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摘要：本文以80C51单片机为控制器，利用GPS模块接收时间信息和位置信息，设计GPS授时与定位装置，实现时间信息和位置信息的解析和显示等设计目标。本文首先给出了基于GPS模块和80C51单片机的授时与定位装置的整体构架，然后对各个部分的硬件进行详细设计。最后使用Proteus软件对所设计的基于GPS模块和80C51控制器的授时与定位装置进行仿真，证明了设计内容的正确性和可行性，具有一定的实际应用价值。
关键词：全球定位系统（GPS）；授时；定位；单片机；仿真设计
0 引言
授时与定位装置可以获得准确的时间和精确的位置，是各种精确的工作正确运行的可靠保证。
本文拟设计基于GPS模块和单片机的授时与定位装置的硬件系统与软件系统。通过使用全球定位系统（GPS）接收装置来获得高精度的时钟信号源，然后在LCD或者LED等显示器上直接显示当地的准确时间；另外，该接收装置还可以获得GPS接收机天线位置的经度、纬度、高度以及运动速度等信息，显示位置定位信息。
1 系统设计
GPS授时与定位装置的硬件系统的结构框图如图1所示，主要包括电源模块、GPS信号采集处理模块、通讯接口电路、控制器系统、LCD显示器电路等部分。
首先通过GPS天线接收GPS信号，由GPS信号采集处理模块完成对接收的GPS信号进行放大、滤波、解码等工作。控制器系统负责解释GPS信号的解码结果，然后在显示器上显示当地的准确时间信息，以及当前的经度、纬度、高度以及运动速度等位置信息。
2 GPS信号接收模块
GPS信号接收模块选用Bonav公司生产的嵌入式GPS模块EM6。GPS信号接收模块EM6的主要参数包括：时间精度为100ns；位置精度为3m；速度精度为0.1m/s；加速度精度为0.1m/s2。
GPS信号接收模块EM6是一个具有16管脚的高精度GPS信号接收模块，其应用电路如图2所示。图中，RF_IN管脚外接GPS蘑菇头天线；VCC管脚接EM6的3.3V直流供电电源；ENABLE管脚接控制器的控制端口，用于控制EM6何时开始工作；TXD管脚接控制器的串行数据输入端口，该数据包含时间、位置等信息。
3 单片机系统设计
3.1 单片机
本设计选用80C51型号的单片机，其应用电路如图3所示。80C51是由Intel公司开发的MCS-51系列单片机。采用40引脚双列直插式DIP（Dual In Line Package），内有128K字节的RAM单元及4K字节的ROM。80C51含有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，一个串行中断，并有4个8位并行输入口。由于80C51的性能满足设计要求，而且产品来源丰富，应用也很成熟，故本系统中采用80C51作为核心控制器。
3.2 显示电路设计
GPS授时与定位装置需要显示位置信息和时间信息，不宜采用LED显示器。因此，本设计的显示器采用LCD显示器LMD16L，如图4所示。图中，LCD显示器LMD16L的VDD端口接+5V电源；VEE、VSS端口均接地。LCD显示器LMD16L的复位端口（RS）、读写端口（RW）、使能端口（E）分别由单片机的P0.5、P0.6、P0.7端口控制。LCD显示器LMD16L的显示数据输入端口（D7～D0）所需要的显示数据则由单片机的端口（P2.7～P2.0）送出。
3.3 通讯电路设计
GPS信号接收模块EM6与单片机之间的通信采用RS-232串行通信接口电路，其电路如图5所示。图中，模块P1为GPS信号接收模块EM6的RS-232串行通信接口，其数据接收端口（RXD）、数据发送端口（TXD）通过电平转换芯片MAX232与单片机的数据接收端口（P3.0/RXD）、数据发送端口（P3.1/TXD）相连接，完成串行数据的收发功能。
4 系统仿真
为验证设计内容的正确性和可行性，采用计算机仿真的方式对设计内容进行验证。计算机仿真是应用电子计算机对所设计系统的结构、参数、功能等进行模仿。针对基于单片机的授时与定位装置，可以利用Proteus软件对其进行仿真模拟。
为了直观地显示收到和发送的数据，在仿真过程中加入虚拟终端（Virtual Terminal）VT1，它可以显示单片机系统收到GPS信号接收模块EM6所发送的实时数据。
基于单片机的授时与定位装置的仿真结果如图6所示。图中，虚拟终端VT1显示单片机系统收到GPS信号接收模块EM6所发送的实时数据，显示内容的含义如下：
当前地点（华北科技学院）：North China Institute of Science & Technology
当前地点的经度（度）：Longitude = 116.796
当前地点的纬度（度）：Latitude = 39.954
当前日期（年-月-日）：Date = 2013-12-18
当前时间（时：分：秒）：Time = 12：34：56
5 结论
为了获得高精度的时钟信息和位置信息，本文设计了基于GPS模块和单片机的授时与定位裝置。该装置在硬件上采用了专用嵌入式GPS模块，保证了GPS信息的准确性，在软件上也采用较为合理的结构及算法，提高了GPS信息的解析精度，有效地解决了时间信息和位置信息的解析和显示等问题。
使用Proteus软件对所设计的授时与定位装置进行了仿真计算，仿真结果表明该设计方案具有可行性，具有一定的实际应用价值。可在该设计方案的基础上进行实物制作。
最后需要说明，本文的前三位作者均是在校学生，第四位作者为指导教师。在校学生参与了基于GPS模块和单片机的授时与定位装置设计的全过程，提高了学生理论知识应用于实践的能力，并且培养了学生的科技创新能力。
参考文献
[1] 张涛，潘玉民.自动控制系统实验实践教程.北京：煤炭工业出版社，2010.
[2] 郭海文，张涛，等.单片机原理及智能仪表技术.北京：煤炭工业出版社，2013.10.
[3] 薛鹏骞，潘玉民，张涛，等.煤矿安全检测技术与监控系统.北京：煤炭工业出版社，2010.
[4] 王勇.基于AVR单片机的一体化GPS接收机设计[J].自动化仪表，2008，29（2）：65-67.
[5] 陈少明.单片机在GPS系统中的应用[J].煤炭技术，2010，29（7）：207-209.
[6] 李斌，贾巍，赵奇，等.基于MSP430单片机的GPS定位系统设计[J].制造业自动化，2010，32（6）：61-63.
[7] 张涛，蒋静坪. 基于最优控制的倒立摆动态可视控制系统[J]. 武汉理工大学学报（信息与管理工程版）. 2008， 30（5）：685-688.
[8] 张涛. 自动化专业学生的实践能力与创新精神的培养机制[J]. 教育科学博览. 2012（12）：23-26.
[9] 张涛. 《计算机控制系统》精品课程建设及对教学的促进作用[J]. 教育科学博览. 2012（12）：33-36.
作者简介
林 雨（1989-），女，华北科技学院电子信息工程学院自动化专业ZB122班学生。
张林真（1990-），女，华北科技学院电子信息工程学院自动化专业ZB122班学生。
蒋翠景（1989-），女，华北科技学院电子信息工程学院自动化专业ZB121班学生。
张 涛（1972-），男，浙江大学博士，华北科技学院副教授、工程师，研究方向为自动控制、计算机控制系统、煤矿安全生产监控系统等。华北科技学院电子信息工程学院（062201）。
关键词：全球定位系统（GPS）；授时；定位；单片机；仿真设计
0 引言
授时与定位装置可以获得准确的时间和精确的位置，是各种精确的工作正确运行的可靠保证。
本文拟设计基于GPS模块和单片机的授时与定位装置的硬件系统与软件系统。通过使用全球定位系统（GPS）接收装置来获得高精度的时钟信号源，然后在LCD或者LED等显示器上直接显示当地的准确时间；另外，该接收装置还可以获得GPS接收机天线位置的经度、纬度、高度以及运动速度等信息，显示位置定位信息。
1 系统设计
GPS授时与定位装置的硬件系统的结构框图如图1所示，主要包括电源模块、GPS信号采集处理模块、通讯接口电路、控制器系统、LCD显示器电路等部分。
首先通过GPS天线接收GPS信号，由GPS信号采集处理模块完成对接收的GPS信号进行放大、滤波、解码等工作。控制器系统负责解释GPS信号的解码结果，然后在显示器上显示当地的准确时间信息，以及当前的经度、纬度、高度以及运动速度等位置信息。
2 GPS信号接收模块
GPS信号接收模块选用Bonav公司生产的嵌入式GPS模块EM6。GPS信号接收模块EM6的主要参数包括：时间精度为100ns；位置精度为3m；速度精度为0.1m/s；加速度精度为0.1m/s2。
GPS信号接收模块EM6是一个具有16管脚的高精度GPS信号接收模块，其应用电路如图2所示。图中，RF_IN管脚外接GPS蘑菇头天线；VCC管脚接EM6的3.3V直流供电电源；ENABLE管脚接控制器的控制端口，用于控制EM6何时开始工作；TXD管脚接控制器的串行数据输入端口，该数据包含时间、位置等信息。
3 单片机系统设计
3.1 单片机
本设计选用80C51型号的单片机，其应用电路如图3所示。80C51是由Intel公司开发的MCS-51系列单片机。采用40引脚双列直插式DIP（Dual In Line Package），内有128K字节的RAM单元及4K字节的ROM。80C51含有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，一个串行中断，并有4个8位并行输入口。由于80C51的性能满足设计要求，而且产品来源丰富，应用也很成熟，故本系统中采用80C51作为核心控制器。
3.2 显示电路设计
GPS授时与定位装置需要显示位置信息和时间信息，不宜采用LED显示器。因此，本设计的显示器采用LCD显示器LMD16L，如图4所示。图中，LCD显示器LMD16L的VDD端口接+5V电源；VEE、VSS端口均接地。LCD显示器LMD16L的复位端口（RS）、读写端口（RW）、使能端口（E）分别由单片机的P0.5、P0.6、P0.7端口控制。LCD显示器LMD16L的显示数据输入端口（D7～D0）所需要的显示数据则由单片机的端口（P2.7～P2.0）送出。
3.3 通讯电路设计
GPS信号接收模块EM6与单片机之间的通信采用RS-232串行通信接口电路，其电路如图5所示。图中，模块P1为GPS信号接收模块EM6的RS-232串行通信接口，其数据接收端口（RXD）、数据发送端口（TXD）通过电平转换芯片MAX232与单片机的数据接收端口（P3.0/RXD）、数据发送端口（P3.1/TXD）相连接，完成串行数据的收发功能。
4 系统仿真
为验证设计内容的正确性和可行性，采用计算机仿真的方式对设计内容进行验证。计算机仿真是应用电子计算机对所设计系统的结构、参数、功能等进行模仿。针对基于单片机的授时与定位装置，可以利用Proteus软件对其进行仿真模拟。
为了直观地显示收到和发送的数据，在仿真过程中加入虚拟终端（Virtual Terminal）VT1，它可以显示单片机系统收到GPS信号接收模块EM6所发送的实时数据。
基于单片机的授时与定位装置的仿真结果如图6所示。图中，虚拟终端VT1显示单片机系统收到GPS信号接收模块EM6所发送的实时数据，显示内容的含义如下：
当前地点（华北科技学院）：North China Institute of Science & Technology
当前地点的经度（度）：Longitude = 116.796
当前地点的纬度（度）：Latitude = 39.954
当前日期（年-月-日）：Date = 2013-12-18
当前时间（时：分：秒）：Time = 12：34：56
5 结论
为了获得高精度的时钟信息和位置信息，本文设计了基于GPS模块和单片机的授时与定位裝置。该装置在硬件上采用了专用嵌入式GPS模块，保证了GPS信息的准确性，在软件上也采用较为合理的结构及算法，提高了GPS信息的解析精度，有效地解决了时间信息和位置信息的解析和显示等问题。
使用Proteus软件对所设计的授时与定位装置进行了仿真计算，仿真结果表明该设计方案具有可行性，具有一定的实际应用价值。可在该设计方案的基础上进行实物制作。
最后需要说明，本文的前三位作者均是在校学生，第四位作者为指导教师。在校学生参与了基于GPS模块和单片机的授时与定位装置设计的全过程，提高了学生理论知识应用于实践的能力，并且培养了学生的科技创新能力。
参考文献
[1] 张涛，潘玉民.自动控制系统实验实践教程.北京：煤炭工业出版社，2010.
[2] 郭海文，张涛，等.单片机原理及智能仪表技术.北京：煤炭工业出版社，2013.10.
[3] 薛鹏骞，潘玉民，张涛，等.煤矿安全检测技术与监控系统.北京：煤炭工业出版社，2010.
[4] 王勇.基于AVR单片机的一体化GPS接收机设计[J].自动化仪表，2008，29（2）：65-67.
[5] 陈少明.单片机在GPS系统中的应用[J].煤炭技术，2010，29（7）：207-209.
[6] 李斌，贾巍，赵奇，等.基于MSP430单片机的GPS定位系统设计[J].制造业自动化，2010，32（6）：61-63.
[7] 张涛，蒋静坪. 基于最优控制的倒立摆动态可视控制系统[J]. 武汉理工大学学报（信息与管理工程版）. 2008， 30（5）：685-688.
[8] 张涛. 自动化专业学生的实践能力与创新精神的培养机制[J]. 教育科学博览. 2012（12）：23-26.
[9] 张涛. 《计算机控制系统》精品课程建设及对教学的促进作用[J]. 教育科学博览. 2012（12）：33-36.
作者简介
林 雨（1989-），女，华北科技学院电子信息工程学院自动化专业ZB122班学生。
张林真（1990-），女，华北科技学院电子信息工程学院自动化专业ZB122班学生。
蒋翠景（1989-），女，华北科技学院电子信息工程学院自动化专业ZB121班学生。
张 涛（1972-），男，浙江大学博士，华北科技学院副教授、工程师，研究方向为自动控制、计算机控制系统、煤矿安全生产监控系统等。华北科技学院电子信息工程学院（062201）。