基于STM8的低成本GPS数据帧解析与定位系统设计_杨栩生.pdf

电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 31Electronics 电子学观测数据能够获得GPS的瞬时坐标（X,Y,Z）,如式（1）所示。d=(X-x)2+(Y-y)2+(Z-z)21/2（1）只要获得3颗卫星数据代入公式即可算出用户位置坐标（x,y,z）。UM220-III是针对车辆监控/导航、手持设备、电信/电力授时、气球探空等应用领域推出的北斗/GPS双系统模块，具有完全国产化、集成度高、功耗低等特点，UM220-III模块采用GNSS多系统融合及卡尔曼滤波等优化算法，具有在各种复杂环境下保持出色的捕获跟踪能力和可靠的连续定位结果，定位精度2.5m。定位模式可采用单系统独立定位和多系统联合定位，本设计采用单系统独立定位方式。GPS数据帧格式采用NMEA-0183协议，目前GPS接收设备都遵循此标准，该协议定义了串口数据总线上传输的电信号需求、数据传输协议、时间，以及详细的句型格式。系统结构及原理如图1所示。2 系统硬件设计本系统主要由北斗/GPS芯片和天线构成定位数据帧采集模块、STM8单片机控制模块、LCD显示模0 引言随着GPS定位技术的不断发展，应用遍及国民经济各种部门，越来越多的GPS接收机应运而生，UM220-III支持北斗/GPS、较高的集成度、出色的定位授时功能，高灵敏度设计。本文设计的GPS定位系统是采用UM220-IIIGPS接收机模块，通过STM8S微控制器对GPS数据帧进行解析，提取有价值的位置信息及GPS信号质量参数。该系统具有功能强大，设计简单，成本低廉、有效定位等特点。1 系统工作原理全球定位系统（Global Positioning System，GPS）主要由空间段（空间卫星）、控制段（地面监控系统）和用户段（用户设备）三部分构成。用户通过比较接收到的卫星发射信号及本地参照信号，测量传输时间t，t正比于卫星和用户间的距离d，即d=ct。GPS通过一颗卫星只能测得一个距离参数，无法获得准确的位置信息，所以为了获得位置信息，观测卫星数需要至少3颗才能确定三维坐标，计算位置信息。假设用户位置坐标（x,y,z）,卫星与用户的距离为d，通过接收到的作者简介：杨栩生，云南国防工业职业技术学院机电工程学院，高校讲师；研究方向：电气自动化。收稿日期：2022-11-25；修回日期：2023-04-12。摘要：阐述以 GPS/北斗定位芯片UM220-III 和 STM8单片机为核心，设计出一种低成本GPS定位系统，实现对GPS数据帧解析，通过外场观测点的位置信息测试验证发现，该系统的定位精度较高，具有较强的灵活性和实用性。关键词：单片机，定位系统，STM8S，GPS，定位，UM220-III，数据帧解析。中图分类号：TP311-52文章编号：1000-0755(2023)04-0031-03文献引用格式：杨栩生.基于STM8的低成本GPS数据帧解析与定位系统设计J.电子技术,2023,52(04):31-33.基于STM8的低成本GPS数据帧解析与定位系统设计杨栩生（云南国防工业职业技术学院 机电工程学院，云南 650504）Abstract This paper expounds the design of a low-cost GPS positioning system based on the GPS/Beidou positioning chip UM220-III and STM8 microcontroller,which can analyze GPS data frames.Through testing and verifying the position information of observation points in the field,it is found that the system has high positioning accuracy,strong flexibility,and practicality.Index Terms microcontroller,positioning system,STM8S,GPS,positioning,UM220-III,data frame analysis.Design of Low-cost GPS Data Frame Analysis and Positioning System Based on STM8YANG Xusheng(School of Mechanical and Electrical Engineering,Yunnan National Defense Industry Vocational and Technical College,Yunnan 650504,China.)32 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学图2 定位数据帧采集模块 块、电源电路几部分构成。2.1 定位数据帧采集模块图2中，定位数据帧采集模块由接收芯片和天线构成。使用MAX2659射频低噪声放大器对接收信号进行增强，使用TA0757进行滤波，消除部分噪声，提高输入端信噪比。处理后的信号通过RF_IN引脚送入UM220-III进行检波后解析定位数据，通过串口发送给STM8单片机。2.2 STM8控制模块系统采用STM8单片机有效控制成本，图3中，STM8控制模块具有高达20MIPS的处理速度，每个I/O引脚都具有外部中断能力，可提供独立的中断标志。系统具有SWIM调试接口、复位电路、时钟电路，提供I2C、SPI、UART等多种串口通讯接口等丰富的外设资源，方便快速实现系统功能。2.3 显示模块图3中，采用LCM12864液晶模块，具有显示汉字及字符功能，价格低廉，开发方便等优点，实现观测数据作用。3 系统软件设计系统软件核心主要完成北斗/GPS定位模块的输出数据帧解析，输出帧格式为NMEA-0183协议标准，支持连续输出$GNGGA、$GPGSA、$GPRMC等多种数据帧结构，可根据需求设置单个或多个不同数据帧输出。每种携带信息有所不同，本系统主要解析$GPGSA数据帧。$GPRMC语句包括12个字段，包含：定位时间，定位状态，纬度，纬度区分，经度，经度区分等信息，分别用逗号进行分隔，通过检测逗号确定信息内容。图5所示为接收数据程序流程图。图1 系统结构及原理图 图3 STM8 控制模块 图4 显示模块电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 33Electronics 电子学4 系统测试为了测试所设计系统的有效性和定位精度，在外场进行了实际的测试验证，测试了12组观测数据，每组测量2个位置点，比对了两个测量点之间的定位距离与实测距离，两个距离的误差大小决定定位精度高低。4.1 测试数据测试数据如表1和表2所示。从表1和表2中可知，实测距离与定位距离的误差均在一定小距离范围内，表明系统有效且定位精度较高，系统实用性较强，关键是硬件系统构成成本低廉。4.2 数据帧解析依据实测距离实验原始数据，经程序解析后显示结果如图6所示。5 结语本文介绍的基于STM8S的GPS定位系统具有硬件电路简单、价格低廉，使用UM220-III高精度GPS接收模块，可获取精确的时间和位置信息，本系统通过数据解析实现了获取GPS三维坐标信息、信号质量等关键性信息，后可利用获取的相关基础信息通过多种滤波算法提高定位精度。参考文献1 许国昌，许艳.GPS理论算法及应用M.北京：科学出版社，2019.2 张建鹏.基于GPS/北斗的移动定位系统的研究与设计D.黑龙江：东北石油大学,2021.3 骆云龙.差分GPS相对定位的研究与实现D.湖南：湖南大学,2019.4 张卓彤,郑娇娇,王婷.基于GPS姿态测量及激光测距的直接空对地定位系统设计J.激光杂志,2021,42(11):65-69.5 苏日古格,于新海,国芳,王睿聪.基于STM32单片机的北斗/GPS双模定位系统设计及测试J.信息与电脑(理论版),2021,33(01):123-125.6 刘霞,孙煦骄.基于GPS的脉冲激光主动式定位系统J.激光杂志,2020,41(11):175-178.7 魏宏博.卫星导航信号干扰系统的研究D.陕西：西安电子科技大学,2020.表1 数据帧解析-1表2 数据帧解析-2图5 接收数据程序流程图图6 实验板数据