【正文】 南昌航空大學科技學院2012屆學士學位論文 基于ARM的便攜式GPS終端設(shè)計畢業(yè)論文目 錄畢業(yè)設(shè)計（論文） 1畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書 1學士學位論文原創(chuàng)性聲明 3摘要： 0Abstract: 11 引言 52本文的研究背景 6 嵌入式技術(shù) 6 73 系統(tǒng)總體設(shè)計 8 系統(tǒng)設(shè)計要求 8 8 控制模塊設(shè)計方案 8 操作系統(tǒng)選擇方案 9 GPS模塊選擇方案 9 9 9 94系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 11 主控芯片電路 11 flash芯片電路 13 nand flash芯片電路 13 nor flash芯片電路 13 串口電路 14 usb端口電路 15 系統(tǒng)總線及l(fā)cd接口電路 16 電源電路 165 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 18 軟件數(shù)據(jù)設(shè)計 18 18 19 19 19 19(可見圖4) 20 GPS數(shù)據(jù)提取 21 236 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 24 程序整體結(jié)構(gòu)框圖 24 Maintab類 25 mainwidgt類 25 config類流程圖 26 map類 27 GPS_diver類 27 staSNR類 29 debugPDF類 29 Makefile文件 30 地圖文件（ 文件） 307 調(diào)試與測試結(jié)果展示 31 操作系統(tǒng)燒寫測試 31 衛(wèi)星接收測試 32 地圖顯示測試 34 GPS信號檢測測試 37 功耗測試 37 其他測試 37 測試結(jié)果分析 388 總結(jié) 39參考文獻 41致謝 42附錄A 43附錄B 44基于ARM的便攜式GPS終端設(shè)計1 引言 隨著計算機和通信技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)己經(jīng)廣泛滲透到人們的工作、生活中，從家用電器、手持通訊設(shè)備、信息終端、儀器儀表到汽車、航天航空、軍事裝備、制造工業(yè)、過程控制等。尤其是隨著嵌入式系統(tǒng)與Internet的日益結(jié)合，使得嵌入式應用項目越來越多樣化，嵌入式電子產(chǎn)品的功能也日益強大。GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，而其中文簡稱為“球位系”。GPS是20世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、 全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的。隨著人民生活水平的法杖，GPS技術(shù)被越來越多的應用在個人PDA、個人車載終端、手機等個人設(shè)備上。人們通過手持GPS，能準確知道自己所在的位置，從實現(xiàn)到導航、確定旅游路線、獲取地理信息等功能。本文介紹的GPS導航系統(tǒng)，以ARM作為主控芯片，配以GPS、TFT觸摸屏、嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，構(gòu)建了一個集GPS信息顯示、地圖顯示、語音導航為一體的完整系統(tǒng)。本系統(tǒng)在一定程度上推動了個人手持GPS導航設(shè)備研究的發(fā)展。2本文的研究背景 嵌入式技術(shù)隨著計算機和通信技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)己經(jīng)廣泛滲透到人們的工作、生活中，從家用電器、手持通訊設(shè)備、信息終端、儀器儀表到汽車、航天航空、軍事裝備、制造工業(yè)、過程控制等。尤其是隨著嵌入式系統(tǒng)與Internet的日益結(jié)合，使得嵌入式應用項目越來越多樣化，嵌入式電子產(chǎn)品的功能也日益強大[1][2]。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，是嵌入式系統(tǒng)的核心。而刪處理器具有高性能低功耗、低成本等顯著優(yōu)點，已成為高性能、低功耗嵌入式微處理器的代名詞，是目前32位、64位嵌入式處理器中應用最為廣泛的一個系列。而英國先進RISC機器公司 (Advanced SC Machines) 作為 fabless、chipless這一生產(chǎn)模式最為成功的典范，既不生產(chǎn)芯片，也不銷售芯片，而是設(shè)計出高效的P內(nèi)核，授權(quán)給各半導體公司使用；半導體公司在刪技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己公司的產(chǎn)品定位，添加自己的設(shè)計并推出芯片產(chǎn)品；最后由OEM客戶采用這些芯片來構(gòu)建基于ARM技術(shù)的最終應用系統(tǒng)產(chǎn)品。經(jīng)過10多年的發(fā)展，ARM公司己是業(yè)界領(lǐng)先的碑供應商。[3]ARM微處理器得到了眾多半導體廠家和整機廠商的大力支持，全球已有10多家公司在采用刪技術(shù)，20家最大的半導體廠商中有19家是ARM的用戶，包括TI、Philips和Intel等公司。優(yōu)良的性能和準確的市場定位極大地豐富了A蹦資源，加速了基于刪核的、面向各種應用系統(tǒng)芯片的開發(fā)應用，使得刪獲得了更廣泛的應用，確立了ARM技術(shù)的市場領(lǐng)先地位。ARM在高性能嵌入式應用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，己在32位嵌入式應用中穩(wěn)居世界第一。在2002年，基于ARM核的芯片占據(jù)了整個364位嵌入式微處理器市場的79，5％，全世界已使用了20多億個ARM核。如今，ARM公司已經(jīng)成為業(yè)界的龍頭老大，“每個人口袋中都裝著ARM”是毫不夸張的，因為幾乎所有的手機、移動設(shè)備、PDA都是用基于ARM核的系統(tǒng)芯片開發(fā)的。嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)軟件，一般用于比較復雜的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)中。[4]嵌入式操作系統(tǒng)一般具有實時特點，是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，它的出現(xiàn)大大提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率，減少了系統(tǒng)開發(fā)的總工作量，而且提高了嵌入式應用軟件的可移植性。目前常見的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、Vxworks、windowsCE、Palm OS等。，它繼承了windows家族優(yōu)秀的圖形用戶界面，是一款多任務、模塊化、實時性能好、通信能力強大且支持多種CPU的操作系統(tǒng)。、移動應用、消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域設(shè)計開發(fā)的操作系統(tǒng)產(chǎn)品，己開始廣泛應用于數(shù)碼相機、智能手機、PDA、工業(yè)控制等嵌入式領(lǐng)域。自從1978年2月22日第一顆GPS試驗衛(wèi)星進入軌道以來，27年間GPS已經(jīng)顯示了它巨大的社會、軍事作用與經(jīng)濟、社會效益。[5]GPS衛(wèi)星發(fā)射的導航、定位信號，作為一種時空信息資源，可在全球范圍內(nèi)向無數(shù)用戶提供位置、速度和時間信息。GPS是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞系統(tǒng)，空間部分由24顆衛(wèi)星組成，主要是用于軍用，現(xiàn)在己經(jīng)漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐娒駜捎孟到y(tǒng)。隨著GPS向民用開放，它所蘊藏的巨大商機也被發(fā)掘出來。GPS不僅用于導彈、飛船的導航定位，更是廣泛用于飛機、汽車、船舶的導航定位，公安、銀行、醫(yī)療、消防等用它建立監(jiān)控、報警、救援系統(tǒng)，企業(yè)用它建立現(xiàn)代物流管理系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保、資源調(diào)查、物理勘探、電信等都離不開導航定位，特別是隨著衛(wèi)星導航接收機的集成微型化，出現(xiàn)各種融通信、計算機、GPS于一體的個人信息終端，使衛(wèi)星導航技術(shù)從專業(yè)應用走向大眾應用，成為繼通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的IT第二個新的增長點。隨著嵌入式系統(tǒng)的高度發(fā)展和GPS應用的逐漸廣泛，尤其是我國北斗導航系統(tǒng)的使用，現(xiàn)在車載導航系統(tǒng)和手持導航設(shè)備的開發(fā)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個熱門方面。GPS主要功能有定位、測量及授時等，而動態(tài)(即瞬間)定位是GPS民用的主要功能，GPS車載導航是民用最廣泛的項目之一。GPS車載導航系統(tǒng)包括：GPS接收機、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及顯示器等幾部分。目前，車載導航系統(tǒng)在美國、日本已經(jīng)商品化，在我國也早已展開了很多的研究和設(shè)計。中國是個GPS應用大國，車載導航監(jiān)控系統(tǒng)的研制具有廣泛的實用價值和市場前景，但是從系統(tǒng)的技術(shù)水平和產(chǎn)品的質(zhì)量和成熟程度來說，我們還處在往上發(fā)展時期。目前，城市建設(shè)發(fā)展速度越來越快，道路變得也越來越復雜，在這種情況下，隨著汽車的日益普及，找到一種方式，使人們能夠從容的面對錯綜復雜的交通網(wǎng)，己經(jīng)迫在眉睫。利用GPS進行車輛定位導航是個不錯的選擇。而傳統(tǒng)的基于PC構(gòu)架的定位系統(tǒng)顯然已無法適應市場的需求，因此，研究和開發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的GPS定位系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。603 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 個人手持設(shè)備要求界面美觀、功耗低、易于操作。系統(tǒng)應有彩色觸摸屏；低功耗、高速度的處理芯片；帶有嵌入式操作系統(tǒng)；GPS信息接收模塊；sd卡用以存放地圖；模塊框圖分別如圖1所示：Gps模塊Sd卡（存放地圖）TFT觸摸屏S3c2440Nor flash Nand flash電 源 串口（調(diào)試及下載） 控制模塊設(shè)計方案方案一：采用凌陽公司的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點。用于語音處理和識別等領(lǐng)域。滿足系統(tǒng)GPS模塊和語音導航功能的需要。由于本系統(tǒng)需要彩色人機交互界面，對處理速度要求較高，故不采用。方案二：采用samsung公司的s3c2440。S3c2440采用ARM920t內(nèi)核，實現(xiàn)了MMU、ARBA、BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。是一塊高性能、低功耗的嵌入式芯片?？芍踩氩僮飨到y(tǒng)。在個人PDA領(lǐng)域應用及廣。植入操作系統(tǒng)后，在用戶GUI編程方面具有很大優(yōu)勢。內(nèi)置AD/DA，便于擴展語音模塊。故選用此芯片為主控芯片。 操作系統(tǒng)選擇方案Linux操作系統(tǒng)廣泛應用在嵌入式設(shè)備中，其源代碼開放、免費；內(nèi)核性能高效、多任務、可制定；完善的圖形管理、文件管理機制；良好的開發(fā)環(huán)境、強大的工具集可移植QT開發(fā)環(huán)境，可實現(xiàn)跨平臺的編譯，代碼重用率高。 GPS模塊選擇方案方案一：采用串口接口GPS模塊。優(yōu)點：便于驅(qū)動，價格便宜。缺點：嵌入式linux的調(diào)試需要用到串口，若GPS模塊占用了串口會造成調(diào)試不便。故不采用方案二：采用usb接口GPS模塊。優(yōu)點：便于攜帶、連接開發(fā)板。缺點：驅(qū)動相對較難、價格相對較貴。為了便于調(diào)試和攜帶，采用usb接口GPS模塊。方案一：采用LCD顯示。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小，低耗電量。但不能實現(xiàn)觸摸功能，故部采用。方案二：采用TFT顯示。TFT屏幕帶有四線式電阻觸摸膜，能實現(xiàn)觸摸功能、便于用戶操作，故采用。方案一：采用s3c2440核心板內(nèi)置nand flash 存放。Nand flash 讀取速度快。但容量較小，只有128M,不適合存放大量地圖數(shù)據(jù)，故不采用。方案二：采用外置sd卡。Sd卡讀取速度相對較慢，且會增加成本。但能存放大量數(shù)據(jù)（１Ｇ～８Ｇ），地圖更新升級也很方便。故采用。1） 控制芯片： 采用s3c2440 arm9 處理器2） 液晶顯示模塊： 采用NEC TFT 寸屏幕3） GPS模塊： 采用三星公司的GPSUSBII模塊4） nand flash： 采用 K9F1208；5） nor flash： 采用 AM29LV160DB5） 音頻處理芯片： UDA1341TS；6） SD卡 模塊： 采用金士頓公司的 4GB SD卡；7） 電源模塊： 采用兩個8V可充電鋰電池；8） 操作系統(tǒng)： 采用嵌入式linux操作系統(tǒng)4系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)系統(tǒng)硬件采用友善之臂的s3c2440 mini2440開發(fā)板。Mini2440 體積小，便于攜帶；接口豐富，易于擴展；功耗低，便于長時間戶外導航。Mini2440硬件特性如下圖：圖2 主控芯片電路 Masterchip circuitry 主控芯片電路 主控芯片為s3c2440的6層核心板，該核心板性能穩(wěn)定、工藝精良。 主控芯片電路 Circuit of ultrasonic transmitting and receiving flash芯片電路 nand flash芯片電路Nand flash 是操作系統(tǒng)的程序存儲區(qū)，該芯片掉電不丟失數(shù)據(jù)、壽命長，可反復擦寫。芯片容量128M。適合存放高密度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 主控芯片電路 Circuit of ultrasonic transmitting and receiving nor flash芯片電路Nor flash是系統(tǒng) BIOS 存儲區(qū)。該芯片掉電不丟失數(shù)據(jù)、壽命長，可反復擦寫。芯片容量8M。適合高速度、低數(shù)據(jù)密度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 主控芯片電路 nor flash chip circuitry 串口電路 采用max3232電平轉(zhuǎn)換芯片與計算機通信 串口電路 Serial circuit usb端口電路，usb接口用以連接GPS模塊 usb端口電路 Driving circuit 系統(tǒng)總線及l(fā)cd接口電路 Driving circuit 電源電路系統(tǒng)輸入電壓為DC5VC，、LM11173MAX8869EU18芯片轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的三種電壓：、 電源電路 Power circuit5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件數(shù)據(jù)設(shè)計導航軟件中的數(shù)據(jù)主要是導航地圖的空間數(shù)據(jù),主要由與導航需求相關(guān)的一些信息組成，包括道路網(wǎng)幾何形狀、道路等級、道路特征、交規(guī)限制、地理政治邊界、感興趣的點、路標和服務設(shè)施等。這些數(shù)據(jù)主要分為兩大類：道路網(wǎng)數(shù)據(jù)和非道路網(wǎng)數(shù)據(jù)。道路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括基本的道路網(wǎng)的地理數(shù)據(jù)(如道路的地理位置信息)以及道路上與車輛行駛相關(guān)的數(shù)據(jù)(如道路的交規(guī)信息、收費信息、和限速的信息)。道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的主要特征是有較強的拓撲關(guān)系。非道路網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括能反映區(qū)域的基本地理面貌的地物信息()以及與出行信息相關(guān)的單位信息(如學校、政府機