基于GPS-OEM的GPS定位終端系統設計

摘 要：本文對基于GPS-OEM板的GPS定位系統整個硬件電路的設計作了詳細的描述。硬件系統主要包括以下幾個模塊：S3C44B0X基本工作電路，串口電路，存儲器電路，JTAG調試電路和GPS接口電路。論文首先進行了總體方案介紹，然后分別對主要電路模塊進行詳細介紹，包括模塊功能、芯片選擇以及管腳連接方式，并分別給出實際的電路原理圖。最后對整個硬件調試過程做了概述。

關鍵詞：GPS－OEM GPS 定位終端

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

*基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助（編號2010-Ⅳ-036）

本文采用GPS-OEM板代替傳統的GPS接收機接收衛星導航信號。首先根據需要對OEM板進行初始化設計，即讓OEM板工作在設定工作模式下，捕獲并跟蹤待測衛星，對接收到的信號進行變換、放大和處理，測量出GPS信號從衛星到接收天線的傳播時間并解譯出GPS衛星所發送的導航電文，最后實時解算出測量站的三維位置、速度和時間等數據信息。再經OEM板標準I/O口輸出該串行定位數據（NMEA-0183格式）。然后由微處理器ARM單片機串行口對前向通道傳送來的串行信號（經度、緯度）進行接收、校驗、顯示、存儲等。即通過所編制的單片機軟件程序實現對所接收的數據進行讀取、判斷、運算等一系列處理，以及對本身工作參數的設定，最后將最終處理數據送到輸出端口、控制外圍驅動電路及上位PC機通訊。上位機信息處理系統用于人機交互，存儲數據形成歷史記錄，以供需要時調用參考或其它高端處理等。

本系統硬件接口元件包括： THALES（泰雷茲）公司生產的AC12 GPS-OEM板、ARM7為核心技術的微處理器三星S3C44B0X、、RS232接口芯片MAX232、電源專用芯片、大功率驅動芯片、FLASH ROM、SRAM擴展芯片及其他外圍輔助芯片等。

整個系統硬件包含以下幾個部分：S3C44B0X基本工作電路，串口電路，存儲器電路， GPS接口電路。此外該硬件系統還預留了USB接口，A/D轉換接口及網卡口，這些接口是留給以后按需要作功能擴展時用。以下分別對各個電路模塊的設計與實現進行詳細闡述。

1 S3C44B0X基本工作電路與存儲模式選擇

本系統的核心控制單片機芯片，采用的是ARM7TDMI系列三星S3C44BOX。以下簡稱44B0。44B0共160只引腳，采用LQFP封裝，盡管引腳較多，但根據各自的功能，分布很有規律，主要有電源、地、地址總線、數據總線和通用I/O口，以及一些專用模塊的接口，如LCD，UART，IIC，IIS，DMA，JTAG等；S3C44BOX的引腳類型分為三類，即輸入(I)、輸出(O)、輸入/輸出(I/0)，輸出類型的引腳主要用于對外設的控制或通訊，由S3C44BOX主動發出，這些引腳的連接不會對S3C44BOX自身的運行有太大的影響，輸入/輸出類型的引腳主要是S3C44BOX與外設的雙向數據傳輸通道，輸入類型的引腳用于外設信號的輸入，某些輸入類型的引腳，其電平信號的設置是S3C44BOX本身正常工作的前提，在系統設計是必須小心處理。

S3C44BOX的主要控制信號如下:

ENDIAN：大、小端模式選擇引腳。高電平=大端模式，低電平=小端模式；

OM[1:0]：在生產時設置S3C44BOX的測試模式，在工作時確定nGCS0的總線寬度，其邏輯電平在復位期間由其管腳上拉和下拉電阻確定，其中：

00：8 bit；

01：16 bit；

10：32 bit；

11：Test mode

OM[3:2]：確定時鐘模式，模式為:

00：Crystal(連XTALO，EXTALO)，PLL(鎖相環)ON；

01：連EXTCLK，接外部時鐘，PLLON；

10，11：系統測試模式；

在系統硬件電路設計中，以上OM[3：0]這幾個控制引腳的具體連接方式如圖1所示。

圖1 44B0 OM[3：0]控制模式電路圖

按圖1的電路連接方式，則OM[1:0」為01，表示nGCS0總線寬度為16 bit，OM[3:2]為00，表示接系統時鐘，且PLL打開;XTALO，EXTALO接系統時鐘晶振，XTAL1，EXTALI接32KHz的RTC(實時時鐘)。在實際系統中在系統中S3C44BOX使用兩個無源晶振，一個用于實時時鐘，頻率為32MHz，另一個用于PLL電路，頻率為10MHz，經PLL電路倍頻后，最高可以達到66MHz。

2 串口電路

幾乎所有的微控制器、PC都提供串行接口，使用電子工業協會(EIA)推薦的RS-232C標準，這是一種很常用的串行數據傳輸總線標準。RS-232C標準采用的接口是9芯或25芯的D型插頭，9芯D型插頭較常用。要完成最基本的串行通信功能，實際上只需要RXD，TXD和GND即可，但由于RS-232C標準所定義的高、低電平信號與ARM單片機的TTL電路所定義的高、低電平信號完全不同，TTL的標準邏輯“1”對應2V～3.3V電平，標準邏輯“0”對應0V～0.4V電平，而RS-232C標準采用負邏輯方式，標準邏輯“1”對應-5V~-15V電平，標準邏輯“0”對應+5V～+15V電平，顯然，兩者間要進行通信必須經過信號電平的轉換，目前常使用的電平轉換電路。由于本電路硬件系統所用的芯片均為貼片式，顧將雙列直插式MAX232芯片換成相對應的貼片式芯片MAX3232。考慮系統的輕巧便捷，采用9芯的D型插頭，同時設計數據發送與接收的狀態指示LED，當有數據通過串行口傳輸時，LED閃爍，便于掌握其工作狀態以及進行軟、硬件的調試。本系統有兩個串口，一個用于和GPS模塊通訊，接收GPS數據信號；另一個和PC機通訊，用于系統調試、狀態設置及存儲數據等。

3 存儲器電路

存儲器電路主要存儲芯片采用了FLASH ROM和SDRAM。與FLASH存儲器相比較，SDRAM不具有掉電保持數據的特性，但其存儲速度大大高于FLASH存儲器，且具有讀/寫的屬性。因此，SDRAM在系統中的作用主要用作程序的運行空間、數據及堆棧。當系統啟動時，CPU首先從復位地址0X0處讀取啟動代碼，在完成系統的初始化后，將程序代碼調入SDRAM中運行，以提高系統的運行速度。同時，系統及用戶堆棧、運行數據也都放在SDRAM中。

FLASH存儲器是一種可在系統(In-System)進行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區在系統編程(燒寫)、擦除等特點，并且可由內部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統中得到了廣泛的應用，作為一種非易失性存儲器，FALSH在系統中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統掉電后需要保存的用戶數據等。常用的FLASH為8位或16位的數據寬度，編程電壓為單3.3V，主要廠商為ATMEL，AMD，HYUNDAI等，他們生產的同型器件一般具有相同電氣特性和封裝形式，可通用。

本系統選用一片FLASH存儲器芯片己足夠，其容量為2M。FLASH存儲器在系統中用于存放程序代碼，系統上電或復位后要從此獲取指令并開始執行，我們將它配置到S3C44BOX的BANK0，即將S3C44BOX的nRCS0接至HY29LV160的CE片選端。OE端接S3C44BOX的nOE；WE端接S3C44BOX的nWBE；地址總線[A19-A0]與S3C44BOX的地址總線[ADDR20-ADDR1]相連；16位數據總線[DQ15-DQ0]與S3C44BOX的數據總線[DATA15-DATA0]相連。

4 GPS接口電路

4.1 OEM板AC12基本描述

GPS電路的目標主要是獲得GPS數據信息，系統中通過GPS模塊實現該功能。GPS模塊采用THALES(泰雷茲)導航定位公司的AC12 GPS-OEM板。如圖2所示。

該型號OEM板為12通道，C/A碼，L1頻段的GPS信號接收模塊， 尺寸為40×61.2× 13.3 mm (1.58×2.41×0.52 英寸)，重量(包括屏蔽盒)1.6 盎司 (45.4g)，具有高性能低功耗等眾多優點，其技術指標如下：

接口特性

RS-232輸出，輸入可為RS-232或者具有RS-232極性的TTL電平。可選波特率為300，600，1200，2400，4800，9600，19200，38400。串口1接口協議：輸出：NMEA0183版本2.00或3.00（可選）的ASCII碼語句，包括GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG（NMEA標準語句）；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV（GARMIN定義的語句）。還可以將串口1設置為輸出包括GPS載波相位數據的二進制數據。輸入：初始位置、時間、秒脈沖狀態、差分模式、NMEA輸出間隔等設置信息。串口2接口協議：輸入：實時差分改正數據（RTCM SC-104信息類型1，2，3，7，9）秒脈沖PPS特性：1Hz，脈寬可調，精度±1微秒。

環境特性

操作溫度 :–30°C 到 +70°C (–22°F to 158°F)

存儲溫度 :–40°C 到 +85°C (–40°F to 185°F)

4.2 AC12接口設計

AC12的GPS－OEM板從硬件和軟件上都十分易于使用，非常適合做系統集成。與GPS系統的通訊可以通過RS232或CMOS電平的串行口來實現，本系統采用RS232串行通訊。

該模塊（GARMIN15L）外有8根裸線提供給用戶，用戶可按照自己的開發意向集成使用。其中主要管腳是電源、地和串口引腳，電源采用5V，數據通過串口傳輸，在系統中我按照規定的引腳定義和使用規則下共焊接了兩個串口，串口1用于和CPU通訊（S3C44B0X單片機或PC機）串口2連線方式與串口1一樣，用于差分DGPS定位時接收通訊鏈（本文采用Trimble公司的Trimmark3數傳電臺）傳過來的差分校正信息。

參考文獻

[1] 王惠南.GPS導航原理與應用.北京:科學出版社.2003年8月.

[2] Jorgensen P S.An Access of Ionospheric Effects on the User.Journal of the Institute of Navigation，2009，1(2):45-48.

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