便携式地理信息采集仪的设计
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引言
随着数字化社会的快速发展，地理位置信息的采集分析越来越重要，如何使数据的采集分析更加简便易行，是每个地理信息研究机构最关心的问题。地理位置信息数据的采集是地理分析研究机构的分析研究基础，但是以往的数据只限于人工采集，采集记录的数据与实际数据之间存在较大的误差，对数据的应用以及地理环境的分析等都会造成了很大的影响。便携式地理信息采集仪可以方便快捷地采集相应位置的地理信息，并且可以全天候工作，真实可靠地记录数据，从而可以避免人为误差。
地理信息采集仪的功能
为了真实有效的采集记录采样点的地理位置的信息，以便地理信息研究机构对采集数据的正确分析，便携式地理信息采集仪的功能如下：
1）信息采集功能
对需要测控采集的采样点的地理信息（如经度、维度、海拔等）能进行准确无误的采集。
2）数据存储功能
每个地理位置采集点的地理信息一对一记录保存，以便工作人员分析各采集点的地理位置信息。
3）数据传输功能
地理信息采集仪可以将各个位置采集点的采集到的数据通过RS232传输给上位机。
系统硬件设计
系统以单片机MSP430F149为核心控制器[1]，集成GPS模块、LCD显示模块、串行存储器模块、RS232接口模块和电源管理模块。系统框图见图1。
图1 系统框图
Fig.1 System diagram
2.1 单片机单元
系统采用TI公司的MSP430F149单片机作为核心控制器[2]，此款单片机具有16位的CPU集成寄存器和常数发生器，可使单片机实现最大化的代码效率；集成JTAG，支持在线编程；两个通用全双工串行同步/异步通信接口；6个8位I/O口；外部中断输入接口。单片机串口0负责接收GPS模块输出的数据信息，分析并且提取接收到的有效地理信息数据，一方面送到LCD显示模块显示，同时进行数据存储，并且可以将存储的数据传输给计算机。
2.2 GPS模块
2.2.1 GPS概述
GPS（Global Positioning System）是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。它是目前世界上精度高的一种导航系统，已被广泛用于军事、经济、地理信息测控及其他领域。GPS定位系统由以下三个部分组成：
（1）GPS卫星星座（空间部分）：24颗卫星（其中三颗备用），分布在6个轨道平面上，每个轨道面均匀布设4颗卫星，从而保障了地球上任何地点和时刻都能观察到4颗卫星。它能发射L1和L2波段的信号。
（2）地面监控系统（地面控制部分）：中央控制系统，跟踪卫星定轨，用来监测卫星的状态，对卫星轨道信息进行修正。
（3）GPS信号接收机（用户设备部分）：接收设备，主要由天线、电源、数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。其基本结构是天线单元和接收单元，天线单元主要作用是捕获、跟踪卫星，接收GPS卫星发射的信号。接收单元主要作用是记录GPS信号，对信号进行滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，以获得有用的定位信息。
2.2.2 GPS模块介绍
GPS采用GS-87模块[3]，它是一个高效能、低功耗的智能型卫星接收模块或称作卫星接收引擎，它采用美国瑟孚SiRF star III公司所设计的第三代卫星定位接收芯片，是一个完整的卫星定位接收器具备全方位功能。其系统结构如图2，GPS Antenna（GPS天线）接收卫星信号，将微弱的电磁波能转化为相应电流。电流经过LNA（低噪音放大器）被放大，在通过filter 滤波器将其变频处理，送入SIRF StarIII(由GRF3W和GSP3组成)进行处理，将处理后的信号通过串口与单片机进行连接。用户通过对单片机的软件编程控制，将GPS接收到的信息进行处理，提取出对用户有用的信息。
2.2.3 GPS模块接口电路的设计
GS-87模块共有6个引脚，它与单片机主要进行串口通信，故它们之间连接时可通过GS-87的数据接收引脚RXA与数据发送引脚TXA分别与单片机的串口UART0（TXD0和RXD0）相连。GS-87的TXA引脚为串行数据输出端口A，是主要的数据传输通道，用于输出导航和测量的数据；RXA为串行数据接收端口A，是主要的接收通道，用于接收来自单片机的控制命令；VCC外接+3.3~5.5的电源输入端口，为保证模块工作时不受外界电磁噪声的干扰，在电源端VCC与地端GND之间安装旁路电容，旁路电容C19主要用来去除高频电磁脉冲，电解电容C33主要用来去除低频干扰以及储存电荷功能；RXB为辅助串行数据接收端口B，用于差分定位；Time Mark默认为从GS-87提供1脉冲每秒输出信号，用于同步一微秒的时间。在车载终端系统设计中只需用到VCC、RXA、TXA、GND即可满足功能要求。GPS模块电路连接图如图3所示：
图3 GS-87电路连接原理图
Fig. 3 GS-87 Connection diagram
2.3 LCD显示模块电路设计
车载终端设备采用的显示器为HG12864液晶模块，它有串行和并行两种接法，本设计中采用并行接口与单片机的P6口相连。如图4所示为它的并行连接时序图
图4 LCD时序图
Fig.4 LCD sequence diagram
它与单片机的具体连线图如图5所示：
图5 LCD与MSP430F149的连接原理图
Fig. 5 Connection diagram between LCD and MSP430F149
单片机P6数据输入输出接口连接HG12864的数据端DB0～DB7，RS引脚为指令/数据选择信号端口，RS为高电平时单片机向LCD写入数据，RS为低电平时单片机向LCD写入指令；R/W引脚为LCD的读写选择信号端口，R/W高电平时单片机读出LCD端口数据，R/W低电平时单片机向LCD端口写入数据；E引脚为LCD模块的使能信号，高电平有效。分别通过单片机的P5.5、P5.6、P5.7引脚进行控制。
系统软件设计
3.1 主程序功能
主程序负责初始化、开中断、分析解析GPS数据、数据显示指导系统进入各种相应的工作状态。主程序流程图见图6a。
图6 程序流程图
Fig.6 Program Flow Diagram
3.1 GPS数据接收程序设计
车载终端的设计需要从GPS定位信息中提取出有用的信息并且显示出来，所以也需要了解各种NMEA数据的含义。下面仅列出GPS固定数据输出语句（GPGGA）输出范例，各数据代表的意义如表1所示。输出范例：
|
名 称 |
实 例 |
单 位 |
叙 述 |
|
信息代号 |
$GPGGA |
|
GGA数据 |
|
格林尼治时间 |
025812.487 |
|
时时分分秒秒.秒秒秒 |
|
纬度 |
3752.5236 |
|
度度分分.分分 |
|
北半球或南半球指示器 |
N |
|
北半球（N）或南半球（S） |
|
经度 |
11229.1768 |
|
度度度分分.分分 |
|
东半球或西半球指示器 |
E |
|
东（E）半球或西（W）半球 |
|
GPS状态 |
1 |
|
1=非差分定位 |
|
使用卫星数 |
07 |
|
|
|
水平精度因子 |
1.0 |
|
|
|
海拔高度 |
830.0 |
m |
（-9999.9~99999.9） |
While ((IFG1 & URXIFG0) == 1);
{ UART0_RX_BUF[num++]=RXBUF0;
if (UART0_RX_BUF[0]!='$') num=0;
if(num==5)
{ if (UART0_RX_BUF[2]!='P') num=0;
if (UART0_RX_BUF[3]!='G') num=0;
if (UART0_RX_BUF[4]!='G') num=0;
}
if (num==90)
{ for (i=70;i<90;i++)
{ if (UART0_RX_BUF[i]!='*') num=0;
else k=i; }
}
}
}
3.3显示程序设计
信息采集仪具有实时数据显示功能，可以将采集到的地理信息显示出来，工作人员可以更直观的掌握地理信息数据。单片机接收到GPS数据并且解析完成后，将需要显示的信息（经纬度、海拔等）存储到显示缓冲器内，以便显示时调用。本设计采用定时器中断方式进行数据显示，当定时器溢出中断时，进入数据显示程序，显示程序调用显示缓冲器内数据，通过P6端口送到LCD显示模块进行显示。显示程序流程图如图6b：
结论
地理信息分析研究一门发展迅速的学科，是气候变化，地理地貌的研究的基础，其应用涉及到民用、军用各个行业，所以信息的采集精确程度一直备受各方面关注。便携式地理信息采集仪硬件以及软件均采用模块化设计，易于升级与维护。经过实际运行，采集数据准确可靠，为地理信息研究部门提供了第一手资料。避免了以往人工记录存在较大误差的缺点，该系统具有良好的推广价值和应用前景。
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