自己动手打造最低成本GPS

我叫麦兜

高科技

狼来了

<p>楼主学通信的还是电气?</p>
<p></p>

紫电清霜

<p>我是学自动化的在校生，从小爱好动手，做这个东东就是好玩，也从侧面证实以下GPS的低成本实现的可能性。 <br />
<br />
成品早做好了，这玩意儿硬件简单，软件复杂。</p>
<p>选用元器件</p>
<p><a href="/User/2007/06/16/200706161720348537bd934a5b45e0baf69e8cacc085b3500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/200706161720348537bd934a5b45e0baf69e8cacc085b3500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>动手打造了<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/16/20070616172035d632b26cfdd345818be91c8863c756ee500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/20070616172035d632b26cfdd345818be91c8863c756ee500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>接收模块<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/16/200706161720353b4e8a0002704e86af5abd6f0d15f0ec500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/200706161720353b4e8a0002704e86af5abd6f0d15f0ec500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>电平转换模块<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/16/20070616172035e4026b5ffa7142389ec2a69f5538087d500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/20070616172035e4026b5ffa7142389ec2a69f5538087d500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>观测调试中<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/16/200706161720369edb34d1f91c4a8998c85149dbec2a94500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/200706161720369edb34d1f91c4a8998c85149dbec2a94500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>地理数据<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/16/200706161722190285525259dc4b468e65cb02eeafeaf1500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/200706161722190285525259dc4b468e65cb02eeafeaf1500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>开机的瞬间（正面）<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/16/20070616172220307058671e314832b201279a2056d52b500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/20070616172220307058671e314832b201279a2056d52b500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>内部结构<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/16/2007061617233263187a4cd99f41c8bd4a6aad700d011c500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/2007061617233263187a4cd99f41c8bd4a6aad700d011c500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>两个重要接口和电源开关（俯视）<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/16/200706161723322d250e6973af4b13a64ad3aa4489fe0a500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/200706161723322d250e6973af4b13a64ad3aa4489fe0a500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>这是取得成功的时刻。</p>
<p><a href="/User/2007/06/16/20070616173142b991ff052123465694ae03667ecded05500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/20070616173142b991ff052123465694ae03667ecded05500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a><br />
<br />
整个设计制作调试的过程也同时是学习的过程，酸甜苦辣都有，完成了便苦尽甘来，恍若驴行。<br />
现在开始详细讲讲。<br />
为了做这个，我拆解了麦哲伦的GPS2000。这是19XX年代美军所用的机机，可以作为入门学习用。</p>
<p><a href="/User/2007/06/16/2007061617132694066251083e4e4685a68bd5f0b542b0500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/16/2007061617132694066251083e4e4685a68bd5f0b542b0500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>很多图不在这里，待续。<br />
<br />
<br />
</p>

紫电清霜

<p>由于机机做了防水设计，拆解非常困难。</p>
<p><a href="/User/2007/06/17/20070617100852c0f555ab293644fb9e3917a2c37e397b500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/20070617100852c0f555ab293644fb9e3917a2c37e397b500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>其实这显示终端是很便宜的。<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/17/2007061710085317b488c2ac3b40f996e5e80e0db4fd41500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/2007061710085317b488c2ac3b40f996e5e80e0db4fd41500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>为了提高可靠性，材料和做工都比较考究。<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/17/200706171008533675ee6962c34ef9b8aaada1aaafd2c7500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/200706171008533675ee6962c34ef9b8aaada1aaafd2c7500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a><br />
<br />
<a href="/User/2007/06/17/2007061710085359eaf110b49349c6b366a0547a22383a500x0.jpg" target="_blank"></a>增加刚性的支撑构架。<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/17/200706171008544cc7cb51842f466ab7d8ae984961292c500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/200706171008544cc7cb51842f466ab7d8ae984961292c500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>左边是操作键盘，中间是防水胶圈，右边是显示面板。<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/17/20070617100948f00940d2c68845e497963aa7a59c57a7500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/20070617100948f00940d2c68845e497963aa7a59c57a7500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>左边的就是接收模块。<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/17/20070617100948bc2416b505fa44b58cf0945b0fe6834e500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/20070617100948bc2416b505fa44b58cf0945b0fe6834e500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>另一面。<br />
<br />
<a href="/User/2007/06/17/200706171009495410acf9dbec47b6a7f171846fd83720500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/200706171009495410acf9dbec47b6a7f171846fd83720500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a></p>
<p>通过拆解分析，麦哲伦这款GPS除接收模块外，核心部分并不很复杂，受当时电子器件水平限制，电路设计只得如此繁复。</p>
<p>这款机机现在市场上二手价在650元左右。稍好一点的动辄2000&mdash;&mdash;7000元，流流口水而已。</p>
<p><a href="/User/2007/06/17/200706171028002ff8b4e48e6043da80268c431ee50ba3500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/200706171028002ff8b4e48e6043da80268c431ee50ba3500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a><br />
<br />
我一个穷学生，还是自己动手吧。</p>
<p>我要做的就是花最少的银子、设计制作一个最小化的系统来实现GPS的主要功能。<br />
<br />
</p>

紫电清霜

<p>全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。 <br />
全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的 工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；(3)用户装置部分， 主要由GPS接收机和卫星天线组成。<a href="/User/2007/06/17/20070617105013fd3cd553bd494aa18148b096121bac0c500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/20070617105013fd3cd553bd494aa18148b096121bac0c500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a><br />
全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。 <br />
24颗GPS卫星在离地面2万公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。 <br />
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。 <br />
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。<br />
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。美国政府宣布2000年起，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米。为了达到更高的定位精度，往往还采用了差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。 <br />
GPS技术已经延伸到各个领域的方方面面，但是要完成以上所述的各种用途，最基本的就是要具备能够接收GPS信号并且能够调制输出的设备，而设备最基本的功能就是能显示当时所处地点的经纬度以及UTC标准时间。现在世面上已经有许多基于GPS接收模块所开发的产品，GPS手持机、车载GPS导航仪等等，虽然其功能强大，如车载GPS导航系统都带有大比例尺地图，但价格都比较昂贵，而且对于普通应用完全没有必要。</p>
<p>基于这种情况，完全可以针对普通用户使用GPS的切实需要，设计并制作出基于单片机采集与显示GPS定位信息的低成本手持GPS设备。 我设计制作的手持GPS设备硬件主要由GPS信号接收部分（SERF GS1100 GPS信号接收模块）、控制芯片（AT89S51单片机）、显示部分（1602LCM液晶显示模块）、电平转换电路（MAX232）构成。GPS接收模块将收到的GPS卫星导航电文调制解码，转换为标准格式后送到电平转换电路再由MAX232芯片进行RS-232&mdash;&mdash;TTL的电平转换，再送给单片机串口接收，当单片机收到GPS发送过来的导航电文后，经过片内程序的识别筛选，将筛选出来的导航电文送到显示模块，并且最后通过液晶显示器按照标准编排的格式显示。 <br />
<br />
<br />
<br />
</p>

紫电清霜

<p>首先是对GPS接收模块的研究 。<br />
GPS接收模块是接收机的关键模块，而且型号很多，功能各异，一般的组成结构主要由低噪声下变频器、并行信号通道、CPU、储存器等组成。 <br />
GPS接收模块的工作原理是它接收天线获取的卫星信号，进过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。在获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间之后，即可计算出天线位置。用户通过输入输出接口，采用异步异步串行通信方式与GPS接收模块进行信息交换。 </p>
<a href="/User/2007/06/17/2007061711001181c19ce73bc449acb1302c91ca303fb0500x0.jpg" target="_blank"></a>
<p><a href="/User/2007/06/17/2007061711003780f1839ad0b34ce8acfdbd3a2f40e434500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/2007061711003780f1839ad0b34ce8acfdbd3a2f40e434500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a><br />
<br />
其次是确定接收GPS定位信号方案。 <br />
要实现在液晶显示器上显示出接收到的GPS地理信息，首先要实现GPS信号的接收和调制。在接收GPS方案上我们可以有两种选择。 <br />
第一种方案是选择GPS接收芯片然后再根据芯片设计标准，设计外围电路和安装天线等，选择这个方案的优点是可以掌握到GPS接收部分的电路设计技术，但是这个方案的缺点也是显而易见的，首先实现的难度较大不容易成功，其次由于GPS接收芯片一般都是厂商直接供货，单独采购价格会很高。 <br />
第二种方案是选择成品的GPS接收模块，采用这个方案的优点是由于现阶段GPS接收模块的制造技术已经相当成熟，性能稳定并且使用非常方便，定位成功后直接就可以通过模块的串口输出GPS地理信息。当然其缺点就体现在，由于GPS接收模块已经由厂家完成了设计与封装，所以其核心技术我们就不得而知。不过对于我们也并不影响其应用。并且在经过大规模的商业化生产后价格已经很低，这些模块在市面上也能够非常容易的购买到。 <br />
从上面的分析可以知道， GPS接收模块就能够很好的作为本次设计接收GPS定位信号的解决方案，经过大规模工厂生产后价格已经很低，并且这些模块在市面上也能够非常容易的购买到。 </p>
<p>接下来，介绍一下我基于单片机的GPS硬件总体结构。 <br />
这个基于单片机的GPS硬件设计主要由GPS信号接收部分（SERF GS1100 GPS信号接收模块）、控制芯片（AT89S51单片机）、显示部分（1602LCM液晶显示模块）、电平转换电路（MAX232）这几部分构成。 </p>
<p><a href="/User/2007/06/17/20070617110508503701ffbd254128807fb4043b14b562500x0.jpg" target="_blank"><img src="/User/2007/06/17/20070617110508503701ffbd254128807fb4043b14b562500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></a><br />
<br />
稍微展开一下。</p>
<p>AT89S51微处理器是一个低电压，高性能CMOS 8 位单片机，片内含4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（Flash）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统，片内置通用8 位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89S51提供了高性价比的解决方案。AT89S51 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16 位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 </p>
<p><img src="/User/2007/06/17/200706171120494d0d2e8f7b6c4342bb7a6c151aa8f534500x0.jpg" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  border="0" alt="" /></p>
<p>SERF GS1100 GPS接收模块，该模块是由深圳市瑟孚电子有限公司所生产。模块具有12通道并行接收能力，所接收的GPS信号属于民用频段的L1信号（1575.42MHz），在没有SA干扰的情况下平均定位误差为10米，动态速度误差为0.1米/秒，信号灵敏度更是高达－153dBm，冷启动定位时间为50秒，热启动时间为35秒，重新定位时间仅仅需要8秒。 <br />
而在数据输出方面信号电平是采用的标准的RS－232电平，为应用的通用性提供了便利，其波特率为常用的9600，GPS数据输出格式为标准的NMEA0183V3.0标准，采集地理信息的更新速率为每秒一次，地图坐标系为WGS－84坐标系。 <br />
天线采用的是体积小、可靠性高、灵敏度高的微带天线，该天线与整个模块封装在防水的塑料外壳里，更进一步的提高了整个模块的可靠性。工作电压为5V保

pan-xh

厉害呀！有创意！

cqc

<img alt="" src="/oldbbs/editorFace/thumbsup.gif" /><img alt="" src="/oldbbs/editorFace/yes.gif" />

龙之泪

支持<img alt="" src="/oldbbs/editorFace/yes.gif" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  /><img alt="" src="/oldbbs/editorFace/cheers.gif" ="this.src='/oldbbs/err_photo.gif'" onload="javascript:if(this.width>550)this.width=550;"  />

pan-xh

<p>佩服！楼主能否介绍一下软件部分？</p>