在嵌入式系统开发中，GPS模块的应用日益广泛，尤其在定位、导航以及时间同步等场景中发挥着重要作用。而基于8位单片机（如常见的AT89S51）的系统由于其成本低、结构简单，在一些对性能要求不高的项目中依然被广泛应用。本文将围绕如何在51单片机上实现GPS数据的接收与解析，探讨相关的算法设计与实际实现方法。
一、系统整体架构
本系统主要包括以下几个部分：
1. GPS模块：用于接收卫星信号并输出NMEA 0183格式的数据。
2. 51单片机：作为主控芯片，负责接收和处理GPS数据。
3. 串口通信模块：用于实现单片机与GPS模块之间的数据传输。
4. 显示模块（可选）：如LCD或LED显示屏，用于显示接收到的GPS信息。
整个系统的运行流程为：GPS模块持续发送数据，单片机通过串口接收这些数据，并进行解析，最终提取出有用的信息（如经纬度、速度、时间等）。
二、GPS数据格式简介
GPS模块通常以NMEA 0183协议输出数据，其中最常用的语句是GPRMC（Recommended Minimum Specific GPS/Transit Data）和GPGGA（Global Positioning System Fix Data）。以下为两个典型语句的示例：
- GPRMC：
```
$GPRMC,082036.00,A,3958.46147,N,11620.35447,E,0.0,0.0,170419,,,A75
```
- GPGGA：
```
$GPGGA,082036.00,3958.46147,N,11620.35447,E,1,08,1.0,32.4,M,34.0,M,,7B
```
从这些语句中可以提取出时间、纬度、经度、海拔高度、卫星数量等关键信息。
三、51单片机的串口通信设置
51单片机的串口通信通常使用UART接口，其配置主要涉及以下步骤：
1. 初始化串口模式：选择方式1（8位异步串行通信），设定波特率。
2. 开启串口中断：用于实时接收GPS数据。
3. 设置接收缓冲区：用于存储接收到的字符数据。
在C语言编程中，可以通过设置SCON寄存器来配置串口工作模式，同时利用定时器（如T1）生成合适的波特率。
四、数据接收与解析算法
1. 数据接收
通过串口接收GPS数据时，需要不断读取串口缓冲区中的字符，并将其存储到一个数组中，直到遇到换行符（`\r\n`）为止，表示一条完整的NMEA语句接收完成。
2. 数据解析
解析过程主要包括以下几个步骤：
- 判断语句类型：根据起始字符（如`$GPRMC`或`$GPGGA`）确定当前数据类型。
- 提取字段值：按逗号分隔各个字段，逐个提取所需信息。
- 数据转换：将字符串形式的数值（如“3958.46147”）转换为浮点数或整数形式，便于后续处理。
例如，对于GPRMC语句中的纬度字段“3958.46147”，可以将其拆分为度数部分（39）和小数部分（58.46147），再按照“度+分”的格式进行转换。
五、程序实现
以下为简化版的代码逻辑框架（基于C语言）：
```c
include
define BAUD_RATE 9600
unsigned char rx_buffer[128];
unsigned int rx_index = 0;
void UART_Init() {
SCON = 0x50;// 8位异步串行通信，允许接收
TMOD |= 0x20; // 定时器1方式2
TH1 = 256 - (11059200 / 12 / 32 / BAUD_RATE);
TL1 = TH1;
TR1 = 1;// 启动定时器1
ES = 1; // 使能串口中断
EA = 1; // 全局中断使能
}
void UART_ISR() interrupt 4 {
if (RI) {
RI = 0;
rx_buffer[rx_index++] = SBUF;
if (rx_buffer[rx_index - 1] == '\n') {
rx_index = 0;
Parse_GPS_Data(rx_buffer);
}
}
}
void Parse_GPS_Data(unsigned char data) {
// 解析函数，提取所需字段
}
void main() {
UART_Init();
while(1);
}
```
六、结论
通过对51单片机与GPS模块的结合，可以实现低成本、高稳定性的定位系统。虽然51单片机的处理能力有限，但在简单的应用场合下，其性能完全能够满足需求。本文详细介绍了GPS数据的接收与解析方法，并给出了具体的程序实现思路，为相关项目的开发提供了参考依据。
