基于gps车辆监控系统的设计.doc

（论文）
0 引言
目前，交通拥堵是世界各国遇到的普遍难题，单纯增加道路基础设施已不能完全解决交通运输紧张的状况，特别是在土地资源更加有限的城市内部。为了解决车和路之间的矛盾，需要将现代电子信息技术引入交通运输系统，因此智能运输系统ITS（Intelligent Transport System)应运而生。ITS是一个复杂的大系统，当前正处于开发试验阶段，目前我国ITS的研究重点是：先进的交通管理系统、先进的交通信息服务系统、先进的公共交通系统和先进的车辆定位监控系统。集卫星定位系统，无线通讯系统为一体的车载移动台是车辆定位监控系统中的一个重要组成部分，它是ITS系统实现实时信息服务的硬件平台。
为了减少交通拥挤和提高整个交通运输系统的效率，为驾驶员提供良好的信息服务和安全舒适的驾驶环境，车辆监控系统将全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和微型计算机系统进行有机结合，可以实时提供车辆的空间位置，在线提供车辆及其周边运行环境的语义和非语义信息，综合处理多种来源的时空数据。车辆监控系统不仅可以实现车辆实时定位和导航，而且还可以实现车辆远程指挥、交通安全和事故处理。其中，车载移动台不仅可以使交通管理部门实时了解单个车辆的位置和运营状态，而且结合地理信息系统可以使交通管理部门实时掌握整个区域甚至整个城市的交通畅通状况，从而制定出合理的交通指挥方案。另外，车载移动台可以为出行者提供各种交通信息服务，可以改变现在的“盲目”驾驶情况，使出行者可以了解从车辆当前位置到目的地的全部交通状况和变化趋势，这等于给车辆装上了一个“千里眼”。通过附加服务信息，出行者还可以利用旅行时间进行各种信息交流和商务活动，充分享受信息社会带来的便利条件。

1 车辆定位监控系统及车载移动台概述
1.1 车辆定位监控系统
车辆定位监控系统作为ITS的一部分，其主要功能是对移动车辆进行实时定位跟踪，并实现对车辆的调度指挥。车辆定位监控系统由车载移动单元、通讯网络、指挥调度中心三部分组成。其工作原理为：车载移动单元通过接收到的GPS信息，此信息包括车辆当前的经度、纬度、时间等。然后通过GSM移动通讯传送到指挥调度中心，指挥调度中心在接到车辆上传的信息后，根据车辆的当前状况科学的进行调度和管理，从而提高运营效率。
车辆是具有高度机动性的移动目标，而获得车辆当前位置及其它状态信息，并向其发送调度指令是车辆监控的基本要求，因此车辆监控系统的实现必须借助GPS定位技术和移动通信技术。
1.1.1 GPS定位技术
当今世界上应用较为普通的卫星导航系统有3种，它们分别是美国的GPS、俄罗斯的GLONASS与海事卫星系统，其中以GPS最为成熟，支持厂商最多，是世界上应用最广的定位系统。该系统通过分布在6个轨道上的24颗导航卫星向全世界发送定位信息，地面上的任意一点在能够同时接收到4颗卫星信息的条件，就可以进行自身定位。采用GPS定位具有精度高、全天候、不受地域限制等优点，在定位精度、灵活性、使用成本等诸多方面与目前其他定位技术相比具有较大的优势。
1.1.2 移动通信平台选择
目前主要的移动通信手段有公用GSM通信平台、模拟集群、数字集群、GPRS、CDMA等。国家公众GSM通信网具有覆盖广、数据通信质量可靠、系统规模大等优点。作为基于国家公用GSM通信平台的车辆监控系统，目前其技术手段最为可靠，也是目前技术手段最先进的监控系统。因此现阶段通常采用GSM作为车辆监控系统的通信手段。
1.1.3 GSM短信息工作原理
短信息业务属于GSM系统的增值服务，短信息的工作过程大致如下，短信息的发送方将编辑完毕的短信息发送给网络，当网络成功接收后，向发射端下传成功信息；网络从短信息中的目标号码查找接收端信息，然后向接收端发送，当接收端正确接收后，向网络发送成功信号。在接收端末上传成功信号情况下，网络将该端消息进行保存排列，以备后续重新发送。显然短消息的的方式很适于应用在车辆监控系统中，首先车辆监控系统的数据传输量不大，一般情况下只需传输车辆的定位数据及相应的控制调度指令，目前短信息的数据容量足以满足要求；其次，短信息的数据通信质量可以保证，由于采用公用移动网，所以无需额外考虑误码率问题，减少了工作量。
1.2 车载移动台
车载移动台是车辆监控系统的重要组成部分，它的性能直接决定着监控系统的品质。所以对车载移动单元的设计就显得尤为重要。

图1-2 车载移动单元
Fig.1-2 The mobile unit for vehicle positioning
车载移动台由GPS-OEM板、单片机数据采集模块、单片数据处理模块及GSM通讯模块组成（如图1-2）其工作原理为：单片机数据采集部分定时从GPS-OEM板提取车辆经度、纬度、时间等数据。同时，单片机数据处理部分读取数据采集部分得来的信息，并将此信息送至GSM通讯模块，最后由GSM通讯模块把信息发送给指挥调度中心。另外，GSM通讯模块也可以接收指挥调度中心的命令，并显示出来。而且在紧急情况下，还可以与调度中心进行语音联系。由此可见，车载移动单元的实现必须借助GPS定位技术、微型计算机技术及GSM移动通信技术。

2 GPS定位技术及GPS接收机
2.1 全球卫星定位系统GPS介绍
GPS系统是由美国国防部的陆海空三军在70年代联合研制的新型卫星导航系统，它的英文名称是“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global PositioningSystem”，其意为 “卫星测时测距导航全球定位系统”，简称GPS系统。它是一种为海上、陆上、空中的用户提供全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统，并以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，成功地应用于航空航天、军事、交通运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，被作为一项非常重要的技术手段和方法。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前己遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
GPS系统由24颗 GPS工作卫星及3颗在轨备用星组成，运行轨道约为29000km，分布在6个轨道面上。GPS采用扩频调制信号，工作在两个L波段频率：1575.42MHz（L1）和1227.60 MHz（L2）上，它提供两种精度水平的导航服务：精密定位服务和标准定位服务。精密定位服务提供较高的精度和反干扰保护，它通过密码技术来控制。L1频率上调制有P码（精密码）和C/A码(粗捕码),L2上只调制P码。每颗卫星都传送L1和L2频率。
用户GPS接收机应用卫星传送的数据来解出导航和时间信息。精密定位服务可让用户享有系统的全部精度。标准定位服务在未加SA（选择可用性）扰码时，可获得30m（2DRMS）的精度，加SA扰码时，可获得100m（2DRMS）的精度。
2.2 GPS定位技术特点
GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其它导航系统相比，主要特点有如下六个方面：
1)定位精度高
一个导航定位系统的重要性能指标是定位精度。GPS系统采用卫星定位，可以有效地修正因为传播带来的误差。另外，空间技术、信息处理、信号的最佳接收、精密时钟等各种先进技术都为卫星定位精度提供了保障条件。目前GPS系统单点实时定位精度可达5～10m，静态相对定位精度可达1～0.1ppm，测速精度为0.1m/s，而测时精度约为数十纳秒。随着GPS测量技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。
2)观测时间短
随之GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前,20km以内相对静态定位，仅需15～20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需 1～2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。
3)执行操作方便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达到“傻瓜化”的程度：接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。
4)全球、全天候作业
由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位地需要。目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
5)功能多、应用广
GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时问信息，可以利用卫星通信和卫星广播技术，构成一种具有通信、导航定位、识别及授时的多功能系统。除用于军事目的外，还可民用。随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量、导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。
6)抗干扰性能好、保密性强
由于GPS系统采用了数字通信特殊编码技术，即伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。
2.3 卫星定位原理
2.3.1 卫星定位系统的组成
GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。如图2-1所示。
1)空间部分
GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星均匀分布在距离地面大约20183km的6个轨道平面内，每条轨道与赤道面的交角为55度，各个轨道平面之间相距60度（即轨道的升交点赤经各相差60度），每条轨道上有4颗卫星。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，同一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前 30度。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。运行周期为11小时58分。每颗GPS作卫星都发出用于导航定位的信号。
地面支撑系统
GPS系统
用户
空间系统
24颗卫星
GPS接收机
三个注入站
五个监控站
一个主控站

图2-1 GPS系统结构示意图
Fig.2-1 GPS System structure sketch map
2)地面控制系统
GPS地面控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。
主控站即卫星操作控制中心（CSOS）,位于加州Falcon空军基地，主控站内设有工作人员。主控站负责接收、处理来自各监控站跟踪数据，完成卫星星历和原子钟计算，卫星轨道和钟差参数计算，产生向用以空间卫星发送更新的导航数据。这些更新数据送到注入站，利用S频段（1750～1850MHs）向卫星发射。由于卫星上的原子钟有足够精度，故导航更新数据约在每天才更新一次。主控站本身还是监控站，还可用于完成诊断卫星的工作状态，进行调度等工作。
监控站为无人值守站，共有5个。除主控站上的监控站外，还在美国夏威夷、北太平洋上的Kwajalein岛、印度洋上的Diogo Garcia岛、大西洋岛上的Ascension岛上设有监控站。监控站对卫星进行跟踪与测轨，以2200～2300MHs频率接收卫星的遥测数据，进行轨道预报，并收集当地气象及大气和对流层对信号的时延数据，连同时钟修正、轨道预报参数一起传送给主控站。
3个注入站，与三大洋的Kwajalein岛、Diogo Garcia岛、Ascension岛上监控站并置。注入站主要功能为将主控站送来的卫星星历、钟差信息和轨道修正参数，每天一次注入到卫星上的导航电文存贮器中。
3)用户设备部分
GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。
静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的己知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰，空中的的飞机，行走的车辆等)。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动。接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。
GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。
2.3.2 GPS卫星定位系统的原理
GPS定位的基本原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。如图2-2所示，每一颗卫星连续不断地向GPS接收机发送可跟踪的唯一编码序列，GPS接收机可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。
GPS地面观测点定位的方法较多，有伪距定位法、多普勒定位法、载波相位定位法、伪距测量加多普勒定位法、干涉定位法等。常用的是前三种。多普勒定位法和载波相位定位法定位精度比伪距测量定位法高，同时其成本造价也要高出许多。现在，商用GPS接收机主要采用伪距测量定位法。由P码只供美国军事部门和特许的部门使用，目前的导航型接收机无法使用，因此下面只讨论C/A码的伪距观测量，并对伪距定位原理进行详细说明。
卫星1
（）

卫星2
（）
卫星3
（）
卫星4
（）
（x,y,z）

Ｘ
Ｚ

图2-2 GPS定位原理图
Fig.2-2 GPS Fixed position principle diagram
伪距定位原理是基于到达时间（TOA）的测距原理。从已知位置上的发射机卫星发射信号到达接收机所需时间间隔乘以信号传播速度，可得到发射机到接收机的距离。接收机从多个已知位置的发射机接收多个信号用于确定接收机的位置。由于卫星和接收时间的时钟偏差，传播时延和其它误差，不可能测出实际距离，而是伪距（卫星时钟和接收机时钟的读时偏差是常数）。为了确定接收机位置，接收机知道跟踪卫星的伪距和卫星的位置。
伪距测量是利用相关技术获取的。在相关接收中，卫星上发射的C/A码伪随机信号是由卫星钟控制的，用户接收机的C/A码伪随机信号是由本地时钟控制的。出于经济上的考虑接收机采用价格便宜的晶体振荡器，这些时钟在接收机和GPS时钟间引入时间偏差（时钟偏差），接收机的时间偏差对每颗卫星都是相同的。在相关接收时，将这两组伪随机信号码位对齐，即完成跟踪和延时锁定。这一时刻相对于初始时刻的时延量，即表征了地面点到卫星间距离的函数，称为伪距观测量，以R表示，简称伪距。
图2-3设地面点P到卫星的距离矢量为，地心原点O到卫星的距离矢量为，地心原点O到地面点P的距离矢量为。如果卫星钟和地面钟完全同步，这时伪距观测量代表了P到卫星的真实距离=C（-）-C。式中为地面接收机己同步的观测时刻，为卫星己同步的发射时刻，为传播途径中的附加时延。
O

P

图2-3地面点与卫星的几何关系
Fig.2-3 Ground several of the point and satellite relation
但是，用于测量信号传播时间的接收机时钟与GPS时间不同步，均存在一定的时钟偏差，实际测量的伪距=C(-)。式中，为含有时钟差的地面站接收时刻，为含有时钟差的卫星发射时刻。实际接收时，地面站接收机要同步于GPS时间。设时钟差为和即
=+
=+
则
=C（-）+C（-）=++C（-） （公式2-1）
当接收机对卫星信号跟踪锁定后，可以得到伪距观测量和导航电文导航电文中，包括卫星星历参数 卫星钟改正数和电离层修正参数等导航计算用的改正参数由卫星星历参数可以计算 出卫星信号发射时刻此卫星在地心坐标系中的坐标，，对于卫星钟差可以利用钟改正数按下列公式修正：
=+（t-）+
式中为卫星钟基准时间，ｔ为观测时间。
设P点的地心坐标为，，，则P点至卫星i的真实距离为：
=
将上式代入公式(2-1)中，得
=+C+C(-) （公式2-2）
式中，为大气改正，可根据大气模型改正。上式只有4个未知量，，，，,。同时观测到4颗卫星，可得到的4个方程，从而解P点的坐标（，，），实现定位。
2.3.3 GPS卫星信号
GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测距码和数据码 。时钟基本频率为10.23MHz。
GPS使用L波段的两种载频：
载波：f=154*=1575.42MHz，波长:=19.032cm。
载波：f=120*=1227.6MHz，波长:=24.42cm。
选择这两个载频，目的在于测量出或消除因为电离层效应而引起的延迟误差。GPS卫星的测距码和数据码采用调相技术调制到载波上。
GPS卫星的数据码即GPS卫星的导航电文，它是用户用来定位和导航的数据础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。这些信息是以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送。
GPS卫星的测距码又两种：一种是C/A码，它用于粗测距和捕获GPS卫星信号伪随机码（伪随机码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。GPS信号中使用了伪随机码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供了无模糊度的测距数据。)一种是P码，它用户精测距。根据美国国防部规定，P码是专为军用的。相应两种测距码GPS提供两种定位服务方式，即精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。PPS的主要服务对象是美国军事部门和其他特许部门。这类用户可利用P码获得精度较高的观测量，并且能通过卫星发射的两种频率的信号进行测距，消除电离层折射的影响。利用P码进行单点实时定位的精度可以优于10m。SPS的主要对服务对象是广大的民间用户。利用SPS所得到的观测量精度较低，并且只能采用调制在一种频率上的C/A码进行测距，无法利用双频技术消除电离层折射的影响，其单点实时定位的精度约为20～30m。
2.4 GPS接收机
GPS接收机是用户设备的核心部分，主要包括天线、GPS接收机和电源三部分。其主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以获取导航电文及必要的观测量，实时地计算出载体（GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体）所在的三维位置、速度和时间。
2.4.1 接收机的组成
如图2-4所示，GPS接收机主要包括：
1)天线（带前置放大器）
2)信号处理器，用于信号识别和处理
3)精密振荡器，用于产生标准频率
4)微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算
5)用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存储器
6)电源
天线前置放大器
信号处理器
微处理器
数据存储器外部传输
振荡器
用户信息传输
电源

图2-4 GPS接收机结构示意图
Fig.2-4 GPS Receiver Structure Sketch map
接收机硬件和机内软件以GPS数据的后期处理软件包，构成完整的GPS用户设备。机内软件是与接收机融为一体的控制接收机信号，对卫星信号进行测量，以及自动操作的程序等；GPS数据的后期处理的软件系统又称为机外软件。
GPS接收机一般用蓄电池做电源，但也可以同时采用机内、机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测，在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防数据丢失。
目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于观测。
2.4.2 GPS接收机输出的数据格式
GPS接收机的软件接口协议采用美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）制定的NMEA0183ASCII码协议，该协议为NMEA0183 2.0版（此协议是为了在不同GPS导航设备中建立统一的RTCN标准）。
所有的NMEA语句格式都是以ASCII码“$”开始，以“<CR><LF>”(回车换行符)结束，语句中的数据字段以逗号分隔；每条语句末端都有校验符（hh）该校验符是 “$”后的所有字节的8个比特 “按位异或”生成的，用户可通过校验符验证得到的结果。
在GPS数据接收过程中，最有用的定位语句是”GPRMC”语句，其格式和各字段的含义如下：
$ GPRMC,<1><2><3><4><5><6><7><8><9><10><11>*hh
1)当前位置的格林尼治时间，格式为hhmmss
2)状态,A为有效位置，V为非有效接收警告3.纬度，格式为ddmm.mmmm
4)标明南北半球，N为北半球、S为南半球
5)经度，格式为dddmm.mmmm
6)标明东西半球，E为东半球、W为西半球
7)地面上的速度，范围为0.0到999.9
8)方位角，范围为000.0到359.9
9)日期，格式为ddmmyy
10)地磁变化，从000.0到180.0度
11)地磁变化方向，为E或W
2.4.3 SA和AS政策
美国为了防止未经许可的用户把GPS用于军事目的（进行高精度实时动态定位），于1989年11月开始至1990年9月，进行“SA”和“AS”技术的实验，并于1991年7月开始实施SA技术。
SA（Selective Availability）技术即选择可用性技术，它人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，对标准定位服务（SPS）采用了技术和技术，故意降低GPS定位精度，使C/A码在95%的时间内，水平定位的精度为100m，高层定位的精度为140m，定时的精度为340ns。
AS（Anti-Spoofing）技术即反电子欺骗技术，其目的是防止敌方使用P码进行精密导航定位。当实施AS技术时，非特许用户将不能接收到P码。这项技术仅在特殊情况下使用。
但鉴于GPS巨大的实用价值，美国总统颁布法令，将GPS向民用领域免费开放，同时在2000年5月1日午夜起停止SA政策。
SA政策取消后，卫星钟和轨道的人为误差消除，标准定位服务提供的定位精　　　　度回到30m左右的水平。SA政策的取消，大大提高了单机定位的精度，测量导航不必采用差分的方式，一般的城市和乡村的车辆完全可以采用单机模式进行导航。

3 GPS数据采集卡
GPS数据接收和存储目前主要采用计算机的串口和数据采集卡，用中断方式进行。本设计将由单片机和双口RAM等外围电路组成采集卡，用通用的串行通信口与GPS接收机通讯，将GPS的数据采集存储于双口RAM中，当采集完一帧数据后，通过中断方式使另一片单片机读取双口RAM数据，并送给GSM移动通信平台。
3.1 GPS数据采集卡的硬件组成框图
根据GPS数据输出格式，GPS数据采集卡由CPU监控系统，可编程异步通讯接口，数据存储器，地址译码器和RS-232C/TLL转换芯片等组成框图如图3-1。
A7
.
.
.
A0
ALE
A7...A0
D7...D0
地址
锁存器
单片机
监控系统
通用异
步串行
通讯口
（
UART
）
D7...D0
RD/WR
A2...A0
TXD
RTS
DTR
CTS
RXD
地
GPS
接收机
A1...A8
CS
双口
RAM
CLK
地址译码器
和分频器
OE
CE
OE
/
CE
图3-1 GPS数据采集框图
Fig.3-1 The graph of GPS data collecting
3.2 GPS数据采集卡各部分功能
3.2.1 监控系统
监控系统的CPU由AT89C52组成。它属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特性和指令系统等方面完全兼容。其主要工作特点是：
1)片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可檫写寿命为100次；
2)片内数据存储器内含256字节的RAM；
3)具有32根可编程I/O口线；
4)具有3个可编程定时器；
5)中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断结构；
6)串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；
7)具有一个数据指针DPTR；
8)低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；
9)具有可编程的3级程序锁定位；
10)工作电源电压为5（10.2）V，且典型值为5V；
11)最高工作频率为24MHz
AT89C52单片机的引脚排列如图3-2所示。

图3-2 AT89C52引脚排列
Fig.3-2 AT89C52 pin Order
AT89C52的引脚排列与AT89C51的引脚排列相同，除了引脚P1.0和P1.1外，其余引脚的功能完全相同。表3-1列出了P1.0和P1.1的替代功能。
存储器组织和特殊功能寄存器
AT89C52单片机的数据存储器为256字节，程序存储器为8KB。数据存储器结构如图3-3所示。
AT89C52存储器在物理上存在4个存储空间：
1)程序存储器有片内程序存储器和片外程序存储器；
2)数据存储器有片内数据存储器和片外数据存储器；
AT89C52存储器在逻辑上存在3个地址空间：
1)片内、片外统一的64KB程序存储器地址空间；
2)片内256字节数据存储器和128字节SFR地址空间；
3)片外64KB的数据存储器地址空间。
表3-1 P1.0和P1.1的替代功能
Tab.3-1 P1.0 and P1.1 alternative function
引 脚
替代功能
说 明
P1.0
T2
定时器2的外部事件输入端可编程脉冲输出端

P1.1

T2EX
定时器2的捕捉/重装触发器输入端；定时器2的计数方向控制端

图3-3 数据存储器结构
Fig.3-3 Data storage structure
访问这些不同的逻辑空间时，应选用不同形式的指令。当引脚接地时，仅使用64KB的片外程序存储器，CPU从外部0000H～FFFFH的地址空间取指令；当引脚接时，CPU从片内000H地址开始取指令，当PC值超过1FFFH时，自动转到外存储器2000H～FFFFH地址空间执行程序。AT89C52的片内/外程序存储器在0000H～1FFFH地址空间重叠，由信号来区分。
片内/外数据存储器在物理空间上是互相独立的，在逻辑地址空间上有256字节的重叠区，各自有不同的访问指令加以区分。片外数据存储器为16位地址，用数据指针DPTR间址，用MOVX类指令访问。片内RAM用MOV类指令访问。
AT89C52片内RAM的低128字节（00H～7FH）也划分为3个区域：工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区。高128字节（80H～FFH）是片内RAM区与具有固定功能的SFR的地址空间重叠区域，但在物理空间上是完全分开的两部分，可以用位寻址方式来区分这个重叠的地址空间。使用直接寻址方式访问80H～FFH空间时，访问的是SFR；用间接地址（用和间址）访问80H～FFH空间时，访问的是数据存储器。很多文献中，直接用“片内RAM”来代表片内数据存储器。
与AT89C51相比，AT89C52的SFR增加到27个，表3-2列出了新增加的SFR的基本情况。
表3-2 AT89C52部分SFR
Tab.3-2 AT89C52 part of SFR
地 址
符 号
复 位 值
说明
0C8H
T2CON
0000H
定时器2控制寄存器
0C9H
T2MOD
XXXX XX00B
定时器2模式寄存器
0CAH
RCAP2L
000H
定时器2捕捉/重装寄存器低字节
0CBH
RCAP2H
000H
定时器2捕捉/重装寄存器高字节
0CCH
TL2
000H
定时器2低字节
0CDH
TH2
000H
定时器2高字节
3.2.2 可编程异步通信接口
GPS按标准串行异步通讯格式输出数据。在此，采集卡采用可编程串行异步通讯口做收发器。单片机有专门的异步收发器，可用定时器T1作波特率发生器，用TXD和RXD做收和发。但是，单片机AT89C52在扩展外部数据存储器时，ALE作为锁存地址低位字节，并以不变的频率周期输出。正是这个原因，对外部数据存储器某单元进行操作时，低位地址相同的单元内容将同时改变，影响了数据操作的可靠性。为了克服这种现象，可在内部寄存器SFR 8EH地址上置“0”来禁止ALE的输出。此时ALE只有在执行MOVX指令时才起作用，保证了外部数据存储器操作的唯一性。由于SFR 8EH地址上置“0”，即禁止了单片机波特率发生器。因此在此选用16C552可编程异步通信口。
1）异步通信芯片16C552的原理
16C552是TI（TI16C552）、VLSI（VL16C552）等公司生产的异步通信芯片，功能特点如下：
增强的双向打印机端口
16字节的FIFO可减少CPU中断
每个通道具有独立的发送，接受，线路状态和设置中断功能
每个通道具有独立的MODEM控制信号
每个通道具有可编程串行数据发送格式
数据位长度为5、6、7、8
偶校验、奇校验或无校验
停止位长度为1、1.5、2
可编程波特率发生器
每个通道对数据和控制总线具有三态TTL驱动
(1)16C552的管脚及功能框图
16C552是68针PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）封皮，其管脚功能如图3-4所示。从图中我们可以看出，它的串口主要完成两项功能，即把从外部设备或调制解调器接收进来的串行数据转换成并行数据；以及把CPU的并行数据转换成串行数据以利发送。在正常操作的过程中，CPU每时每刻都可以读16C552的完成状态。状态信息报告16C552传输操作的类型和状态，还包括各种错误状态，如奇偶校验、溢出、格式错误或停顿指示。另外16C552还具有完整的调制解调器控制功能，包括：
允许发送（CTS）；
请求发送（RTS）；
数据设备准备好（DSR）；
数据终端准备好（DTR）；
振铃指示（RL）；
载波检测（DCD）；
16C552的并口是一个标准的打印机接口，它可以通过PEMD管脚信号控制是工作在兼容模式还是扩展模式。
此外，16C552还具有自动排优的中断系统，并且它的串口和并口都可以工作在中断和查询两种工作方式。
CTSO
DSRO
DCD0
RID
SINO
CSO

RTSO

DTRO
SOUT0
INT0

串口1
串口2
35-33
选择
和
控制
逻辑
44
63
65
66
67
68
1
38
43
ACK
PEMD
CS2
ENIRQ
57
56
55
58
59
并行口
14-21
DB 0-DB7
8
53-46
PD0-PD7
INIT
AFD
INT2
STB
SLIN
ERR
SLCT
BUSY
PE
8
8
8
A0-A2
IOW
IOR
RESET
CLK
36
37
39
4
32
3
13
5
8
6
3
12
11
10
60
61
42
RTS1
DTR1
SOUT1
INT1
RXRDY1
TXRDY1
CTS1
DSR1
DCD1
RI1
SIN1
CS1
28
31
29
30
41
32
24
25
26
45
9
22
RXRDY0
TXRDY0

图3-4 功能框图
Fig.3-4 The graph for function
(2)串行接口寄存器
16C552内部对串行口操作有11个单字节寄存器。CPU执行输入输出可以访问这些寄存器。串行口的这11个寄存器占用了7个I/O端口地址，有些寄存器共同使用一个端口地址，可以通过读/写信号和线路控制寄存器的D7（DLAB）来区分。具体描述如表3-3所示。
表3-3 串行接口寄存器
Tab.3-3 The serial port Register
DLAB
A2
A1
A0
符号
寄存器
L
L
L
L
RBR
接收缓冲寄存器
L
L
L
L
THR
发送保持寄存器
L
L
L
H
IER
中断允许寄存器
X
L
H
L
IIR
中断识别寄存器
X
L
H
L
FCR
FIFO控制寄存器
X
L
H
H
LCR
线路控制寄存器
X
H
L
L
MCR
MODEM控制寄存器
X
H
L
H
LSR
线路状态寄存器
X
H
H
L
MSR
MODEM状态寄存器
H
L
L
L
DLL
除数锁存器低位
H
L
L
H
DLM
除数锁存器高位
下面就每个寄存器做一简单介绍。
①接收缓冲寄存器存放接收到并且已经转换过的并行数据。线路状态集训器的D0指明该寄存器是否已经接收到一个完整的字符。
②发送保持寄存器存放将要发送的数据，和发送缓冲寄存器有关的标志是线路状态寄存器的D5。若D5=1，说明发送缓冲寄存器空，可以送入下一个字符。
③有四种类型的事件能够引发串行接口中断请求，设置中断允许寄存器可以禁止某些中断源提出中断请求。在允许中断的条件下，如果有多个中断源申请中断，中断识别寄存器能够区分这些中断类型。
设置中断允许寄存器前必须将线路控制寄存器D7清为0。中断允许寄存器仅使用低4位。
D0=1 允许接收就绪中断
D1=1 允许发送缓冲器空中断
D2=1 允许接收出现错误或接收到间断信号中断
D3=1 允许MODEM状态中断
④四种类型的中断对应4级优先权，在中断识别寄存器中高5位不用，恒为0，D0=0表示有中断产生，D0=1表示无中断产生，D0与其他位组合定义如表3-4所示。
⑤FIFO控制寄存器是一个只写寄存器，它允许和清除FIFO，设置接收器FIFO触发标准和选择DMA信号的类型，对该寄存器的各位描述如下：
D0允许发送器和接收器的FIFO，该位为0时，在两者FIFO中的所有数据都被清除，对该寄存器的其它位编程时，必须将D0设置为1。
D1=1清除在接收器FIFO中的所有字节和重新设置计数器。
D2=1清除在发送器FIFO中的所有字节和重新设置计数器。
D3=1当D0=1时，将RXDRY和TXDRY从模式0改为模式1。
D4、D5保留为将来反应。
D6、D7设置接收器FIFO中断的触发标准。
表3-4 IIR的功能
Tab.3-4 The function of IIR
D3D2D1D0
优先级
中断类型
复位
0001
无
无
无
0110
1
接收状态有错
读LSR
0100
2