一種GPS數據記錄儀的設計實現

薛亞洲,張 琨,劉文菲

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

一種GPS數據記錄儀的設計實現

薛亞洲,張 琨,劉文菲

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

GPS定位廣泛應用在個各行各業的定位系統中，針對一款高精度的GPS接收機，進行了一種實時GPS數據記錄儀的系統設計;系統設計以C8051F020為主控處理器，通過控制程序將高精度差分GPS OEM模塊接收的定位數據實時存儲在CF卡中，主要包括GPS數據接收機配置和CF卡存儲設計;同時，系統設計了基于Windows操作系統的專用上位機軟件來進行扇區的讀數和數據導出，其功能包括扇區區間的選擇，扇區數據的導出，磁盤格式化等;通過完整的硬件和軟件設計，在可供用戶二次開發的GPS OEM板上設計實現了一種高精度的可配置的實時GPS數據記錄儀;設計的GPS數據記錄儀具有小巧，輕便，可穩定工作于惡劣環境等特點，并且可以滿足單點和差分GPS數據的記錄;通過功能試驗和驗證，該系統工作穩定且可靠性高。

差分GPS；C8051F020；CF卡；存儲

0 引言

GPS(global positioning system)是全球衛星定位系統簡稱，是由美國軍方所建立，是一種利用圍繞在地球固定軌道上的24顆衛星發射的信號來進行經緯度和高度定位的系統[1]。基于GPS定位功能所研制的種類繁多的GPS接收機，在航海、航空、航天、工業和其他行業中都有著廣泛的應用。

為達到更高的定位精度，往往采用差分GPS定位系統[2]，其分為實時差分和事后差分，需要移動站與基準站相互配合完成。根據基準站已知的精密坐標，計算出基準站到衛星的距離修正數，并把這一改正數實時發送至移動站，移動站不但接收GPS信號，同時也接收基準站發來改正數，通過實時計算對其定位結果進行修正，進而提高了定位精度。對于事后差分，移動站和基準站的數據在記錄時不參與導航，并且移動站不用接收基準站發來的改正數，僅僅把移動站和基準站記錄的GPS數據送入事后差分軟件進行事后分析。通常，采用事后差分技術處理后的定位信息可達厘米級的精度，這種技術在海底探測，無人機航跡點繪制等領域有著廣泛的應用。

由于GPS數據實時的參與到導航定位，對于差分GPS尤其是事后差分數據的正確記錄也是尤為重要的。CF卡(Compact Flash Card)[3]是眾多移動存儲介質中的一種。CF卡以價格低、速度快、容量大、體積小等優點被廣泛的應用于各種消費電子產品。此外，CF卡由于其區別于U盤和SD卡獨特的針孔結構設計使其可以應用于如振動、沖擊等惡劣環境。本文采用具有51內核的高速單片機與CF卡實現了GPS數據的記錄存儲設計。

1 系統總體設計

在該GPS數據記錄儀的設計中，以低功耗、低成本和體積小為設計原則，進行了系統的整體設計。如圖1所示，整個系統由系統硬件設計和系統軟件設計組成，硬件部分包括了GPS OEM板模塊，處理器(C8051F020)模塊和存儲模塊(CF卡)組成。OEM板與處理器模塊之間采用RS-232進行通信，配置與數據交換，處理器模塊與存儲模塊之間則通過控制總線和數據總線進行GPS數據的存儲。軟件部分包括了系統軟件和上位機軟件，系統軟件主要涵蓋了GPS數據接收和CF卡硬件驅動接口函數，上位機軟件主要完成了CF卡扇區數據的讀取與CF卡的格式化操作。

圖1 系統原理框圖

整個系統的數據接收部分由GPS OME板完成，通過不同的配置命令，可配置成單端和差分的GPS 數據流。主控芯片用于GPS數據的完整接收，提供了CF卡初始化函數和CF卡硬件驅動的接口函數，并在GPS數據包連續時間間隔內完成了把GPS數據完整的寫入CF卡的某個指定扇區。上位機軟件用于PC端與CF卡的交互，主要包括了CF卡的格式化、指定扇區或者連續扇區的內容顯示和數據導出。對于非差分GPS數據，可在事后直接按照OEM板配置的內容進行數據的解析。對于事后差分GPS，需要把GPS原始數據經過數據格式轉換后導入到專用事后差分軟件進行更精確的事后航跡定位。

2 系統硬件設計

2.1 GPS OEM板設計選型

本文選擇的是NovAtel公司最新推出的第六代產品中尺寸最小(46×71×11 mm)的OME 615，該OEM板采用了全新的軟硬件設計，支持最高50 Hz數據輸出，具有實時、事后差分功能，定位精度最高可達1 cm+1 ppm。

OEM 615采用全新的OEM6硬件平臺，能夠實現對GPS、GLONASS、Galileo、BDS多個系統的信號的接收，提高了衛星的可用性。OEM 615提供給用戶豐富的通訊接口(3個LV-TTL、2個CAN總線、1個USB總線)供二次開發使用。此外OME 615還具有體積小、功耗低、重量輕，工業級工作溫寬、抗振、抗沖擊等特點。

2.2 CF卡與處理器接口設計

Compact Flash是由CF協會(CFA)提出的一種與PC機ATA接口標準兼容的技術。如圖2所示，CF卡由兩個基本部分構成：內部控制器和閃存模塊。CF卡讀寫是通過卡內緩沖區進行的，不直接讀寫閃存模塊，這也使CF卡具有很高的安全性。CF卡的存取方式有PC Card Memory模式、PC Card I/O模式以及True IDE三種模式，其中True IDE[4]模式與ATA/IDE標準完全兼容，CF卡與處理器通信信號最少，硬件接口最簡單，軟件相對容易實現，因此本設計采用了True IDE模式。此外，CF卡可以工作在3.3～5 V電壓，省去了與處理器之間的電平轉換電路。

對于CF卡的開發是編寫底層驅動，所以實現CF卡存儲功能不依賴與特定的處理器芯片，針對不同的處理器芯片只需簡單修改輸入輸出(I/O)端口定義即可完成該驅動的移植。本設計選用了innodisk公司的容量為2 GB的工業級CF卡ICF4000。

圖2 CF卡結構圖

綜合性價比及芯片速度性能考慮，本文選擇了Silicon Labs公司片內含有CIP-51內核的C8051F020單片機[5]作為主控芯片。C8051F020是一種混合信號系統級單片機，支持3.3 V供電，工業級工作溫寬，片內的CIP-51內核與MCS-51完全兼容。此外C8051F020單片機含有64 KB片內FLASH程序存儲器，具有片內非侵入式的在線系統調試(JTAG)接口、4352B的RAM資源、8個I/O端口共64根I/O線、豐富的模擬外設、硬件實現的SPI、I2C和兩個UART串行接口等資源。在True IDE模式下，CF卡與處理器連接包括數據信號、控制信號與寄存器信號，其中包括了8跟數據總線(D0～D8)，3跟地址總線(A0～A2),2跟寄存器組選擇線(CS0、CS1)讀寫控制線(DR、DW)。

3 統軟件設計

3.1 GPS OEM板接收配置

OEM 615可以配置成多種不同GPS記錄信息，這些記錄信息又可以分為3種類型：同步信息、異步信息和輪詢信息[6]。同步信息是在固定時間間隔內周期性產生，異步信息的產生與固定時間間隔無關，由當衛星狀態改變而決定，而輪詢信息則是根據需求產生的。配置OEM 615接收機只能通過RS-232方式實現，可以同時對三路RS-232輸出同時進行配置。下面以配置常用的NMEA0183標準語句來介紹OEM 615板卡的配置步驟，其步驟可總結如下：

1) Unlogall //取消所有的數據輸出；

2) posave off //關閉自動求平均功能；

3) fix none //取消坐標固定；

4)com com1 9600 //設置com1口的波特率為9600；

5)log com1 gpgga on time 1 //設置com1的輸出為GPGGA格式，時間間隔1秒；

6) Saveconfig //保存設置。

3.2 CF卡存儲設計

CF卡讀取數據時，內部控制器先把數據寫入緩沖區，然后處理器才能從緩沖區讀出數據。反之CF卡寫入數據時，處理器先把數據寫入緩沖區，然后內部控制器將緩沖區數據讀入閃存模塊。所以對CF卡的讀寫操作實際上就是對CF卡內部控制器中的寄存器進行操作。表1為CF卡寄存器地址空間映像。

表1 CF卡寄存器地址空間映像

3.2.1 CF卡初始化

CF卡初始化包括了硬件復位，系統自檢，模式配置和設備信息獲取等，具體流程如圖3所示。

當CF卡正確插入卡槽中時，系統會檢測相關硬件管腳(CD1、CD0)是否接地，如果接地則證明CF卡正確接入，否則通過通過串口打印CF卡缺失語句并且點亮相關LED。隨后通過短暫的拉高CF卡復位管腳進行硬件復位操作。當CF卡硬件復位完成后立即向命令寄存器寫入診斷指令(0x90)，診斷指令完成了CF卡內部自檢測試，可以通過讀取錯誤寄存器的值來判斷內部自檢是否通過，當錯誤寄存器的值為0x01說明自檢通過且CF卡正常，否則會執行相應的錯誤代碼。而后通過配置CF特征寄存器使CF卡為8位讀寫模式并通過向命令寄存器寫入設備識別命令(0xEC)來獲取CF卡的基本信息。

圖3 CF卡初始化流程圖

3.2.2 CF卡扇區讀寫

CF卡扇區尋址有兩種方式，物理尋址(CHS)和邏輯尋址(LBA)，因為CF卡沒有機械結構所以宜采用邏輯尋址的方式，邏輯尋址沒有磁頭和磁道的轉換操作，所以在訪問連續扇區時，速度要高于物理尋址方式[7]。扇區是CF卡讀寫的最小單位，在進行扇區讀寫操作時，需要向CF卡內部控制器中的寄存器寫入CF卡尋址方式、扇區數目、數據寬度等信息，然后寫入寫操作命令30H或讀操作命令20H。等待CF卡有數據請求時，進行單個扇區或者連續扇區的讀寫操作，即可完成對CF卡扇區的讀寫[8]。流程如圖4所示。

圖4 CF卡扇區寫流程圖

3.2.3 GPS數據存儲實現

經過CF卡初始化以后，系統可實現對GPS數據的存儲，存儲過程如下：首先，C8051F020通過配置數字交叉開關，使能外設UART并與OEM 615的com1相連；其次，處理器會根據同步頭判斷接收整包GPS數據，把接收到的數據依次以寫扇區的方式寫入到CF卡中；最后，系統初始化時會遍歷所有扇區直到遇到空扇區作為下一次GPS數據接收的起始扇區。

4 上位機軟件設計

由于CF卡存儲數據時沒有以文件系統識別的格式存儲，因此不能在windows系統下直接讀取CF卡扇區數據，需要專用上位機軟件進行扇區讀數和數據導出，圖5是針對本次設計的專用上位機軟件流程圖，包括了扇區區間選擇，扇區數據導出，磁盤格式化等功能。當完成數據存儲且硬件接通后，上位機軟件會首先識別硬件CF卡、并且根據選擇的分區判斷分區是否存在。硬件識別后，上位機軟件會循環等待接收指令，指令包括扇區讀出、扇區數據導出與系統格式化，扇區讀取指令可以顯示指定的單個扇區或者顯示連續扇區，扇區數據導出指令則把選中的扇區數據導出并存儲在PC終端。格式化指令主要完成了給CF卡全部扇區寫零操作。

圖5 位機軟件流程

5 試驗結果與分析

在上述基礎上，將設備的GPS數據配置為NMEA0183標準語句，經過4小時的連續拷機存儲，通過上位機軟件讀取寫入的扇區數據，未發現錯誤存儲。同時，經過多次反復(不低于30次)的數據讀寫測試，數據讀寫正常無誤。為了驗證設備的可靠性，對設備進行了高低溫試驗(-40～70 ℃)和功能振動試驗(HB-5830E曲線)，結果均表明設備可以正常工作，存儲的GPS數據正確。

對比市面上目前已知的某款應用在無人機上的GPS數據記錄設備，該設計具有體積小、質量輕、功耗低(整機功耗小于1 W)、價格低等優點。

6 結論

本文設計實現了一種基于C8051F020和CF卡的GPS數據記錄儀，該記錄儀具有體積小、重量輕、功耗低、可工作于惡劣環境等特點。通過上位機軟件對記錄數據的解析，驗證了該記錄儀工作穩定，可靠性高，達到系統設計要求。

[1] 王 錦，劉 鵬，尹川等.機載北斗/GPS/SINS組合導航系統軟硬件設計[J]. 計算機測量與控制,2016,24(3):267-269.

[2] 陳 磊，梁 強. GPS原理及應用簡介[J]. 科技信息:學術研究，2008(22): 193-195.

[3] 李建清，李彥岑，李桂平. 基于CF卡的嵌入式存儲設備的設計[J]. 電子設計與應用，2005(8): 108-110.

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[5] 潘逐金. C8051F高度SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[6] OEMV Family Firmware Reference Manual. OM-20000094 Rev6[M].NovAtel Company,2008.

[7] 張 輝，王軍民，羅明璋,等. 基于C8051F060的高速采集存儲設計[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2011(2): 16-18.

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Design and Implementation of a Kind of GPS Data Recorder

Xue Yazhou，Zhang Kun，Liu Wenfei

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China))

GPS positioning system has been widely used in the positioning system of a wide range of industries. By means of a high-precision GPS receiver, this paper aims to design a real-time GPS data recorder. The design of this system is based on the C8051F020 processor control system and the real-time location data

from the high precision differential GPS OEM module is stored in the CF (Compact Flash) card through the control procedure. These parts mainly include the configuration of GPS data receiver and the design of CF card storage. At the same time, this system designs the dedicated PC software which could be used in Windows operating system for reading the sector of CF cards and export the data easily, the function in this part include the selection of sector interval, the export of sector data and disk formatting, etc. Through the complete design of hardware and software in this system, a high-precision and configurable real-time GPS data recorder is designed based on the GPS OEM board, for the more, users could make a secondary development on this project. All in all, this GPS data recorder has characters of small size, portable and stable working in bad environments, and can satisfy different data records type such as single point and differential GPS. At the end, through functional test and verification test of this system, this equipment is stable and reliable.

differential GPS; C8051F020; compact flash card; storage

2017-06-21；

2017-07-18。

薛亞洲(1990-)，男，陜西咸陽人，碩士研究生，主要從事機載測試產品方向的研究。

1671-4598(2017)12-0295-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.076

TP273

A