51单片机接收GPS数据的算法与实现

【摘 要】 本文研究的对象为处理器为51单片机的应用系统，研究的主要内容为应用系统在编程的过程中的内存使用区划分、GPS定位信息流数据格式两方面。在应用系统在使用的过程中，51单片机具有内存较小的特点，而GPS导航具有数据流较大的特点，两者之间存在着较大的矛盾。为了解决这一矛盾，本文提出了51单片机接收GPS数据的压缩算法。

【关键词】 51单片机 GPS数据 数据压缩

在嵌入式的GPS车载系统的处理器一般情况下采用51单片机，但是这种处理器具有内存较小的特点，其内存仅为128B，而GPS定位信息数量流具有较大的特点。51单片机内存与GPS定位信息之间存在着严重的矛盾，本文针对这对矛盾提出了GPS数据的压缩算法，更好地解决了51单片机在应用过程中内存较小的问题。

1 51单片机内存较小的特点

51单片机具有内存较小的特点，其内存仅为128B，其中寄存器区为32个字节、数据缓冲区为80个字节、位寻址区为16个字节[1]。在对单片机技术人员的技术水平进行衡量的过程中，单片机内存宝贵资源的利用率是其重要的衡量标准之一。如果项目开发过程中应用了51单片机，那么程序设计人员在内存资源利用的过程中，寄存器区的主要功能为参与程序运算数据寄存单元，数据缓冲区的主要功能为对数据运算结果或中间结果进行缓存，位寻址去的主要功能为变量或标志的定义。

2 GPS定位信息量较大的特点

GPS接收机在工作状态中会不间断地进行GPS导航定位信息的传输，通过串口将这些信息传输到单片机中。如果没有对这些GPS导航定位信息进行处理，那么这些数据将是一长串字节流信息。因此，必须要通过一定的程序对GPS导航定位信息进行转化，使其具有实际意义并能够为高层决策提供依据。GPS在进行信息提取的过程中与其他的通信协议类似，首先要对帧结构进行明确，之后依据结构进行定位信息的提取。

3 51单片机内存与GPS定位信息之间的矛盾

嵌入式的GPS车载系统的使用者关注的主要内容包括日期、时间、纠度、面速度等，因此GPS系统可以采用$GPRMC记录语言。这种语言所包含的字节为70个，主要的内容包括语句标识头、世界时间、定位状态、纬度、纬度方位、经度、经度方位、地面速度、地面路线、日期、磁偏角、校验和和结束标记[2]。如果试用51单片机作为接收器，单片机内存缓冲区需要花费70个字节，导致数据缓冲区的80个字节所剩无几，根本不能够用作他途。

4 GPS接收程序的设计与算法分析

通过对GPS数据记录进行分析发现，语句之间的数据段中存在着较多的冗余位[3]。此外，数据记录中包含数字、英文字符多种形式，因此将GPS数据进行划分，为之后的压缩工作奠定基础。例如：

$GPRMC，（UTC时间）12153，（UTC时间）（定位状态）0033.4304，（纬度）（纬度半球）00118.2030，（经度）（经度半球）029.8，（地面速度）240.8，（地面航向）050712，（UTC日期） 120.E，（磁偏角）A，（校验和）。

第一，在语句标识头$GPRMC，的处理过程中，由于所有语句的标识头都是相同的，可以将这7个字节作为冗余信息进行去除，从而节约7个字节的位置。在程序处理的过程中，可以对$GPRMC，进行预置，实现标识头与GPS信息的同步信号监测处理。第二，UTC时间同样占用7个字节，通过时分秒的格式对世界时间进行指示，在加上8小时之后转换为背景时间[4]。在UTC时间中可以将“，”视为冗余位进行去除。第三，定位状态占用2个字节，依据定位状态对GPS信息定位的成功与否进行判断，定位状态中可以将“，”视为冗余位进行去除。第四，纬度占用10个字节，可以将“.”、“，”视为冗余位进行去除。第五，纬度指示器占用2个字节，其作用是对东西经进行指示，所有的$GPRMC，中的该信息段都位于东经，因此可以将其视为冗余位进行去除。第六，纬度占用11个字节，可以将“.”、“，”视为冗余位进行去除。第七，纬度指示器占用2个字节，所有的$GPRMC，语句中该段信息都相同，可以将其视为冗余信息进行去除。第八，地面速度占用6个字节，可以将“.”、“，”视为冗余位进行去除。第九，地面航向占用6个字节，可以将“.”、“，”视为冗余位进行去除。第十，其他记录段中所有无关的都可以进行保留，能够去除17个字节。

通过压缩与处理之后，共去除掉38个字节，剩余的字节数为32个。在压缩与处理的过程中最为重要的就是“.”与“，”符号的去除，其他的冗余为可以通过接受不存储的方法进行去掉[5]。为了实现直观的效果，可以进行单片机的单字节串行口接收的子程序和接收GPS数据流中的一段如时间、经度、纬度等并去掉GPS数据串中间的“，”和“.”两个符号的子程序的设置。

5 结语

通过对GPS数据流的压缩与处理，能够实现GPS车载系统中51单片机处理器存储空间的节省，还具有信道占用时间降低、数据安全性提高等特点。本文提出的压缩程序针对的对象为GPS数据格式，因此该压缩程序具有压缩比较大、通用性较差的特点。在将该程序移植到其他系统中时，需要对其进行一定的修改。各个GPS厂家执行的规范标准都是NMEA-0183输出语句，这就为改压缩程序的通用奠定了基础，而进行修改的主要原因为数据输出格式具有差别。

参考文献：

[1]王波，冬梅，刘东.基于ATMEGA644P单片机的GPS数据记录器[J].电子世界，2014（43）：5-6.

[2]刘晓，伍小东，姚军光，魏权利.基于单片机采集GPS数据系统的设计[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2011（65）：172-175.

[3]郭耀华.基于单片机的GPS数据采集与传输系统的设计与实现[J].山东工业技术，2013（64）：48-49.

[4]董作民，姜木霖，陈晓青，段润雪.MCS-51单片机与GPS-OEM板数据通讯的研究与应用[J].湖北汽车工业学院学报，2010（25）：37-41.

[5]魏守明，周生辉.GPS数据在出租车集群调度系统中的传输方案[J].电子技术，2012（5）：29-31.