ATmega16A低成本的GPS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙櫸云,張波濤,胡寧博,楊薇

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原030051)

趙櫸云(碩士研究生),主要從事信號(hào)與信息處理方面的研究。

引 言

GPS(全球定位系統(tǒng))是為海上、陸地和空中各種運(yùn)輸工具和移動(dòng)設(shè)備的導(dǎo)航和定位而開(kāi)發(fā)的,具有高精度、全天候、全球性和點(diǎn)間無(wú)需通視等優(yōu)點(diǎn),使測(cè)量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍[1]。在GPS的行業(yè)應(yīng)用中,數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)是最基本的設(shè)備。目前,數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)具有智能化和可擴(kuò)展性不斷增強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì),表現(xiàn)為內(nèi)嵌的MCU性能越來(lái)越高,外圍接口越來(lái)越豐富,但軟硬件成本不斷上升,減緩了GPS接收系統(tǒng)平民化的趨勢(shì)[2]。綜上所述,本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)ATmega16A[3]的低成本、可存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸GPS接收系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)穩(wěn)定度高,可以滿(mǎn)足各種工程測(cè)量以及勘察測(cè)量等民用要求。

1 GPS接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

GPS接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本地GPS信號(hào)讀取、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)讀取和無(wú)線收發(fā)等功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

GPS接收系統(tǒng)工作過(guò)程為:ATmega16A利用GPS模塊獲取其所在位置的經(jīng)緯度等信息,并將該測(cè)試點(diǎn)處的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)中,通過(guò)上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。此外,ATmega16A帶有片上Flash,也可實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能,以便進(jìn)行離線處理。AT-mega16A通過(guò)控制無(wú)線收發(fā)模塊,實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送的功能[4]。

2 GPS接收系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

GPS接收系統(tǒng)主要由電源模塊、GPS模塊、GPS天線模塊、控制模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等部分組成。

2.1 電源模塊

圖1 G PS接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊是GPS接收系統(tǒng)工作的重要組成部分,實(shí)現(xiàn)的是系統(tǒng)供電功能。在GPS接收系統(tǒng)中,主要耗電的部分為無(wú)線收發(fā)模塊,該模塊工作在1 W接收功率時(shí)工作電流可達(dá)到700 mA,因此需要采用大電流的電源芯片,以保證系統(tǒng)供電需求。LM2576最大供電電流可達(dá)到3 A,完全滿(mǎn)足系統(tǒng)大功率接收時(shí)對(duì)電流的要求。此外,系統(tǒng)中其他模塊工作電壓為3.3 V,采用REG1117(3.3 V)芯片為系統(tǒng)提供工作所需電壓[5]。電源模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 電源模塊設(shè)計(jì)原理圖

2.2 GPS模塊

GPS模塊是影響系統(tǒng)測(cè)量精度的關(guān)鍵,該系統(tǒng)中GPS采用SDT11E模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。該模塊具有-158 dBm的接收靈敏度,定位精度可達(dá)2.5 m。高接收靈敏度和定位精度可以有效保證該系統(tǒng)的適用范圍[6]。其原理圖如圖3所示。

圖3 GPS模塊設(shè)計(jì)原理圖

2.3 GPS天線模塊

GPS天線形式是多種多樣的,可以是螺旋線圈天線、偶極子天線或是微帶天線。通常會(huì)在天線的前端加入一個(gè)低噪聲放大器,使得接收機(jī)內(nèi)維持一個(gè)低的噪聲系數(shù),這時(shí)需要由接收機(jī)前端通過(guò)RF同軸電纜對(duì)放大器供電。需要注意的是,當(dāng)使用GPS接收機(jī)解算位置的時(shí)候,實(shí)際上是在估計(jì)天線的電子相位中心的位置,而電子相位中心與物理相位中心常常不在同一點(diǎn)。對(duì)于測(cè)量型GPS接收機(jī)天線,電子和物理相位中心會(huì)有厘米級(jí)的差異。

系統(tǒng)采用的是SDT11E型GPS接收機(jī),它的天線單元如圖4所示。它具有的功能是接收由衛(wèi)星發(fā)射來(lái)的信號(hào)。

圖4 SDT11E型接收機(jī)天線部分

2.4 控制模塊

該GPS接收系統(tǒng)中,主要采用Atmel公司的AVR芯片ATmega16A作為系統(tǒng)的控制器,控制器主要實(shí)現(xiàn)控制GPS模塊、控制無(wú)線收發(fā)模塊、控制 USB傳輸模塊、處理接收的GPS信號(hào)、從Flash芯片中存取數(shù)據(jù)等功能。

由于GPS模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、USB模塊均采用串行接口,控制器內(nèi)部只帶有一個(gè)串口功能,因此采用通用I/O口模擬串口通信方式完成對(duì)GPS和收發(fā)模塊的控制。同時(shí)設(shè)計(jì)了帶接收中斷功能的串口模塊,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。本收發(fā)模塊中對(duì)接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,提取出了經(jīng)緯度、高度及時(shí)間信息,增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有效信息量[7]。I/O口模擬串口通信模塊工作流程如圖5所示。

圖5 Ⅰ/O口模擬串口通信模塊工作流程

2.5 無(wú)線收發(fā)模塊

為提高該系統(tǒng)的定位精度,并有效降低系統(tǒng)功耗,本系統(tǒng)采用無(wú)線收發(fā)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。

圖6 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)原理圖

該無(wú)線收發(fā)模塊主要使用MaxStream公司的9XTend模塊,其主要特點(diǎn)是:與傳統(tǒng)無(wú)線調(diào)制方式相比,在相同的發(fā)射功率的情況下采用擴(kuò)頻通信方式可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。它是MaxStream公司目前傳輸距離最長(zhǎng)(視距傳輸距離為 40 km)的低功耗OEM RF模塊。9XTend在5 V電壓下,電流消耗只有780 mA,輸出功率可達(dá)1 W(30 dBm)。該收發(fā)器的接收靈敏度達(dá)-110 dBm,可使用戶(hù)在1.5英里、15英里視距和40英里(通過(guò)高增益天線)接收900 MHz信號(hào),數(shù)據(jù)吞吐量為230 kbps,數(shù)據(jù)率可達(dá)115.2 kbps。通過(guò)對(duì)該模塊的使用,有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS信號(hào)的接收。

2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用Flash芯片來(lái)存儲(chǔ)該系統(tǒng)采集的GPS位置信息,便于進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。該GPS接收系統(tǒng)使用的Flash芯片為K9F1208U0M,它是Samsung公司生產(chǎn)的采用NAND技術(shù)的大容量、高可靠Flash存儲(chǔ)器。圖7是K9F1208U0M芯片與ATmega16A的外圍連接電路。

圖7 K9F1208U0M芯片與ATmega16A的外圍連接電路

K9F1208U0M的接口控制方法:K9F1208U0M在應(yīng)用時(shí)必須通過(guò)外部ATmega16A來(lái)控制其內(nèi)容的讀寫(xiě)。K9F1208U0M的數(shù)據(jù)總線與ATmega16A的數(shù)據(jù)口PA口相連,用 ATmega16A的地址高位引腳 PB6作為K9F1208U0M的片選信號(hào)(CS);PB5接K9F1208U0M的命令數(shù)據(jù)選擇端(CMD/DATA),而PB4接K9F1208U0M的地址鎖存允許端(ALE)。

讀寫(xiě)操作流程:進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)先要寫(xiě)入命令字80H,通知K9F1208U0M要進(jìn)行寫(xiě)操作,然后順序?qū)懭肽康牡氐刂泛痛龑?xiě)入的數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意的是,地址只需寫(xiě)入一次,便可以連續(xù)寫(xiě)入多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。地址指針的調(diào)整是由K9F1208U0M內(nèi)部邏輯控制的,不用外部干預(yù)。寫(xiě)入操作是以頁(yè)為單位(1～528字節(jié))進(jìn)行的,即每次連續(xù)寫(xiě)入能超過(guò)528個(gè)字節(jié)。這是由K9F1208U0M的工作方式?jīng)Q定的:寫(xiě)入的數(shù)據(jù)先保存至Flash內(nèi)部的頁(yè)寄存器(528字節(jié))中,然后再寫(xiě)入存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)寫(xiě)完之后還要給K9F1208U0M發(fā)出1個(gè)寫(xiě)操作指令10H,通知其將頁(yè)寄存器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)單元,隨后就應(yīng)該對(duì)狀態(tài)引腳進(jìn)行查詢(xún)。如果該引腳為低,表明此次寫(xiě)操作結(jié)束。最后的步驟是數(shù)據(jù)校驗(yàn),如果采用了ECC校驗(yàn)?zāi)Ｊ?則此步驟可以省略。

使用ATmega16A控制器完成Flash驅(qū)動(dòng)函數(shù)主要包括:讀ID;塊擦除;寫(xiě)入一頁(yè)數(shù)據(jù);壞塊檢測(cè);讀取一頁(yè)數(shù)據(jù)。

另外,注意事項(xiàng)有:在以K9F1208U0M為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,需要注意無(wú)效塊的問(wèn)題。無(wú)效塊即包含一個(gè)和多個(gè)無(wú)效數(shù)據(jù)位的塊。由于結(jié)構(gòu)方面的原因,一塊(32頁(yè))中有一個(gè)無(wú)效位也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)塊無(wú)效。因此,系統(tǒng)必須在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)避開(kāi)無(wú)效塊。出廠時(shí),每片K9F1208U0M的無(wú)效塊信息均保存在一個(gè)無(wú)效塊信息表中,可以根據(jù)該表中的原始無(wú)效塊信息識(shí)別無(wú)效塊的位置。在K9F1208U0M的使用過(guò)程中,應(yīng)隨時(shí)對(duì)無(wú)效塊情況進(jìn)行檢查和更新,以保證無(wú)效塊表內(nèi)容的準(zhǔn)確性。

3 微控器軟件程序設(shè)計(jì)

該ATmega16A軟件程序流程如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)該GPS接收系統(tǒng)的系統(tǒng)性能,選擇一空曠地域組織了若干次實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是固定地點(diǎn)接收衛(wèi)星信號(hào)。圖9是 GPS接收系統(tǒng)實(shí)物圖和Flash數(shù)據(jù)讀取圖。

圖8 ATmega16A軟件程序流程

圖9中左邊是GPS接收系統(tǒng)的實(shí)物圖,右邊是通過(guò)該GPS接收系統(tǒng)采集回來(lái)的數(shù)據(jù),然后經(jīng)過(guò)Flash讀取而得到的信息。GPS衛(wèi)星接收系統(tǒng)采集到的坐標(biāo)是世界大地坐標(biāo)系(WGS-84)坐標(biāo)。輸出的數(shù)據(jù)格式為:“時(shí)間+維度+經(jīng)度+星數(shù)+高度”,接收回來(lái)的數(shù)據(jù)充分顯示系統(tǒng)穩(wěn)定度很高。

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于AT-mega16A的GPS接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸、定位精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)穩(wěn)定度很高,易于推廣普及,可用于普通民用地理定位領(lǐng)域,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

圖9 GPS接收系統(tǒng)實(shí)物圖和Flash數(shù)據(jù)讀取圖

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