便攜式地理信息采集儀的設計

引言
隨著數(shù)字化社會的快速發(fā)展，地理位置信息的采集分析越來越重要，如何使數(shù)據(jù)的采集分析更加簡便易行，是每個地理信息研究機構(gòu)最關心的問題。地理位置信息數(shù)據(jù)的采集是地理分析研究機構(gòu)的分析研究基礎，但是以往的數(shù)據(jù)只限于人工采集，采集記錄的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間存在較大的誤差，對數(shù)據(jù)的應用以及地理環(huán)境的分析等都會造成了很大的影響。便攜式地理信息采集儀可以方便快捷地采集相應位置的地理信息，并且可以全天候工作，真實可靠地記錄數(shù)據(jù)，從而可以避免人為誤差。
地理信息采集儀的功能
為了真實有效的采集記錄采樣點的地理位置的信息，以便地理信息研究機構(gòu)對采集數(shù)據(jù)的正確分析，便攜式地理信息采集儀的功能如下：
1）信息采集功能
對需要測控采集的采樣點的地理信息（如經(jīng)度、維度、海拔等）能進行準確無誤的采集。
2）數(shù)據(jù)存儲功能
每個地理位置采集點的地理信息一對一記錄保存，以便工作人員分析各采集點的地理位置信息。
3）數(shù)據(jù)傳輸功能
地理信息采集儀可以將各個位置采集點的采集到的數(shù)據(jù)通過RS232傳輸給上位機。
系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)以單片機MSP430F149為核心控制器[1]，集成GPS模塊、LCD顯示模塊、串行存儲器模塊、RS232接口模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖
Fig.1 System diagram
2.1 單片機單元
系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機作為核心控制器[2]，此款單片機具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機實現(xiàn)最大化的代碼效率；集成JTAG，支持在線編程；兩個通用全雙工串行同步/異步通信接口；6個8位I/O口；外部中斷輸入接口。單片機串口0負責接收GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，分析并且提取接收到的有效地理信息數(shù)據(jù)，一方面送到LCD顯示模塊顯示，同時進行數(shù)據(jù)存儲，并且可以將存儲的數(shù)據(jù)傳輸給計算機。
2.2 GPS模塊
2.2.1 GPS概述
GPS（Global Positioning System）是美國研制的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。它是目前世界上精度高的一種導航系統(tǒng)，已被廣泛用于軍事、經(jīng)濟、地理信息測控及其他領域。GPS定位系統(tǒng)由以下三個部分組成：
（1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分）：24顆衛(wèi)星（其中三顆備用），分布在6個軌道平面上，每個軌道面均勻布設4顆衛(wèi)星，從而保障了地球上任何地點和時刻都能觀察到4顆衛(wèi)星。它能發(fā)射L1和L2波段的信號。
（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）：中央控制系統(tǒng)，跟蹤衛(wèi)星定軌，用來監(jiān)測衛(wèi)星的狀態(tài)，對衛(wèi)星軌道信息進行修正。
（3）GPS信號接收機（用戶設備部分）：接收設備，主要由天線、電源、數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機及其終端設備組成。其基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元，天線單元主要作用是捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號。接收單元主要作用是記錄GPS信號，對信號進行濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航電文，以獲得有用的定位信息。
2.2.2 GPS模塊介紹
GPS采用GS-87模塊[3]，它是一個高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊或稱作衛(wèi)星接收引擎，它采用美國瑟孚SiRF star III公司所設計的第三代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個完整的衛(wèi)星定位接收器具備全方位功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，GPS Antenna（GPS天線）接收衛(wèi)星信號，將微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應電流。電流經(jīng)過LNA（低噪音放大器）被放大，在通過filter 濾波器將其變頻處理，送入SIRF StarIII(由GRF3W和GSP3組成)進行處理，將處理后的信號通過串口與單片機進行連接。用戶通過對單片機的軟件編程控制，將GPS接收到的信息進行處理，提取出對用戶有用的信息。