基于高性能DSP的GPS導航解算模塊設計與實現

吳 瑋，陳小惠，潘樹國

（1 南京郵電大學 南京中國 210096； 2 南京郵電大學 南京 中國 210096；3 東南大學 南京中國 210096）

0 引言

GPS的導航解算是GPS軟件接收機重要的組成部分，其性能一直受到硬件以及軟件功能的影響和制約。TI公司的TMS320C6747，以其突出的運算性能，再配合上TI專業的軟件支持，將其應用于GPS軟件接收機，使得GPS導航解算模塊的性能有了進一步的提升。

本文著重討論了GPS導航解算模塊在新型DSP芯片支持下的設計和在軟件模式下的優化。

1 模塊的硬件設計

本模塊的硬件核心就在于TMS320C6747 DSP芯片，其與FPGA芯片Altera CycloneⅢ進行交互以獲得基帶處理后的數據，在獲得數據以后進入導航解算程序，解算出的數據送入LCD顯示。為了盡可能的使用少的管腳接口和獲得較快的傳輸速率，我們采用SPI實現DSP和FPGA的交互，在實際操作中我們有3條線、4條線和5條線3種選擇，本模塊我們選擇了4線傳輸，這4條線分 別 為 SPI-SCS、SPI-CLK、SPI-SOMI、SPISIMO，若為了簡化接口和管腳，可以把SPI-SOMI這條線去掉，及DSP作為主模式線去掉，其大體框圖和時序如圖1所示。

在對DSP上的SPI完成初始化后，把SPI設定成從模式，并確定時鐘的傳輸速率。每16位為一個浮點數，逐個把基帶傳輸的數據搬入SDRAM中。在進行數據搬入的過程中便可執行導航解算程序。由模塊框圖所示，本模塊還外擴了一個LCD顯示屏，DSP解算出的數據可以送入LCD顯示，由此可以建立一個人機交互界面，用戶可以根據自身情況選擇性的觀察解算數據。

圖1 模塊框圖與時序圖

2 模塊的軟件設計

2.1 軟件整體流程

軟件整體流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

軟件模塊主要實現以下幾個功能：

1）當軟件流程開始后，首先要對軟件進行初始化設置，它包括設置SPI傳輸速率，DSP上何處SPI接口進行通信以及SPI接口的使能；它還接收LCD用戶反饋信息，用來適時改變顯示程序，方便用戶獲取信息。

2) 當數據傳輸開始后，接口通信程序便開始工作，根據傳輸時序和傳輸速率，按照每16位為一個浮點數的原則將數據搬入存儲器之中。

3) 在獲得所需數據后便開始導航解算程序，期間可根據用戶需求改變解算過程中所需參數，并將其送入LCD顯示。

2.2 導航解算程序

圖3顯示的是導航解算流程圖，首先接收外部送入的導航數據，通過原始導航數據位，來對導航數據的前同步位進行校驗，然后經過導航電文的奇偶校驗，尋找到導航數據的起始點；由導航數據計算得到的星歷數據，存到存儲器中，并可不斷更新；通過偽碼起始點采樣值計算出偽距值；再由星歷數據和偽距值計算得到衛星坐標和糾正衛星發射起始時間的時鐘偏差值；最后若衛星數大于4顆，采用最小二乘法計算用戶位置等信息。

圖3 導航解算流程圖

2.3 軟件代碼優化

由于此DSP的編譯運行軟件為CCS3.3，TI官方提供了多種用于提升代碼運行速度的優化方法，以下列舉出在實行軟件代碼優化所采取的方法以及注意事項：

1)首先要編寫好cmd文件，特別是L1，L2高速緩存的應用，其中堆和棧的大小需要根據數據量的大小來開辟，要盡量遵循使用少的內存的原則。

2)對編寫的代碼中的變量在內存允許的情況下，可多設為全局變量，這可以減少變量在堆棧中開辟和釋放內存的時間。

3) 注意內聯函數的調用，TMS320C6000系列提供了許多內聯函數，此方法可大大提升運行速度和簡化代碼，具體運用參看數據手冊。

4)編寫代碼是盡量減少函數調用和循環嵌套，在代碼空間可操作的情況下，可鋪展開代碼來方便CCS軟件自行實行軟件流水。

5)參看反匯編文件，采用線性匯編優化的方法優化代碼。

3 解算實驗

本模塊的硬件實物圖如圖4所示。

圖4 硬件實物圖

我們采用5個通道37 s的數據進行測試，期間FPGA和DSP高速傳輸了37萬個浮點數，解算出來的結果基本符合要求（如圖5所示，經度：118°47′38.8164″，維度：32°3′14.9575″，高程：-71.2）。

圖5 解算結果

4 結論

本設計并實現了基于新型高性能DSP芯片的導航解算模塊，硬件連接簡單且便于調試，在現有算法的基礎之上進行了進一步軟件代碼的優化，在保證解算速度的前提下解算精度也得到了保證。不僅如此，此模塊還設計了人機交互的LCD模塊，為發展人機交互界面以及實現融合北斗或伽利略衛星導航定位系統打下基礎。

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