ATmega16A低成本的GPS接收系统设计
在gps的行业应用中，数据接收系统是最基本的设备。目前，数据接收系统具有智能化和可扩展性不断增强的发展趋势，表现为内嵌的mcu性能越来越高，外围接口越来越丰富，但软硬件成本不断上升，减缓了gps接收系统平民化的趋势。综上所述，本文设计了一种基于单片机atmega16a的低成本、可存储、无线传输gps接收系统。实验证明，该系统稳定度高，可以满足各种工程测量以及勘察测量等民用要求。
1 gps接收系统结构及工作原理
gps接收系统实现本地gps信号读取、系统控制、数据接收、数据存储、数据读取和无线收发等功能。其系统结构框图如图1所示。
gps接收系统工作过程为：atmega16a利用gps模块获取其所在位置的经纬度等信息，并将该测试点处的数据通过usb接口传输到pc机中，通过上位机软件完成对数据的转化。此外，atmega16a带有片上flash，也可实现对接收数据的存储功能，以便进行离线处理。atmega16a通过控制无线收发模块，实现了对数据发送的功能。
2 gps接收系统硬件设计
gps接收系统主要由电源模块、gps模块、gps天线模块、控制模块、无线收发模块和数据存储模块等部分组成。
2.1 电源模块
电源模块是gps接收系统工作的重要组成部分，实现的是系统供电功能。在gps接收系统中，主要耗电的部分为无线收发模块，该模块工作在1 w接收功率时工作电流可达到700 ma，因此需要采用大电流的电源芯片，以保证系统供电需求。lm2576最大供电电流可达到3 a，完全满足系统大功率接收时对电流的要求。此外，系统中其他模块工作电压为3.3 v，采用reg1117(3.3 v)芯片为系统提供工作所需电压。电源模块设计原理图如图2所示。
2.2 gps模块
gps模块是影响系统测量精度的关键，该系统中gps采用sdt11e模块进行设计。该模块具有-158dbm的接收灵敏度，定位精度可达2.5 m。高接收灵敏度和定位精度可以有效保证该系统的适用范围。其原理图如图3所示。
2.3 gps天线模块
gps天线形式是多种多样的，可以是螺旋线圈天线、偶极子天线或是微带天线。通常会在天线的前端加入一个低噪声放大器，使得接收机内维持一个低的噪声系数，这时需要由接收机前端通过rf同轴电缆对放大器供电。需要注意的是，当使用gps接收机解算位置的时候，实际上是在估计天线的电子相位中心的位置，而电子相位中心与物理相位中心常常不在同一点。对于测量型gps接收机天线，电子和物理相位中心会有厘米级的差异。
系统采用的是sdt11e型gps接收机，它的天线单元如图4所示。它具有的功能是接收由卫星发射来的信号。
2.4 控制模块
该gps接收系统中，主要采用atmel公司的avr芯片atmega16a作为系统的控制器，控制器主要实现控制gps模块、控制无线收发模块、控制usb传输模块、处理接收的gps信号、从flash芯片中存取数据等功能。
由于gps模块、无线收发模块、usb模块均采用串行接口，控制器内部只带有一个串口功能，因此采用通用i/o口模拟串口通信方式完成对gps和收发模块的控制。同时设计了带接收中断功能的串口模块，以实现系统控制功能。本收发模块中对接收到的gps信号进行了简化处理，提取出了经纬度、高度及时间信息，增加了数据存储的有效信息量。i/o口模拟串口通信模块工作流程如图5所示。
2.5 无线收发模块
为提高该系统的定位精度，并有效降低系统功耗，本系统采用无线收发方式实现数据传输，无线收发模块设计原理图如图6所示。
该无线收发模块主要使用maxstream公司的9xtend模块，其主要特点是：与传统无线调制方式相比，在相同的发射功率的情况下采用扩频通信方式可以传输更远的距离。它是maxstream公司目前传输距离最长(视距传输距离为40 km)的低功耗oem rf模块。9xtend在5 v电压下，电流消耗只有780 ma，输出功率可达1 w(30 dbm)。该收发器的接收灵敏度达-110 dbm，可使用户在1.5英里、15英里视距和40英里(通过高增益天线)接收900 mhz信号，数据吞吐量为230 kbps，数据率可达115.2 kbps。通过对该模块的使用，有效地实现了对gps信号的接收。
2.6 数据存储模块
数据存储模块用flash芯片来存储该系统采集的gps位置信息，便于进行后期数据处理。该gps接收系统使用的flash芯片为k9f1208u0m，它是samsung公司生产的采用nand技术的大容量、高可靠flash存储器。图7是k9f1208u0m芯片与atmega16a的外围连接电路。
k9f1208u0m的接口控制方法：k9f1208u0m在应用时必须通过外部atmega16a来控制其内容的读写。k9f1208u0m的数据总线与atmega16a的数据口pa口相连，用atmega16a的地址高位引脚pb6作为k9f1208u0m的片选信号(cs);pb5接k9f1208u0m的命令数据选择端(cme)/data)，而pb4接k9f1208u0m的地址锁存允许端(ale)。
读写操作流程：进行写操作时先要写入命令字80h，通知k9f1208u0m要进行写操作，然后顺序写入目的地地址和待写入的数据。应该注意的是，地址只需写入一次，便可以连续写入多个字节数据。地址指针的调整是由k9f1208u0m内部逻辑控制的，不用外部干预。写入操作是以页为单位(1～528字节)进行的，即每次连续写入能超过528个字节。这是由k9f1208u0m的工作方式决定的：写入的数据先保存至flash内部的页寄存器(528字节)中，然后再写入存储单元。数据写完之后还要给k9f1208u0m发出1个写操作指令10h，通知其将页寄存器中的数据写入存储单元，随后就应该对状态引脚进行查询。如果该引脚为低，表明此次写操作结束。最后的步骤是数据校验，如果采用了ecc校验模式，则此步骤可以省略。
使用atmega16a控制器完成flash驱动函数主要包括：读id;块擦除;写入一页数据;坏块检测;读取一页数据。
另外，注意事项有：在以k9f1208u0m为数据存储介质的系统设计中，需要注意无效块的问题。无效块即包含一个和多个无效数据位的块。由于结构方面的原因，一块(32页)中有一个无效位也会导致整个块无效。因此，系统必须在写入数据时避开无效块。出厂时，每片k9f12 08u0m的无效块信息均保存在一个无效块信息表中，可以根据该表中的原始无效块信息识别无效块的位置。在k9f1208u0m的使用过程中，应随时对无效块情况进行检查和更新，以保证无效块表内容的准确性。
3 微控器软件程序设计
该atmega16a软件程序流程如图8所示。
4 实验结果
为检验该gps接收系统的系统性能，选择一空旷地域组织了若干次实验，实验内容是固定地点接收卫星信号。图9是gps接收系统实物图和flash数据读取图。
图9中左边是gps接收系统的实物图，右边是通过该gps接收系统采集回来的数据，然后经过flash读取而得到的信息。gps卫星接收系统采集到的坐标是世界大地坐标系(wgs-84)坐标。输出的数据格式为：“时间+维度+经度+星数+高度”，接收回来的数据充分显示系统稳定度很高。
结语
本文设计了一种基于atmega16a的gps接收系统。该系统具有数据存储、无线传输、定位精度高等特点。实验数据显示系统稳定度很高，易于推广普及，可用于普通民用地理定位领域，具有较高的实用价值。
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1 gps接收系统结构及工作原理
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gps接收系统工作过程为：atmega16a利用gps模块获取其所在位置的经纬度等信息，并将该测试点处的数据通过usb接口传输到pc机中，通过上位机软件完成对数据的转化。此外，atmega16a带有片上flash，也可实现对接收数据的存储功能，以便进行离线处理。atmega16a通过控制无线收发模块，实现了对数据发送的功能。
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2.1 电源模块
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2.3 gps天线模块
gps天线形式是多种多样的，可以是螺旋线圈天线、偶极子天线或是微带天线。通常会在天线的前端加入一个低噪声放大器，使得接收机内维持一个低的噪声系数，这时需要由接收机前端通过rf同轴电缆对放大器供电。需要注意的是，当使用gps接收机解算位置的时候，实际上是在估计天线的电子相位中心的位置，而电子相位中心与物理相位中心常常不在同一点。对于测量型gps接收机天线，电子和物理相位中心会有厘米级的差异。
系统采用的是sdt11e型gps接收机，它的天线单元如图4所示。它具有的功能是接收由卫星发射来的信号。
2.4 控制模块
该gps接收系统中，主要采用atmel公司的avr芯片atmega16a作为系统的控制器，控制器主要实现控制gps模块、控制无线收发模块、控制usb传输模块、处理接收的gps信号、从flash芯片中存取数据等功能。
由于gps模块、无线收发模块、usb模块均采用串行接口，控制器内部只带有一个串口功能，因此采用通用i/o口模拟串口通信方式完成对gps和收发模块的控制。同时设计了带接收中断功能的串口模块，以实现系统控制功能。本收发模块中对接收到的gps信号进行了简化处理，提取出了经纬度、高度及时间信息，增加了数据存储的有效信息量。i/o口模拟串口通信模块工作流程如图5所示。
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为提高该系统的定位精度，并有效降低系统功耗，本系统采用无线收发方式实现数据传输，无线收发模块设计原理图如图6所示。
该无线收发模块主要使用maxstream公司的9xtend模块，其主要特点是：与传统无线调制方式相比，在相同的发射功率的情况下采用扩频通信方式可以传输更远的距离。它是maxstream公司目前传输距离最长(视距传输距离为40 km)的低功耗oem rf模块。9xtend在5 v电压下，电流消耗只有780 ma，输出功率可达1 w(30 dbm)。该收发器的接收灵敏度达-110 dbm，可使用户在1.5英里、15英里视距和40英里(通过高增益天线)接收900 mhz信号，数据吞吐量为230 kbps，数据率可达115.2 kbps。通过对该模块的使用，有效地实现了对gps信号的接收。
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数据存储模块用flash芯片来存储该系统采集的gps位置信息，便于进行后期数据处理。该gps接收系统使用的flash芯片为k9f1208u0m，它是samsung公司生产的采用nand技术的大容量、高可靠flash存储器。图7是k9f1208u0m芯片与atmega16a的外围连接电路。
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图9中左边是gps接收系统的实物图，右边是通过该gps接收系统采集回来的数据，然后经过flash读取而得到的信息。gps卫星接收系统采集到的坐标是世界大地坐标系(wgs-84)坐标。输出的数据格式为：“时间+维度+经度+星数+高度”，接收回来的数据充分显示系统稳定度很高。
结语
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