【正文】 液晶具有無閃爍，體積小，功耗低，適用范圍廣等特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的 CRT 成為了一種常用的顯示 方式。它采用了 AMBA（ ADVANCEDMICROCONTROLLER BUS ARCHITECTURE），這是一種全新的總 線設(shè)計，提供完整的系統(tǒng)外圍使得 S3C2440A 能夠盡可能的減少系統(tǒng)整體成本和另外的設(shè)備組件。整個系統(tǒng)的硬件分為兩大部分：一部分是主機(jī)部分，即控制、存儲、顯示、通信等功能 模塊；另一部分是數(shù)據(jù)源，即 GPS 模塊。本系統(tǒng)使用 SAMSUNG ARM9 S3C2440A 作為 CPU 搭建的系統(tǒng)平臺 [12]，其主要性能如表 所示： 基于 ARM 的 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 第三章 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計方案 21 表 SAMSUNG ARM9 S3C2440A 的主要性能 開發(fā)板硬件資源 CPU 三星 S3C2440A，主頻 400MHz，可倍頻至 533MHz 內(nèi)存 64M，可根據(jù)需要擴(kuò)展到 128M NAND Flash 標(biāo)配 128M，可更換為 16M、 32M、 64M NOR Flash 一片 4M NOR Flash 串口 一個五線異步串口，一個三線串口，一個三線擴(kuò)展引出 存儲接口 一個 SD卡接口 ,一個 IDE 接口可直接掛接硬盤 LCD 和觸摸屏接口 集成了 4 線電阻式觸摸屏接口的相關(guān)電路 目前支持 寸、 寸、 寸、 8 寸 TFT 液晶屏 ，可為多款液晶提供電壓支持 電源接口 5V 電源供電，帶電源開關(guān)和指 示燈 AD 轉(zhuǎn)換 一個可調(diào)電阻接到 ADC 引腳上用來驗(yàn)證模數(shù)轉(zhuǎn)換 EEPROM 一片 IIC 接口的 EEPROM 其他 五個用戶按鍵 ,五個用戶 LED,一個 PWM 控制蜂鳴器 基于 ARM 的 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 第三章 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計方案 22 平臺分為兩部分，一部分是為了增加通用性而獨(dú)立出來的核心板，上面包括了CPU、內(nèi)存等關(guān)鍵部分，并且作用專注于計算的核心；另外一部分是擴(kuò)展的接口部分，稱之為“底板”，把核心板上提供的功能轉(zhuǎn)為日常通用的接口，比如核心板提供了 USB功能，但不能直接使用，需要擴(kuò)展為實(shí)際應(yīng)用的 USB 接口，那么接口就放在了 底板上。 第 3 字節(jié) ID 號的補(bǔ)足碼 第 4 字節(jié) 信息長度（ 0~255） 第 5… n 字節(jié) 信息內(nèi)容，長度為 n4 第 n+1 和 n+2 字節(jié) 校驗(yàn)和：整條信息的字節(jié)全部相加之和，相加后用 1 個 16位的（ 2 個字節(jié) ）整數(shù)來保持，然后其低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，例如有一條指令的 header 和 data 相加后結(jié)果是十進(jìn)制的 772，相當(dāng)于十六進(jìn)制的 0x0304，則把低字節(jié)放在前面，高字節(jié)放在后面，然后加在整條信息的后面，即： Header + data + 0x04 0x03 數(shù)據(jù)示例： SOH, ID, COMPL ID, LENGTH, U, G, P, S,, 0, 0, 0, CKSUM(MSB) (SYNTAX) 01, 63, 192, 08, 85, 71, 80, 83, 45, 48, 48, 48, 772 (DECIMAL) 01H, 3FH, C0H, 08H, 55H, 47H, 50H, 53H, 2DH, 30H, 30H, 30H, 04H, 03H (HEXADECIMAL) ALLSTAR 提供來許多指令及數(shù)據(jù)，但常用的只有幾條，其余的保持出廠設(shè)置即可，常用的有： ID 2 2 2 3 4 4 4 7 8 8 8 10 1 112等，其中： ID 20：請求當(dāng)前位置信息； ID 22：請求星歷數(shù) 據(jù)； ID 23：請求原始測量數(shù)據(jù)； ID 33：衛(wèi)星信息。 ALLSTAR OEM 內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示： 基于 ARM 的 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng) 15 圖 ALLSTAR OEM 板內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)圖 ALLSTAR OEM 板采用了雙列直插 20 pin 的硬件通 信 接口，支持的串口波特率可到115200 bit/s。 綜上所述， GPS 的測量原理為： 后方交會 測量距離 測量時間 測量衛(wèi)星位置 誤差改正。 GPS 工作原理可以分為下面的幾個步驟 [9]： 第一步： GPS 測量方法的理論基礎(chǔ)是“后方交會”。 GPS 屬于美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 （ 1） 操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) Windows CE 是由若干獨(dú)立模塊所建，每一個模塊提供特定的功能。為了推廣 Windows CE，微軟甚至開放了定制操作系統(tǒng)的工具 PowerBuilder， 開發(fā)工具 也可 免費(fèi) 使用 ，如embedded Visual C++等。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有： (1) 嵌入式 Linux 基于 ARM 的 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng) 9 μ Clinux是一個完全遵循 GNU/GPL公約的嵌入式操作系統(tǒng)，其代碼完全開放，內(nèi)核由專業(yè)公司進(jìn)行維護(hù)。板上配備了兩片 32M的三星 SDRAM,一片 64M的 NAND FLASH,開發(fā)板采用兩片半字（ halfword） SDRAM 器件共同組成一個 32位數(shù)據(jù)寬度的 SDRAM系統(tǒng)，提高了其與 CPU的通信效率。 基于三星 S3C2440A 處理器的開發(fā)平臺 三星公司推出的 16/32位 RISC微處理器 S3C2440A采用了 ARM920T的內(nèi) 核 [4]， 的 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元 , 它采用了新的總線架構(gòu) Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)， 提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。 (5) V5 構(gòu)架（ ARM10）：具有帶鏈接和交換的轉(zhuǎn)移 BLX 指令；計數(shù)前導(dǎo)零 CLZ 指令；BRK 中斷指令；增加了一些信號處理指令。 關(guān)鍵技術(shù)包括： 1）、電路設(shè)計上，采用了高性能 32 位 ARM9 處理器 S3C2440A 為核心，以 ALLSTAR測量型 GPS 芯片為數(shù)據(jù)來源，搭建了適用于 GPS 數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)； 2）、采集了 GPS 定位數(shù)據(jù)， 利用 Visual Studio 軟件工具編寫 了 嵌入式數(shù)據(jù)處理軟件； 3）、使用 GPS 通用數(shù)據(jù)格式文件 RINEX 進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理，并通過后處理軟件達(dá)到了毫米級精度。 GPS 產(chǎn)品也是這樣。 在整合性上， GPS 設(shè)備的集成度越來越高。在測繪工作中，測繪工作與測量儀器的發(fā)展息息相關(guān)。 本課題基于地質(zhì)勘探與測繪對地理位置信息的需要，分析了當(dāng)前基于單片機(jī)系統(tǒng)的 GPS 在測繪工作中的局限性，分析了 ARM 的功能及特點(diǎn)，設(shè)計了基于 ARM 的 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。本文研究的設(shè)備用于高精度 地理位置信息的 測量，設(shè)備要求測量時間 45 分鐘以上，測量距離 10 公里以內(nèi)的兩個點(diǎn)之間相對精度能夠達(dá)到毫米級，該設(shè)備可應(yīng)用于地質(zhì)勘探、測繪等方面。 本文使用 Visual Studio 20xx 軟件開發(fā)工具，根據(jù)數(shù)據(jù)編碼、通信及存儲原理編寫了主機(jī)數(shù)據(jù)采集程序，然后根據(jù) GPS 定位原理及計算技術(shù)編寫了數(shù)據(jù)分析軟件。盡管 GPS 應(yīng)用領(lǐng)域各不相同，但就測量設(shè)備本身而言，其實(shí)質(zhì)都是一樣的，即獲取地理位置信息數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展為 GPS 設(shè)備的發(fā)展提供了良好的契機(jī)。工業(yè)測量 GPS 追求的是測量結(jié)果 高精度、數(shù)據(jù)結(jié)果高可靠、位置更新高速度、對外界惡劣環(huán)境高防備、軟件使用專業(yè)化等，目前國內(nèi)參加生產(chǎn)的專業(yè)測量 GPS 基本都是沿著這些方向發(fā)展的。 (3) V3 構(gòu)架（ ARM6）：增加 MRS/MSR 指令，可以訪問新增加的 CPSR/SPSR 寄存器。 RISC 指令系統(tǒng)相 對簡單，能夠滿足大部分的功能需求，只要求硬件執(zhí)行有限的最常用的那部分指令，大部分復(fù)雜的操作使用成熟的編譯技術(shù)由簡單指令合成，這使得計算機(jī)的執(zhí)行效率得到提高。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)， S3C2440A減少整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件。 ARM 操作系統(tǒng) 常見的 ARM操 作系統(tǒng) 在嵌入式應(yīng)用中嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)大量存在，尤其在功能復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、要求較高的方案中顯得越來越重要，可以說沒有操作系統(tǒng)的計算機(jī)是沒有用的，這點(diǎn)在普通的臺式電腦上大家都有深刻體會。 WinCE的圖形界面十分出色，非常平易近人，加上微軟公司在臺 式 電腦操作系統(tǒng)上的高普及率， WinCE一開始就很得人心。其多線性、多任務(wù)、全優(yōu)先的操作系統(tǒng)環(huán)境是專門針對資源有限而設(shè)計的。 新的統(tǒng)一音頻模型和示例驅(qū)動程序： UAM 實(shí)現(xiàn)了對 WAV 和 Microsoft DirectSound音頻 API 的高效支持。s Constant) 及時脈偏差 (Clock Offsets) 的修正量，再由衛(wèi)星將這些修正量提供給 GPS 接收機(jī)器進(jìn)行定位。 第三步：為了能通過“后方交會”測定接收機(jī) 的位置，衛(wèi)星在太空中的位置必須精確已知。本系統(tǒng)采用的 GPS 天線是專業(yè)單頻測量型 GPS 天線，它內(nèi)部由天線與前置放大器密封一體，可保證全天候正常工作，能夠接收來自地平線以上任何方向的衛(wèi)星信號 ，不產(chǎn)生死角，底部有金屬板可以削弱多路徑效應(yīng)，具備高增益、低噪聲系數(shù)、大的動態(tài)范圍條件，天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，當(dāng) GPS 衛(wèi)星運(yùn)動時能夠盡量與幾何中心保持一致，其參數(shù)為 [10]： 工作頻率： MHZ177。 ALLSTAR 的數(shù)據(jù)是按照每字節(jié)中“高位在前低位在后”的的方式進(jìn)行排列，如表 所示。本文中使用的天線能夠接收 GPS 的 L1 信號（頻率 MHz，波長 ）， GPS 天線是無源天線，可以直接插到 OEM 板上，給 OEM 供電時 OEM 會自動給天線供電 ， 測量用天線如圖 所示： 基于 ARM 的 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 第三章 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計方案 19 圖 測量用天線 使用的 GPS 芯片是原加拿大無線電公司 CMC 生產(chǎn)的 ALLSTAR OEM 板，如圖 所示： 圖 ALLSTAR OEM 板 該 OEM 板的主要特性如下： ? 12通道，全天空衛(wèi)星跟蹤 ? 單芯片射頻前置電路 ? 支持無源和有源天線 ? 5V供電 ? GPS 接收及導(dǎo)航集成在一塊單板上 ? 工作溫度： 30℃ ~75℃，存儲溫度： 40℃ ~85℃ ? 輸出頻率為 10Hz ? 碼跟蹤及載波相位跟蹤 ? 兩個數(shù)據(jù)串口 ? 板載可充電鋰電池 （ 2）用戶界面 設(shè)備最終要與用戶進(jìn)行交互才有意義，設(shè)備通過圖像、聲音等顯示當(dāng)前位置及進(jìn)行導(dǎo)航等；用戶通過鍵盤、觸摸屏、鼠標(biāo)等發(fā)送指令給設(shè)備，完成自己想要完成的工作。具體的處理方法將在下面的章節(jié)中介紹。存儲器、外部 I/O 口及多數(shù)器件都使用 供電，所以在電路中使用了[13]低壓差電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。 RS232 采用的是負(fù)邏輯，導(dǎo)致信號電壓不匹配 ， 無法直接進(jìn)行通信，需要接口電路實(shí)現(xiàn)電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。其中， TSXP， TSXM 用于連接標(biāo)準(zhǔn)四線電阻式觸摸屏的 X 組引腳，TSYP， TSYM 用于連接 Y 組引腳。 Intel 生產(chǎn)的 JS28F320J3D75[15]作為嵌入式 Flash內(nèi)存來使用，包含 256 個 128Kbytes的塊，可進(jìn)行快速的擦寫，總?cè)萘窟_(dá)到 32Mbytes，外圍電路較簡單。 核心處理模塊 ARM CPU 已經(jīng)在核心板上集成，需要使用底板把核心板上提供的功能轉(zhuǎn)為日常通用的接口，這種結(jié)構(gòu)與一般臺式電腦的設(shè)計思想是一樣的，在底板上可以插入 CPU、顯卡、硬盤等部件，可以根據(jù)需要進(jìn)行功能的擴(kuò)展。一般應(yīng)用的導(dǎo)航軟件是基于電子地圖的 GIS 軟件，本系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，可以方便的接入導(dǎo)航軟件；另外，對于面向測量專業(yè)應(yīng)用的軟件是本文的重點(diǎn)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要與用戶進(jìn)行交互，所以有界面及觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備。 GPS 芯片數(shù)據(jù)協(xié)議 為了保證系統(tǒng) CPU 與 GPS OEM 板正常的協(xié)同工作，必 須 要建立一套合理的通 信指令。 GPS 天線有五大特征參數(shù)：方向性圖、天線增益、輸入阻抗、極化性、頻帶寬度。而 GPS 測量距離的方法是通過測量無線電信號在空中傳播的時間來完成的。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（ DOP ），這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?如 圖 所示： 圖 Windows CE 系統(tǒng)架構(gòu) （ 2） 新增特性 嵌入 式 系統(tǒng)的開發(fā)人員會在 Windows 中發(fā)現(xiàn)大量的新增特性和改進(jìn)特性，其中包括：無線技術(shù)，例如藍(lán)牙（ Bluetooth）；設(shè)備仿真，該特性可以對完整的設(shè)備環(huán)境進(jìn)行仿真而無需任何額外的硬件投資；平臺向?qū)?，可以從眾多的預(yù)置設(shè)備設(shè)計中進(jìn)行選擇，以便跳躍式地開始開發(fā)流程；此外，還有豐富的多媒體和 Web 瀏覽功能，例如 Microsoft Inter Explorer 和 Windows Media?編解碼器（ Codec）和控件。 還有其他一些較有特色的