基于ARM微控制器的GPS接收機(jī)的研究與設(shè)計

張青苗 ，劉永鴻 ，何寶福

(1.防空兵指揮學(xué)院 研究生16隊，河南 鄭州450052；2.防空兵指揮學(xué)院 科研部，河南 鄭州450052)

全球定位系統(tǒng)(GPS)作為一種成熟的導(dǎo)航定位技術(shù),以其全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及所獨具的定位導(dǎo)航、授時授頻、精密測量等多方面的強(qiáng)大功能，使其用途越來越廣泛。但傳統(tǒng)的使用8 bit單片機(jī)設(shè)計的GPS接收機(jī)，在數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)性能提升以及功能擴(kuò)展等方面存在較大的不足。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，以ARM為代表的32 bit微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點，在現(xiàn)實中獲得了廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了一種GPS接收機(jī)的整體設(shè)計方案,該方案采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作為接收機(jī)的射頻前端，內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器。該方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特點。

1 GPS定位原理

GPS由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，分布在高度為20 200 km的6個軌道平面上，運行周期為ll h 58 min，其在空間的軌道分布保證了在地球上任何地方、任一時刻都能接收到至少4顆GPS衛(wèi)星的信號[1-3]。

為了確定接收機(jī)在地球上的位置，首先要得到衛(wèi)星的瞬時空間位置，即接收機(jī)根據(jù)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星的星歷參數(shù)，通過計算得到當(dāng)前衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系中的瞬時位置坐標(biāo)。星歷參數(shù)是描述衛(wèi)星運行軌道的一組數(shù)據(jù)，由衛(wèi)星以導(dǎo)航電文的形式連續(xù)不斷地向地面用戶接收機(jī)播發(fā)。其中包括星歷參數(shù)的參考?xì)v元、參考?xì)v元的開普勒軌道參數(shù)和軌道攝動改正項。其中，除真近點角f是時間的函數(shù)外，其余均為獨立的常數(shù)。因此，計算衛(wèi)星任一瞬時位置的關(guān)鍵就在于計算參數(shù) f。

為了確定接收機(jī)在地球上的位置，還需通過測量獲得接收機(jī)對衛(wèi)星的相對距離，結(jié)合該衛(wèi)星在空間的瞬時位置坐標(biāo)，確定觀測點的定位參數(shù)所對應(yīng)的圓面，由3個或3個以上的圓面在三維空間內(nèi)相交而得出自己在地球上的位置，實現(xiàn)高精度的定位和導(dǎo)航。

但是，由于接收機(jī)時鐘與衛(wèi)星時鐘不能達(dá)到完全同步，接收機(jī)通信鏈路得到的接收機(jī)到衛(wèi)星的距離應(yīng)記為偽距ρ，它包含從衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離和由接收機(jī)時鐘與衛(wèi)星時鐘之間的差異而造成的偏移，其中接收機(jī)時鐘偏移tu也是未知數(shù)。因此，確定接收機(jī)位置需解算 4個未知數(shù)，即位置坐標(biāo)的 3個分量（x，y，z）和時鐘偏移 tu，至少需要 4個方程式，即至少需要觀測到4顆衛(wèi)星。

規(guī)定下標(biāo)為衛(wèi)星號，則產(chǎn)生定位的基本方程組為：

對方程組進(jìn)行微分，做線性化處理，并將接收機(jī)的近似位置坐標(biāo)(x0，y0，z0)和時間偏差估計值 t0作為初始值代入，得到：

3個坐標(biāo)分量的系數(shù)是近似用戶位置指向第s號衛(wèi)星的矢量的方向余弦。第一次計算定位時，如無近似位置可用，可將（0，0，0）作為初始值，也可由用戶手動輸入接收機(jī)的近似位置坐標(biāo)作為初始值代入以減少迭代次數(shù)。如果在不久以前的工作中已獲得位置，則可用所存儲的位置作為初始值進(jìn)行迭代，從而減少迭代次數(shù)，縮短解算時間。

如果這樣計算出的結(jié)果不夠精確，則將解算出的點坐標(biāo)作為新的初始估計值代入，再重新按上述步驟求解，一般迭代2～3次便可達(dá)到可接受的精度要求。

當(dāng)僅觀測到4顆衛(wèi)星時，采用上述算法即可獲得用戶位置和時間偏移的單點解。若在觀測過程中跟蹤到4顆以上的衛(wèi)星，則出現(xiàn)了冗余觀測量，可用最小二乘法平差求解獲得用戶位置和時間偏移的估值，還可采用動態(tài)濾波等抗干擾手段平滑導(dǎo)航解，進(jìn)一步提高導(dǎo)航定位的精度及連續(xù)性。

2 GPS接收機(jī)的硬件設(shè)計

衛(wèi)星信號由天線接收,直接進(jìn)入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號。中頻信號經(jīng)采樣信號采樣、量化后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號。數(shù)字中頻信號進(jìn)入基帶數(shù)字處理器，基帶數(shù)字處理器完成衛(wèi)星信號的處理后，解調(diào)出導(dǎo)航電文，進(jìn)行相應(yīng)的處理后給出所需的定位信息或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。

GPS接收機(jī)的基本組成如圖1所示[4-6]。

2.1基于ATR0600的射頻前端電路設(shè)計

射頻(RF)前端模塊位于接收機(jī)天線與基帶數(shù)字信號處理模塊之間,它通過天線接收所有可見GPS衛(wèi)星信號,經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后,再與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號進(jìn)行混頻而下變頻成中頻(IF)信號,最后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將中頻信號離散成包含GPS信號成分的、頻率較低的數(shù)字中頻信號，并在此過程中進(jìn)行必要的濾波和增益控制。

本設(shè)計中射頻前端主要由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片及外圍濾波電路構(gòu)成，它是一個GPS接收機(jī)射頻前端IC芯片，采用單IF結(jié)構(gòu)，芯片上包含有混頻器、IF放大器、2 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集成度和很小的功耗（約50 W）。

ATR0600通過外部天線接收1 575.42 MHz的L1 GPS信號，經(jīng)過一個無源帶通濾波器和LNA(低噪聲放大器)進(jìn)行第1級濾波、放大后，被外部 SAW濾波器進(jìn)行鏡像抑制并對1 800 MHz GSM頻帶信號進(jìn)行隔離。該信號與基準(zhǔn)頻率為23.104 MHz的本振信號進(jìn)行混頻,混頻器將GPS信號下變頻到97.76 MHz中頻。混頻后，該信號經(jīng)過LC帶通濾波器和可變益放大器(VGA)，與片上集成的中頻帶通濾波器組合，完成對GSM干擾信號的濾波。VGA輸出驅(qū)動集成的1.5 bit A/D轉(zhuǎn)換器，將中頻信號轉(zhuǎn)化成4.35 MHz的數(shù)字中頻信號。

2.2基于ATR0620的基帶處理器電路

基帶數(shù)字信號處理模塊是GPS接收機(jī)的核心部分,它通過處理射頻前端所輸出的數(shù)字中頻信號，復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號，從而實現(xiàn)對GPS信號的捕獲與跟蹤,并且從中獲得GPS偽距和載波相位等測量值以及解調(diào)出導(dǎo)航電文。

基帶數(shù)字信號處理模塊通常是硬件與軟件相結(jié)合的有機(jī)體，其中載波解調(diào)和C/A碼解擴(kuò)通常是由ASIC硬件形式的數(shù)字信號處理器來完成的，而在微處理器中運行的跟蹤環(huán)路控制軟件通過計算來調(diào)節(jié)數(shù)字信號處理器的各種操作。由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0620芯片包含有一個基于ARM7TDMI處理核的16通道相關(guān)器，它具有高性能的32 bit RISC結(jié)構(gòu)，使用16 bit指令系統(tǒng)，能利用ARM7TDMI微控制器核與片上RAM完成GPS16通道相關(guān)器和外圍設(shè)備接口功能。利用芯片內(nèi)部大量的功能寄存器可以滿足實時控制應(yīng)用需求。

2.3 GPS接收機(jī)的電路設(shè)計

ATR0600射頻前端為ATR0620提供衛(wèi)星信號、主時鐘信號和其他一些控制信號,而ATR0620為ATR0600提供采樣信號。圖2為利用ATR0600和ATR0620芯片設(shè)計的GPS接收機(jī)方框圖。

2.4存儲模塊及通信接口

選用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C1041，由片選信號NSCS[I]選通來擴(kuò)展 SRAM，容量為 4 MB。Flash則選用ST公司的4 MB容量的SST39VF400芯片，由片選信號NSCS[0]選通。

接收機(jī)中設(shè)計了兩種通信接口：一種是JTAG調(diào)試接口，連接JTAG仿真器進(jìn)行開發(fā)調(diào)試，下載用戶程序；另一種是RS232通信串口，用于與主機(jī)通信。

3 GPS接收機(jī)的軟件設(shè)計

GPS的用戶設(shè)備主要由接收機(jī)硬件和處理軟件組成。用戶通過用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終達(dá)到利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。GPS接收機(jī)軟件的處理流程如圖3所示。程序包含匯編語言程序(用于引導(dǎo)和系統(tǒng)初始化)和C語言應(yīng)用程序(用于主要的導(dǎo)航定位計算)兩部分。軟件整體采用并行任務(wù)結(jié)構(gòu)，由相關(guān)器產(chǎn)生的累加數(shù)據(jù)IRQ中斷信號進(jìn)行任務(wù)切換的驅(qū)動，在中斷服務(wù)程序中更新偽碼、載波和數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路。

GPS接收機(jī)的應(yīng)用軟件根據(jù)不同的用途而有所區(qū)別，主要包括數(shù)據(jù)采集與分析、衛(wèi)星位置計算、時間推算、差分定位和動態(tài)定位等程序。本文設(shè)計的GPS接收機(jī)上的程序主要在ARM—μCLinux交叉編譯環(huán)境下用C語言進(jìn)行編寫，通過ARM7 JTAG接口連接JAG仿真器進(jìn)行調(diào)試和移植。

3.1初始化/清除模塊

在初始化程序段中要完成對GPS設(shè)備的注冊,設(shè)備節(jié)點的創(chuàng)建和對串口相關(guān)寄存器的初始化。部分代碼如下：

3.2兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

模塊驅(qū)動的最終目的就是取得GPS信息,因此規(guī)范GPS數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和速率都是有益的。

3.3驅(qū)動程序的模塊操作

在導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入GPS導(dǎo)航模式時，系統(tǒng)首先將GPS模塊注冊到操作系統(tǒng)中，實現(xiàn)初始化過程，再通過gps_open函數(shù)打開設(shè)備。此過程中完成對中斷、緩沖區(qū)以及定時器等資源的申請，為GPS數(shù)據(jù)讀取做準(zhǔn)備。通過gps_write()向模塊寫命令字來自主地選擇工作模式，gps_ioctl()則是選擇串口傳輸模式，使之與GPS模塊傳輸模式相匹配。之后的應(yīng)用程序?qū)?chuàng)立一個獨立的進(jìn)程gps_read()來讀取GPS數(shù)據(jù)，該進(jìn)程沒有數(shù)據(jù)時將一直處于睡眠狀態(tài)等待數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)時進(jìn)入中斷處理模塊，完成數(shù)據(jù)的分析，生成GPS_DATA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，供導(dǎo)航使用。這個進(jìn)程是隨著導(dǎo)航模式的切換而終止的，此時除了關(guān)閉進(jìn)程外，還需調(diào)用gps_release()釋放申請的所有資源，并關(guān)閉設(shè)備。

4性能測試

本設(shè)計的GPS接收機(jī)采用內(nèi)嵌ARM7核的GP4020芯片作為接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器。通過實驗調(diào)試，消除了以往微處理器的瓶頸效應(yīng)，具有體積小、功耗低、性能高的特點。其主要性能指標(biāo)如下：

(1)最大數(shù)據(jù)更新速率4 Hz；

(2)定位精度 3 m CEP；

(3)功率消耗＜0.1 W；

(4)信號重新捕獲時間＜1 s；

(5)動態(tài)范圍＜4 g；

(6)首次定位時間：熱啟動時間為 2.5 s；冷啟動時間為 41 s；“暖”啟動時間為 31 s。

利用Atmel公司生產(chǎn)的ATR06XX芯片組和ARM的高效處理控制技術(shù)精心設(shè)計的超外差式GPS接收機(jī)可達(dá)到很高的接收靈敏度、頻率選擇性和較大的動態(tài)范圍，并具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、省電等優(yōu)點。最后經(jīng)整機(jī)測試，指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。如在此基礎(chǔ)上對硬件中的天線部分和軟件中的程序設(shè)計等加以修改，此方案可應(yīng)用于我國的“北斗一號”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。因此，本設(shè)計具有廣闊的應(yīng)用范圍。

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