XTend在5V電壓下，電流消耗只有780mA，輸出功率可達1W(30dBm)。該收發器的接收靈敏度達-110dBm，可使用戶在1.5英里、15英里視距和40英里(通過高增益天線)接收900MHz信號，數據吞吐量為230kbps，數據率可達115.2kbps。通過對該模塊的使用，有效地實現了對GPS信號的接收。
2.6 數據存儲模塊
數據存儲模塊用Flash芯片來存儲該系統采集的GPS位置信息，便于進行后期數據處理。該GPS接收系統使用的Flash芯片為K9F1208U0M，它是Samsung公司生產的采用NAND技術的大容量、高可靠Flash存儲器。圖7是K9F1208U0M芯片與ATmega16A的外圍連接電路。
K9F1208U0M的接口控制方法：K9F1208U0M在應用時必須通過外部ATmega16A來控制其內容的讀寫。K9F1208U0M的數據總線與ATmega16A的數據口PA口相連，用ATmega16A的地址高位引腳PB6作為K9F1208U0M的片選信號(CS)；PB5接K9F1208U0M的命令數據選擇端(CME)/DATA)，而PB4接K9F1208U0M的地址鎖存允許端(ALE)。
讀寫操作流程：進行寫操作時先要寫入命令字80H，通知K9F1208U0M要進行寫操作，然后順序寫入目的地地址和待寫入的數據。應該注意的是，地址只需寫入一次，便可以連續寫入多個字節數據。地址指針的調整是由K9F1208U0M內部邏輯控制的，不用外部干預。寫入操作是以頁為單位(1～528字節)進行的，即每次連續寫入能超過528個字節。這是由K9F1208U0M的工作方式決定的：寫入的數據先保存至Flash內部的頁寄存器(528字節)中，然后再寫入存儲單元。數據寫完之后還要給K9F1208U0M發出1個寫操作指令10H，通知其將頁寄存器中的數據寫入存儲單元，隨后就應該對狀態引腳進行查詢。如果該引腳為低，表明此次寫操作結束。最后的步驟是數據校驗，如果采用了ECC校驗模式，則此步驟可以省略。
使用ATmega16A控制器完成Flash驅動函數主要包括：讀ID；塊擦除；寫入一頁數據；壞塊檢測；讀取一頁數據。
另外，注意事項有：在以K9F1208U0M為數據存儲介質的系統設計中，需要注意無效塊的問題。無效塊即包含一個和多個無效數據位的塊。由于結構方面的原因，一塊(32頁)中有一個無效位也會導致整個塊無效。因此，系統必須在寫入數據時避開無效塊。出廠時，每片K9F12 08U0M的無效塊信息均保存在一個無效塊信息表中，可以根據該表中的原始無效塊信息識別無效塊的位置。在K9F1208U0M的使用過程中，應隨時對無效塊情況進行檢查和更新，以保證無效塊表內容的準確性。
3 微控器軟件程序設計
該ATmega16A軟件程序流程如圖8所示。
4 實驗結果
為檢驗該GPS接收系統的系統性能，選擇一空曠地域組織了若干次實驗，實驗內容是固定地點接收衛星信號。圖9是GPS接收系統實物圖和Flash數據讀取圖。
圖9中左邊是GPS接收系統的實物圖，右邊是通過該GPS接收系統采集回來的數據，然后經過Flash讀取而得到的信息。GPS衛星接收系統采集到的坐標是世界大地坐標系(WGS-84)坐標。輸出的數據格式為：“時間+維度+經度+星數+高度”，接收回來的數據充分顯示系統穩定度很高。
結語
本文設計了一種基于ATmega16A的GPS接收系統。該系統具有數據存儲、無線傳輸、定位精度高等特點。實驗數據顯示系統穩定度很高，易于推廣普及，可用于普通民用地理定位領域，具有較高的實用價值。
作者：趙櫸云 張波濤 胡寧博 楊薇 來源：單片機與嵌入式系統