基于虚拟仪器技术的GPS信息采集系统.docx

1、基于虚拟仪器技术的GPS信息采集系统本科毕业设计基于虚拟仪器技术的GPS信息采集系统摘 要近几年，以全球定位系统（Global Positioning System，GPS）为代表的定位与导航技术迅速发展，已经进入国民经济的各相关领域中，尤其是在农业相关研究领域获得越来越广泛的应用。GPS以其高精度、全天候和高效率的特点完全可以胜任设备定位以及数据传输的需求，因此，如何合理、高效的获取GPS定位信号是目前定位与导航技术领域中研究的热点课题，也是本设计的研究目标。本文阐述了目前国内外定位与导航技术的发展现状、研究成果以及存在的问题，并详细介绍了在此基础上针对应用系统开发中GPS设备与PC的联机通

2、信及信息提取问题。在分析NMEA-0183协议的基础上，探讨了GPS信息采集与解析的关键技术与方法，并利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件编写了GPS信号采集程序建立了GPS设备与PC间的串行通信。本研究设计的GPS信息采集系统使用LabVIEW软件采集Trimble 5700 GPS接收机输出的定位信息。GPS接收机与计算机的串口相连，LabVIEW程序从计算机串口读取GPS信息并实时、准确的显示出来。在定位数据动态、实时可视化的同时，将原始数据进行保存用于后续进一步分析。实验结果表明，设计的GPS信息采集系统能够实时采集GPS定位信息并显示其运动轨迹，其功能达到了最初的设计目标。本设计对G

3、PS 应用系统开发、工作状态监测、信号质量评估、导航仪性能分析等具有实用价值，也可作为定位结果优化处理的数据源。关键词：虚拟仪器 GPS LabVIEW 采集系统GPS Information Acquisition System Based on Virtual Instrument TechnologyWu Zetao(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: In recent years, the rapid development of

4、positioning and navigation technology, represented by Global Positioning System (GPS), has entered in the relevant fields of the national economy. Especially, GPS has been widely used in agriculture related research fields. With the characteristics of high precision, all-weather and high efficiency,

5、 GPS is fully capable of positioning and data transmission requirements. Therefore, the reasonable and efficient introduction of GPS positioning technology is a hot topic in the research field of positioning and navigation, and is also the objective of this design.This paper described the developmen

6、t status at home and abroad, research achievements and existing problems of the positioning and navigation technology, and introduced the GPS -based on-line communication and information acquisition of GPS equipment and PC system. The key technology and method of GPS information collection and analy

7、sis was discussed based on the analysis of NMEA 0183 protocol. Virtual instrument technology and LabVIEW software was used to develop a GPS signal acquisition program to establish the serial communication between PC and GPS equipment.The GPS information acquisition system designed in this study read

8、s the positioning information from a Trimble 5700 GPS receiver by using LabVIEW software. The GPS receiver connects with the serial port of a computer. A LabVIEW program reads GPS information from the serial port and display accurate track on a real time basis. With the dynamic, real-time visualizat

9、ion of positioning data, the original data can be saved for further analysis. Experiments results show that, the GPS information acquisition system can collect real-time GPS positioning information and display the trajectory, which meets the original goals.This design has practical values to the dev

10、elopment of GPS application system, working status monitoring, signal quality assessment, and navigation system performance analysis. The system can also be used as the data source for positioning results optimization.Key words: virtual instrument GPS LabVIEW acquisition system华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1 前言

11、1.1 课题的研究背景近几十年，随着计算机和通信技术得到迅猛发展，定位和导航技术发也逐渐开始发展起来，特别是美国全球定位系统（GPS）的建立（余丹等，2006），能够为全球用户提供全球范围内陆地、海洋以及空间的位置、速度和时间等信息，这给定位技术带来了革命性的变革，使得定位和导航系技术进入了一个高速发展阶段。GPS的最初研发只是为了军事目的，如今这一系统已经成为世界上应用最广泛的全球定位和导航系统。在全球经济一体化进程快速发展的时期，为了能够更加高效、合理地利用资源，实现更加可靠、便捷的定位和导航服务，各个国家和地区也在寻求卫星定位和导航系统的合作。进入21世纪以来，定位和导航技术进入国民经济

12、的各相关领域中，获得了广泛的应用，尤其是近几年来在消费和工业市场得到迅猛发展，并逐渐形成一个全新的技术领域，即智能定位系统(Intelligent Positioning System，IPS)。IPS就是通过采用先进的定位、信息和通信等高新技术，对传统的定位系统及管理体制进行改造，从而形成一种高精度、全天候、高效率新型现代定位系统。以GPS为代表的卫星导航应用产品逐渐成为现代社会信息来源的重要工具（张惠等，2012；Eastion RL，2001）。卫星导航技术与通信、遥感和大众消费产品的相互融合将会创造出许多新产品和新服务，开拓出一个充满商机的市场。目前，定位与导航技术的研究和应用方兴未艾

13、，基于这样的背景下设计开发一款GPS信息采集系统有其实际意义。1.2 课题研究的意义随着信息时代的发展、科学技术的进步，具有速度快、精度高的定位和导航技术发展迅速，GPS 应用的范围和领域已愈来愈广。GPS定位系统是美国新一代卫星定位导航系统，它由美国国防部于1994年3月全面架设完成，由24 颗GPS卫星组成，可覆盖全球 98%的区域，并可以在任何时间、任何地点为地球上的各类用户提供所在地的经纬度、海拔高度和时间等定位信息（赵洪岩等，2011）。由于GPS定位系统是一种高精度、全天候的实时定位系统，并且具有定位速度快、精度高、使用费用低和操作简便等特点，所以在科学研究、工程技术、军事领域及其

14、相关学科中取得了广阔的应用空间。GPS 定位技术在科学研究中的主要应用范围包括精密授时和时间同步、地球动力学研究、气象探测技术、电离层监测等；在工程技术中的主要应用范围包括大地控制网的建设、精密工程测量、工程结构变形监测、智能交通导航等；在军事领域中的主要应用范围包括低空遥感卫星定轨、制导武器位置定位与导航、精密武器时间同步指挥等。同时，GPS定位技术还在娱乐休闲、体育运动、动物跟踪、精细农业、林业管理、野外考察等人们的日常生活中发挥着重要的作用。GPS 定位技术的应用领域正在不断的扩大，上至军事科学，下至生产生活，已经无所不在了。随着 GPS 定位技术的不断发展和进步，不仅可以扩展其应的范围

15、，而且还能降低相关定位产品开发过程中的生产成本、技术成本和管理成本（项鑫等，2009）。GPS 设备定位仪通过对现代科学技术不同领域的研究，在科学技术相互结合、相互渗透、相互交叉的基础上，实现先进科学技术资源的优化配置，为新技术实际应用创造良好的理论模型和应用平台，为以后市场应用打下一个良好的基础。采用 GPS 作为定位工具可以轻松地完成一系列烦琐的工作，既能使人们更加快捷有效地工作，又能有力地促进生产水平的提高。随着科学技术的不断进步和发展，GPS 定位技术在工业领域的应用空间也将随着社会的进步和人们想象力的丰富而越来越广阔，它在未来必将会发挥更大的作用。1.3 国内外发展现状及趋势目前在世

16、界上，只有少数几个国家能够自主研发全球卫星导航定位系统。其中，以美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略全球卫星导航系统和我国的北斗卫星导航定位系统为代表的卫星导航定位系统在业内取得了广泛的认可和应用。我国的北斗卫星导航定位系统，是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继GPS、GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统（宁津生等，2013）。GPS是美国国防部在子午仪卫星导航系统的基础上建立发展起来的全球卫星导航定位系统，GPS卫星空间星座如图 1所示。自1974年以来，系统的建立经历了方案论证、系统研制和生产实验等三个阶段，是美国继阿波罗计划、航天飞机

17、计划之后的又一个庞大的空间计划（邱中军，2012）。在GPS设计之初，美国国防部的主要目的是使GPS系统能够为海陆空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核暴监测和应急通讯等一些军事目的。但随着GPS系统的开发应用，被广泛地应用于飞机、船舶和各种载运工具的导航、高精度的大地测量、精密工程测量、地壳形变测量、地球物理测量、航天发射和卫星回收等技术领域。GPS系统的广泛应用，引起了世界各国的关注。前苏联在全面总结其第一代卫星导航系统CICADA优劣的基础上，认真吸收了美国GPS系统的成功经验，自1982年10月，开始研制发射第二代导航卫星GLONASS卫星，至1996年共发射24

18、+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。GLONASS卫星均匀地分布在3个轨道平面内，轨道倾角为64.8，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星距离地面高度为19100km，卫星的运行周期为11时15分钟，GLONASS系统可进行卫星测距。民用无任何限制，不收费。民用的标准精度为：水平精度为5070m，垂直精度75m，测速精度15cm/s，授时精度为1s。GLONASS卫星的平均工作寿命超过4.5年。1999年底补网发射了3颗卫星，至2000年初，该系统只有7颗卫星保持连续工作。2000年10月补网又发射了3颗卫星。到2001年3月GLONASS系统中

19、有13颗健全的卫星。从2004年后，GLONASS系统基本上进入了较好的运营状态。图 1 GPS卫星空间星座我国的北斗卫星导航系统(BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System)是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，缩写为BDS，与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称为全球四大卫星导航系统（贠敏等，2012）。北斗卫星导航系统2012年12月27日起提供连续导航定位与授时服务。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主

20、控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧盟“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。全球卫星定位导航系统从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航及定位问题，其已被广泛应用于航空航海、交通运输、地形测量等诸多领域，并已在测量工作中得到较为广泛的应用，对经典大地测量学的各个方面也产生了极其深刻的影响，如在地壳运动监测、工程技

21、术和卫星遥感等方面取得了许多宝贵经验。各国的导航定位系统由原来的单一军用逐渐转化军民两用后，在一段时间内得到高速的发展和应用，并正在兴起一个崭新的领域，现在全世界各个国家正在投入大量的人力、物力进行研究、开发和应用。因此，卫星导航定位产业的竞争将进入新的阶段。专家们预测全球卫星定位导航系统未来的发展趋势有：内陆卫星导航定位产品将会成为发展速度最快的 GPS 产业；多个卫星导航定位系统间信息的相互兼容将明显改善卫星导航定位的误差、精度和可靠性；单频测地型接收机和导航定位接收机的生产和研发将发展到世界各个地区；几个技术领先的厂家将继续垄断双频高精度测地型接收机的制造；在一定时期内 GPS 将继续保

22、持其在导航定位产品中绝对优势。近年来，GPS定位理论和软件科学的发展促进了GPS定位软件的研发，一批满足不同应用需求 的GPS定位软件亦已面世。国际上广泛使用的GPS相对定位软件有：美国麻省理工学院（MIT）和加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所（SIO）研制的GAMIT/GLOBK，美国喷气推进实验室（JPL）研制的GIPSY/OASIS软件和瑞士BERNE大学研制的Bernese软件。这些GPS数据处理软件的研发大多数是基于VC+等传统文本编程语言开发的，采用传统文本编程语言开发需要熟练掌握复杂的编程语言，编程过程中需要考虑传统编程语言的许多句法细节，同时文本编程语言不够直观，易懂

23、。GPS信息采集系统需要人机界面，而文本编程语言的人机界面开发功能并不十分强大，开发人机界面相对较为复杂。1.4 本文研究内容本设计基于文本编程语言开发GPS信息采集系统存在的问题，选择采用基于虚拟仪器技术的LabVIEW编程语言作为系统的开发语言。LabVIEW 作为一种开放型模块化的程序设计语言，采用G语言进行程序设计（余莉等，2006），充分体现出它在语言程序设计上的诸多优势， 即具有功能强大的用户界面、使用图形编程方法来设计图形程序、使用数据流编程、具有可独立运行的应用程序、可充分提高用户的效率、节约大量的时间和金钱等。同时，又不用担心程序的质量和运行速度。LabVIEW 既适合编程经

24、验丰富的用户使用，也适合编程经验不足的工程技术人员使用，被誉为工程师和科学家的语言（张千锋，2010）。本课题主要进行如下几个方面的研究工作：（1）GPS信息采集系统的设计与调试，针对应用系统开发中GPS设备与PC的联机通信及信息提取问题，在分析NMEA-0183协议的基础上，探讨了GPS信息采集与解析的关键技术与方法，并利用LabVIEW 建立了GPS设备与PC间的串行通信，实现了对GPS定位信息的采集、存储及对定位信息的实时显示。（2）测试实验，包括利用串口调试助手进行模拟实验与在华南农业大学华山区足球场进行的实地实验。2 虚拟仪器与LabVIEW 2 .1 虚拟仪器简介虚拟仪器（Virt

25、ual Instrument，VI）是美国国家仪器公司（National Instruments Corp，简称NI）于1986年提出的（程学庆，2009），它是在以计算机为核心的硬件平台上，功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。该概念的提出引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河（薛新红等，2006）。虚拟仪器本质上是虚拟现实方面的一个应用结果，也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器。虚拟仪器充分利用现代计算机强大的数据处理能力，在计算机及其周边硬件的支持下，利

26、用系统软件完成对数据的采集、控制、分析以及处理等多种功能（张毅刚，2006；Ellis WS etal，1991）。通过软硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大突破了传统仪器在数据显示、传送和存储等方面的限制，使用户可以方便的对仪器进行操作、维护和扩展。虚拟仪器的主要载体是计算机，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，它通过在计算机上加装一组软件或和其相关的设备，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台传统意义上的电子仪器。虚拟仪器的最大特点是在系统内可以共享软硬件资源，使得现代计算机与传统仪器资源和 DSP 技术相互充分的结合起来，打破以往由厂家定义仪器功能的模式，可由

27、用户自己定义仪器的功能。在虚拟仪器中硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器的关键，使用相同的硬件模块，通过不同的软件编程方案，就可以实现功能完全不同的仪器仪表，并可以很方便的改变和增减整个仪器系统的功能与规模。目前最有影响力和发展前景的虚拟仪器编程语言是NI公司设计的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）和Labwindows/CVI（C for Virtual Instruments）。2.2 LabVIEW简介LabVIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，即“G”语言，这种编程语言使用“

28、所见即所得”的可视化技术建立人机界面，形象逼真，操作简单（金维香，2002；Gary W.Johnson etal，2005）。它是用工程人员所熟悉的术语、图形等图形化符号代替常规的文本语言编程（如BASIC、C语言等），具有丰富的和功能强大的函数库，很多函数可直接以子程序的方式进行调用，从底层各种数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序；从基本的功能函数到高级分析函数，几乎涵盖了仪器设计中需要的所有函数，同时LabVIEW还支持网络通讯协议（TCP/IP）、动态数据交换（DDE）和网络化多媒体对象技术（ActiveX）等应用软件标准。它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是标

29、准的数据采集和仪器控制软件（程学庆，2009）。LabVIEW软件具有以下特点：（1）采用图形数据流编程。（2）有专门用于数据采集和仪器控制设计的功能和开发工具库。（3）拥有大量的调试手段。除了提供常规的程序调试机制，如单步、设置断点以外，还提供了能够更直观、更清晰地观测程序执行流程的调试方法（比如数据流动态显示、错误句柄等），同时，它还提供两种运行状态，即编辑状态和执行状态，从而将系统的开发与运行环境有机地结合起来。（4）具有很强的灵活性，虚拟仪器的功能由用户自己定义，这意味着可自由地组合计算机平台、硬件、软件以及各种实现应用系统所需要的附件。2.3 LabVIEW 程序的构成所有版本的 L

30、abVIEW 应用程序都包括前面板（Front Panel）、框图程序（Diagram Programme）和图标/连接器（Icon Connector）三个部分。如果将虚拟仪器和标准仪器相比较，那么前面板就相当于仪器仪表的面板，框图程序就相当于仪器仪表内部的功能部件，而图标/连接器就相当于仪器仪表上的指示标识和各个部件的连接接口（袁媛等，2005）。（1）前面板，前面板是图形用户界面，也就是虚拟仪器面板，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。LabVIEW前面板如图 2所示。图 2 LabVIEW前面板它主要由控制（Control）、指示（Indicator）和修饰（Decoration）三

31、类控件组成，一般将控制和指示统称为前面板的对象或控件。其中控制控件为前面板的核心控件，控制控件包括用户输入和显示输出两大类功能。用户输入控件是指旋钮、按钮和转盘等输入装置，这些是模拟仪器的输入装置，为 LabVIEW 的程序框图提供数据；显示输出控件是指图表、指示灯和仪表盘等显示装置，这些是模拟仪器的输出装置，用以显示程序框图获取或生成数据。（2）框图程序，前面板设计完成后，可使用图形化的函数添加源代码来控制前面板上的对象。程序框图是图形化源代码的集合，图形化源代码又称 G 代码或程序框图代码。在框图程序中对 LabVIEW 进行编程，以控制和操作定义在前面板上的输入和输出功能。框图程序是由接

32、线端、节点、结构和连线四种元素构成的，接线端是在前面板和程序框图之间交换信息的端口，用以表示输入控件或显示控件的数据类型。默认状态下，前面板的对象显示为图标接线端；节点是程序框图上的对象，具有输入输出端，在程序运行时进行运算。节点相当于文本编程语言中的子程序、函数或运算符；结构是文本编程语言中的循环和条件语句的图形化表示，它可对代码块进行重复操作，有条件执行或按特定顺序执行代码；连线是端口间的数据通道，它类似于文本编程语言中的变量。在连线中数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动，不同的线型代表不同的数据类型，在颜色、粗细和样式上都有明显的区别，LabVIEW框图程序如图 3所示。图 3 LabVIEW框图程序（3）图标/连接器，图标是 LabVIEW 的图形化表示，可包含文字、图形或图文组合，在程序框图中右上角将显示所代表的图标，可双击图标进行修改或编辑。连接器相当于文本编程语言中的函数或子程序，用于显示 LabVIEW 中所有输入控件和显示控件接线端，以便将该器件作为子器件调用。连接器在其输入端接收数据，然后通过前面板的输入端传输至程序框图中，并从前面板的显示控件中接收程序框图的运算结果传输至其输出端。3 理论分析及设计3.1 GPS数据传送方式计算机通过串行接口（Serial Inte