贾鑫
摘 要： 针对GPS数据收集庞杂，数据处理繁复且不精准的问题，提出通过采用MSP430F149型号单片机，并且以PL2302芯片模块设置虚拟串口，完成基于GPS的计算机数据采集处理系统设计。以GPS为基础，通过计算机进行进一步的数据采集，系统克服了以往GPS系统数据处理慢、分析不够准确的特点，同时进行了相应的实验研究，证明通过该计算机系统进行的GPS数据信息处理更为精确迅捷，能够广泛应用于对GPS定位系统数据分析精准度要求较高的产品以及企业当中，对具体的生活生产具有实际意义。
关键词： GPS导航系统; 计算机信息处理; MSP430F149单片机; 数据采集; 硬件设计; 虚拟串口
中图分类号： TN967?34; TN915.04 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）21?0147?04
Design of computer data acquisition and processing system based on GPS
JIA Xin
（Changzhi University， Changzhi 046000， China）
Abstract： In view of the complicated and inaccurate GPS （global positioning system） data collection and data processing， a GPS based computer data acquisition and processing system is designed by using SCM MSP430F149 and setting the virtual serial port with chip module PL2302. On the basis of GPS， the data acquisition system designed with the computer system overcomes the deficiencies of slow data processing and inaccurate analysis of the previous GPS system. At the same time， corresponding experiments were conducted. The experimental results show that the GPS data information processing by using the computer system is more accurate and faster， can be widely used in products and enterprises that require high accuracy in GPS positioning system data analysis. Therefore， the design has practical significance to life and production.
Keywords： GPS navigation system; computer information processing; SCM MSP430F149; data acquisition; hardware design; virtual serial port
0 引 言
GPS（Global Positionging System）系统是一种通过空中卫星进行无线电式高精度化的全球性定位系统。GPS定位系统的特点是其能够进行全方位、全天候、高精度的工作，工作性能不受天气影响。由于上述优点，GPS定位系统普遍应用于遥感、导航、定位以及测距等各种领域。在科学技术不断发展进步的过程当中，人们对GPS也有了更高的要求和期许。怎样对GPS进行相应的优化，使GPS可进行更为复杂、精确的地形测量，并且对通过GPS收集的数据进行有效分析，成为具有极大研究意义的课题。通过嵌入式系统进行GPS相应的数据采集和地形测量工作，以MSP430F149单片机以及计算机为硬件基础，同时进行相应人机交互界面的设计，对相关地理信息进行详细显示，以实现更好的计算机数据信息采集。
1 系统总述
1.1 整体系统介绍
设计采用德州仪器（TI）生产的MSP430系列的单片机，其具体型号为MSP430F149。该单片机具有功耗超低且硬件兼容性突出的优点。在系统具体设计当中，GPS对应的接收模块负责接收相应的定位信息。信息接收完毕之后，相关的信息数据向单片机当中传送。单片机接收数据，并对相应的数据信息进行分析和处理，而后在外接液晶屏上显示相关信息，如海拔高度、经度、纬度以及时间等。同时，单片机的解析数据通过外部串口转接至USB，与计算机进行连接并完成传送。计算机将单片机收到的数据信息进行处理得到相应的高斯平面坐标。计算机处理完成后，将相应的高斯平面坐标、海拔高度以及经纬度进行显示，方便用户进行分析和处理。系统的整体流程图如图1所示。
1.2 GPS简述及其工作原理
全球定位系统（GPS）主要由用户部分、地面部分以及监控部分三个部分组成。其中，空间部分主要为GPS卫星，通常GPS卫星按照工作分工不同可以分为工作卫星以及试验卫星两大类。工作卫星能够进行相互间的通信，同时具备进行AS以及SA的能力。试验卫星是为了进行对应的实验论证，为卫星系统能够做出进一步的改进而发射的卫星。地面部分也是GPS卫星的控制部分，按其职能种类不同可以分为主控站、注入站以及监测站三种类型。主控站负责对地面监控系统的协调以及相关数据资料的分析，同时负责卫星轨道调整;注入站负责将主控站发出的指令通过天线发射到卫星;监测站负责GPS卫星信号的监测。用户部分主要由四部分组成，包括微处理机、GPS接收机、用于数据处理的软硬件以及相应的终端设备。
用户通过其终端设备进行GPS信号的接收，同时按设备通过其软硬件进行信号信息处理，以一定的精确度获取用户当前所在位置以及用户移动速度，实现通过GPS为其导航的功能。利用GPS进行定位，其基本原理是依据卫星在高速运动时的瞬间位置为参考数据而计算的。对于用户待测位置的确定，依据空间后方交汇的方式进行计算。空间后方交汇的方式通过3个以上非同一直线上的卫星点进行共线方程的计算，以确定对应待测点方位，其示意图如图2所示。
在图2当中，地面用户所持中断的待测点设为[O（x，y，z）]，4个非同一直线的卫星点a，b，c，d的坐标分别为[xa，ya，za，xb，yb，zb，xc，yc，zc，xd，yd，zd]，设接收机收到GPS信号的时间为[Δt]，同时借助卫星对应的两行轨道数据，不难得出以下方程式组：
[（xa-x）2+（ya-y）2+（za-z）2+c（vta-vt0）=da] （1）
[（xb-x）2+（yb-y）2+（zb-z）2+c（vtb-vt0）=db] （2）
[（xc-x）2+（yc-y）2+（zc-z）2+c（vtc-vt0）=dc] （3）
[（xd-x）2+（yd-y）2+（zd-z）2+c（vtd-vt0）=dd] （4）
式中：[da]，[db]，[dc]，[dd]分别表示卫星a、卫星b、卫星c、卫星d与接收机的空间距离，且：
[da=cΔta] （5）
[db=cΔtb] （6）
[dc=cΔtc] （7）
[dd=cΔtd] （8）
式中：[Δta，Δtb，Δtc，Δtd]分别表示接收机收到卫星a、卫星b、卫星c、卫星d所需要的时间;[vta，vtb，vtc，vtd]以及[vt0]分别表示卫星a、卫星b、卫星c、卫星d以及接收机所对应的钟差，通过两行轨道数据获得;c表示光速，也即GPS的信号传播速度。由以上方程组可以得出用户待测点对应的坐标以及终端接收机对应的钟差[vt0]。
1.3 NMEA 0183协议简述
NMEA 0183协议是针对GPS全球卫星定位系统的一种标准RTCM协议，此协议对电子信号传输数据所需时间、传输过程的传输协议做出规范。其数据帧格式有以下几种：RMC（最简特性）、LCGLL（对应的地理信息当中含有LORAN ID）、PGRMT（状态信息）、VTG（VTG速度对应的方向正北）、UTC（时间输出）、PGRMV（对应的3D定位信息）、GGA（对应的位置信息）、GSA（对应的卫星活动以及GPS DOP）、LCVTG（对应的速度及轨道信息当中含有LORAN ID）、GSV（GPS卫星当前所处的状态）。
在GPS全球卫星定位系统当中，将NMEA 0183协议作为特定的通信协议，同时对其串行口对应的通信参数做出以下要求：停止位应为1位，波特率应为4 800，没有奇偶校验位，且数据位应为8位。当GPS终端接收机开始工作时，GPS卫星将对应的定位导航数据传送到GPS终端接收机，接收机接收数据后经由串口将其传送到相关的计算机当中。这些传送信息是不能直接使用的，需要对其进行分类并做出相关处理之后才能得到相应的信息。具体上，首先应当借助电脑程序对缓存字节流当中各个字段的信息进行提取，而后将所提取的信息转化为可供使用的具有实际意义的导航定位数据。在对GPS做出信息数据的提取之前，首先应当明确对应的帧结构，而后以帧结构为依据提取出对应的定位信息。
在相应帧数据的确定上，通过ASCII码“$”进行判断，而后通过终端机接收字符进行信息类型的甄别与判断。在进行相应的甄别之后，得到对应的定位信息和相关数据。设计中对以下数据信息包括海拔高度、经度、纬度以及时间进行分析处理，针对GPGGA以及GPRMC两种情况。
2 GPS计算机数据采集系统硬件设计
2.1 GPS模块电路以及MSP430F149单片机
GPS模块电路采用NEO?5Q型号芯片作为主芯片。NEO?5Q芯片是由瑞士的u?blox公司生产的一款芯片模组，芯片是具有独立性、多功能化的一种GPS模组。该芯片以ROM作为其基本架构，具备体积小、成本低等优点，同时由于其使用u?blox公司最新的相关技术，也即KickStart微弱信号攫取。因此无论是何种天线尺寸、天线位置，都能够最大程度地保证最优的初始定位功能，且能够做出相应的快速卫星定位处理。NEO?5Q芯片具有超过100万个相关引擎，同时能够接收50个相关通道卫星的数据信息，能够对Galileo卫星导航系统以及GPS卫星导航系统进行同步追踪。NEO?5Q芯片的外部接口较多，其中包括[I2C]，USB，UART以及SPI等各种接口，因此，在与ARM以及MSP430F149单片机等微型控制器的连接当中可以实现无缝对接，电路相对简单。
MSP430F149单片机是由TI推出的新型单片机，其带有FLASH且包含16位总线。MSP430F149单片机集成度高且极具性价比，是进行GPS计算机数据采集系统设计的合适选择。由于其包含16位总线，同时内存与外设能够进行统一的编址工作，因此寻址范围能够达到64 KB。MSP430F149单片机可以进行两个储存器位的外扩展，能够实现中断管理的统一化，且单片机的外围模块十分丰富。片内包含一个看门狗（watchdog）定时器，16位的定时器有2个，1个12位14路的模数转换器（ADC），精密的硬件乘法器，P口有6个，USART的通信端口有2路，比较器有1个，DOC内部振荡器有1个，外部时钟有1个，同时能够对8 MHz的时钟进行支持。由于其带有FLASH，因此单片机能够执行在线下载以及调试，并且不需要借助其他仿真工具，JTAG口能够直接与场效应晶体管（FET）进行连接，相对其他型号单片机更为方便实用。同时，单片机具有超低功耗的工作模式，能在最大程度上减少对人体以及工作环境的辐射，具有极强的抗电干扰性，具有工业化运行的普适性。
在设计当中，通过MSP430F149单片机对GPS模块当中的导航定位信息数据进行提取和分析。通过串行接口进行相关信息的采集，信息采集后进行所需信息的选取。设计中需要采集的信息主要包括海拔高度、经度、纬度以及时间信息。NEO?5Q芯片模块与单片机的硬件电路如图3所示。
2.2 串行口到USB接口的转换电路
在MSP430F149单片机上对卫星导航信息进行采集、解析以及选取过后，最终选定的信息一部分传送到计算机中进行显示，另一部分在屏显成本较低的12864液晶屏当中进行显示。由于当下多数计算机没有与之对应的串口，因此选择通过设计虚拟串口的方式进行信息数据的传输。具体上，采用PL2302对USB接口进行对应的串口虚拟工作，PL2302对于USB 1.1协议完全遵从，能够实现标准的RS 232串行口与USB接口之间的相互转换。同时，PL2302芯片具备相对较快的信息数据传输速度，能够使信息数据的传输效率得到大幅提升。串行口到USB接口之间的转换电路图如图4所示。
3 GPS计算机数据采集处理系统软件设计
3.1 GPS计算机数据采集处理系统简述
GPS计算机数据采集处理系统在能够对其采集的数据信息进行分析解析的同时，也能够识别HDOP以及PDOP等各种误差。同时，系统能够评估卫星信号对应的强弱状态，从而实现实时监控卫星实际运行状况的功能。GPS数据采集处理系统输出NEMA 0183协议的数据类型。其实现的具体过程可以表述如下：首先应当通过计算机串口（或通过PL2302芯片转换的虚拟串口）进行已采集导航定位数据采集文件的接收。在数据文件完成接收之后，GPS数据采集处理系统对接收的数据文件进行相应的信息读取，并且对已读信息进行分析与筛选，然后将选取的信息文件传输到对应的显示屏，用户能够通过显示屏进行相应导航定位信息的读取和使用。GPS计算机数据采集处理信息的流程图如图5所示。
3.2 系统相关细节分析
GPS终端接收机主要负责将GPS卫星收集传送到终端的信息做出处理与加工，并将对应的处理结果传送到计算机。其具体的数据传输过程需要对应的串行口实现，同时GPS终端接收机的数据传送也需要相关的串行口完成。但是在GPS终端接收机当中借助串行口传输数据时，信息数据还没有进行进一步的加工处理，数据仍然是字节流的表现形式。通过串行口进行数据储存时，数据信息储存在特定的位置，但是此时无法对数据信息进行读取。因此在进行GPS终端接收机向计算机传送导航定位信息数据时，需要先对信息数据加工处理，待信息解析后可被读取时才能够向计算机传输信息数据。与此同时，对信息数据进行相应的甄别和筛选，在计算机当中呈现相应所需信息数据。在GPS数据处理信息系统当中，还应当注意在串行口执行数据提取时，要保证数据相匹配，从而保障信息的有效提取，以及高效性和准确性。
3.3 GPS计算机数据采集处理系统的实现
设计完成的GPS计算机数据采集处理系统对于MSP430F149单片机与计算机之间的传输方式主要采用通过PL2302芯片转换完成后的虚拟串口进行传输。系统将MSP430F149单片机当中收集到的海拔高度、经度、纬度以及时间信息通过虚拟串口传输到计算机当中。计算机在收到信息之后，将其所得经度、纬度的参数值进行转换，得到用户待测点所在位置的高斯平面坐标。然后将数据信息传送到对应的数据处理软件，软件需要设定相应的采样速率，并且对数据做出解析，显示原始数据与相应的转换结果。同时，软件还应当将所得数据进行打包储存，通常储存的文件格式为txt文本格式的文件。系统采用的用户界面为标准化的图形界面，同时显示相应的联机帮助选项。界面进行汉化处理，做直观简单的数据显示，并给出相应的操作按钮，方便用户操作。功能模块之间具备管理与配置的灵活性，能够完成查询相应的历史记录、信息数据的实时监控、信息结果的显示与打印等功能。系统可以进行相关的采样速率设置、端口的选择以及周期性的数据分析功能。
4 GPS数据系统运行及结果分析
关于GPS计算机数据采集处理系统实验主要通过虚拟数值输入的方式进行。通过向单片机发送虚拟GPS空间卫星数值，验证系统的可行性与精确性，其运行后的用户界面如图6所示。
运行结果表明，系统能够准确分析GPS空间卫星传输的数据，并进行准确的数值显示和相应结果实现。
5 结 语
本文通过对基于GPS的计算机信息处理系统的研究设计，实现了通过GPS的地面测量定位以及信息整合的功能，进一步提高了GPS定位的准确性、高效性以及普适性。研究主要对GPS导航定位做出进一步的优化，以保证能够获得更加直观、快捷、实时的定位导航信息。
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