【正文】 eb 瀏覽功能。 全球定位系統(tǒng)（ GPS）簡(jiǎn)介 1973 年 12 月，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)了一項(xiàng)計(jì)劃，由陸?？杖娐?lián)合研制一種新型的軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱之為“ Navigation by satellite timing and ranging global positioning system”即 現(xiàn) 今簡(jiǎn)稱的 GPS。那么接收機(jī)是由什么組成的，工作原理是什么，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)接收機(jī)，數(shù)據(jù)如何處理，在實(shí)際工作中如何使用，技術(shù)上有什么新的發(fā)展等問(wèn)題就是本文中要研究的對(duì)象。于是，衛(wèi)星就不僅僅具有了帶有時(shí)間信息的偽距碼，而且還具備了帶有位置信息的星歷。本文中使用 的 ALLSTAR OEM 板是單頻板 [11]，能夠接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)射 的 L1 波段信號(hào)，然后解調(diào)出信號(hào)中的位置信息及載波相位信息，并且，該 OEM 板還可以接收差分信號(hào)，從而獲得動(dòng)態(tài) 的 較高精度 的 定位結(jié)果。 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng) 16 表 ALLSTAR 的數(shù)據(jù)排列方式 Byte 最高位 最低位 順序 7 6 5 4 3 2 1 0 bits 指令及數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)形式如表 所示： 表 ALLSTAR 指令及數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)形式 第 1 字節(jié) 信息首字節(jié)，固定為 0x01 第 2 字節(jié) 信息 的 ID 號(hào)，十六進(jìn)制表示（下同），需要注意的是， ID號(hào)的范圍只用來(lái) 7bits（最大 0111 1111），這樣，最高位就用來(lái)表示該信息是只發(fā)送 1 次還是連續(xù)發(fā)送，例如 ID 23： ID=0x17,bits 0001 0111,最高位為 0,只發(fā)送 1 次； ID=0x97,bits 1001 0111,最高位為 1,連續(xù)發(fā)送。 （ 3）數(shù)據(jù)處理核心 數(shù)據(jù)處理核心是整個(gè)系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各種設(shè)備的運(yùn)行，負(fù)責(zé)指令和數(shù)據(jù)的處理，負(fù)責(zé)聯(lián)系和管理整個(gè)系統(tǒng)部件的各項(xiàng)工作。本文選用 ARM 架構(gòu)的嵌入式微處理器作為系統(tǒng)的主控制器。電源 電路原理如圖 所示： 圖 底板電源電路原理 CPU內(nèi)核需要 供電，采用 電壓調(diào)節(jié)器將 電壓調(diào)節(jié)至 ，電源電路原理如圖 所示： 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 26 圖 電源原理 CPU 控制 ARM CPU 選用 S3C2440A，它是三星公司出品的 32 位 RISC 嵌入式處理器，滿足了嵌入式系統(tǒng)對(duì)低成本、小體積、低功耗、高性能的需求。液晶的顯示方式是被動(dòng)式顯示，其本身并不能發(fā)光，基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 31 而是依賴周?chē)h(huán)境的光線進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)采用了三星的真彩色 TFT 液晶屏 LTV350QVF04[17]，它具有 26 萬(wàn)色 ， 分辨率 為 320*240，自帶4 線 觸摸屏 ，采用 6 個(gè) LED 作為背景光源。其外圍電路框圖如圖 (a)和 (b)所示： (a) S3C2440A 外圍的數(shù)據(jù)與地址總線 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 27 (b) S3C2440A 外圍控制 圖 S3C2440A 的外圍接口 存儲(chǔ)電路 與臺(tái)式電腦類似，嵌入式系統(tǒng)為了與高速 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要把數(shù)據(jù)放在基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 28 SDRAM 中運(yùn)行，相當(dāng)于臺(tái)式電腦的“內(nèi)存”；而數(shù)據(jù)需要進(jìn)行較低速度的存取及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因此數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 Flash 中，相當(dāng)于臺(tái)式電腦中的“硬盤(pán)”，這樣系統(tǒng)掉電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示。這種結(jié)構(gòu)與一般臺(tái)式電腦的設(shè)計(jì)思想是一樣的，在底板上可以插入 CPU、顯卡、硬盤(pán)等部件，可以根據(jù)需要進(jìn)行功能的擴(kuò)展。 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 17 第三章 GPS 測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 總體設(shè)計(jì) 作為一個(gè)完整的 GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò) GPS 天線接收 GPS信號(hào)，轉(zhuǎn)換為包含了定位信息的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串口接入基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)。一般使用串口 1 來(lái)作為命令輸入和數(shù)據(jù)輸出的接 口，而串口 2 用來(lái)作為差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入 /輸出接口，其他的接口視具體需要而決定是否使用。 GPS 接收機(jī)接收部分等核心部件 GPS 接收機(jī)要接收 GPS 信號(hào)并轉(zhuǎn)為數(shù)字信息，必需依賴兩個(gè)核心部件： GPS 天線和 GPS 芯片，通常稱為 OEM 板（ Original Equipment Manufacturer Card）?！昂蠓浇粫?huì)”意思是從一個(gè)未知點(diǎn)上分別觀測(cè)幾個(gè)已知點(diǎn)，然后根據(jù)測(cè)量出的幾個(gè)距離計(jì)算出未知點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量方法。 GPS 由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成 [8]，如圖 所示： 圖 GPS 的構(gòu)成 GPS 系統(tǒng)的空間部分使用 24 顆高度約 萬(wàn)千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。其中有幾個(gè)模塊又被分成幾個(gè)組件。在程序開(kāi)發(fā)工具上，一些老牌的公司如寶藍(lán)公司等現(xiàn)在實(shí)力都無(wú)法與微軟抗衡，使得 WinCE的市場(chǎng)占有率十分 高。μ Clinux是從 [5]內(nèi)核中派生的，沿襲了 Linux的大部分特性，通常應(yīng)用在僅具有很少內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng)上，系統(tǒng)的 CPU可以沒(méi)有虛擬內(nèi)存或者內(nèi)存管理單元。 更好的發(fā)揮 S3C2440A芯片的潛能。其低功耗，簡(jiǎn)單，且全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功率敏感型的應(yīng)用。 (6) V6 構(gòu)架（ ARM11）：增加了 SIMD 功能，為多媒體處理的應(yīng)用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能。 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng) 4 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng) ARM 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái) ARM是全球微處理器行業(yè)中一家知名的企業(yè)，該公司于 1990 年在劍橋大學(xué)成立，它是由蘋(píng)果電腦、 Acorn Computer Group 和 VLSI Technology 聯(lián)合成立的一家設(shè)計(jì) 32位嵌入式 RISC 芯片內(nèi)核的公司。還有， GPS 需要強(qiáng)大的后續(xù)軟件來(lái)體現(xiàn)其應(yīng)用的價(jià)值，可以這么說(shuō)，沒(méi)有軟件的 GPS 僅僅是一個(gè)傳感器，所以，軟件功能上的更新也是必要的，在 GIS（ Geographic Information System 地理信息系統(tǒng) ） 方面，這得到了很好的體現(xiàn)。早期的 GPS 設(shè)備其 GPS 天線、電源與基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第一章 概述 2 處理數(shù)據(jù)的主機(jī)是分開(kāi)的，靠電纜進(jìn)行連接，分別提供電力和數(shù)據(jù)傳輸。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，GPS（ Global Positioning System 全球定位系統(tǒng) ）的發(fā)展趨勢(shì)是：精度高、功耗低、重量輕、操作簡(jiǎn)單、集成多種功能、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理。本文從系統(tǒng)組成、前端數(shù)據(jù)采集原理、方法到采集數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、結(jié)果評(píng)定等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，給出了系統(tǒng)各組成部分的電路原理圖及系統(tǒng)控制軟件說(shuō)明等，為測(cè)試的工程化做了有益的嘗試。 GPS 不僅能夠提供接收機(jī)的三維位置信息，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展其測(cè)量的精度得到很大的提高，使得 GPS在現(xiàn)代測(cè)繪工作中發(fā)揮著重要作用。在這個(gè)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用 5 作為操作系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)軟件工作流程的設(shè)計(jì)工作。 GPS 定位技術(shù)在測(cè)繪工作中的使用十分廣泛，例如，我國(guó)為了對(duì)整個(gè)版圖的多種信息進(jìn)行全面的掌握，需要建立一整套統(tǒng)一的坐標(biāo)系，包括坐標(biāo)點(diǎn)位置信息、高程控制方法等，由于測(cè)量區(qū)域廣、面積大 、精度要求高，使用傳統(tǒng)的測(cè)繪方式無(wú)論是野外工作還是測(cè)量數(shù)據(jù)后處理的工作量都是很大的，現(xiàn)在使用 GPS 后，改善了傳統(tǒng)測(cè)量存在的效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、誤差積累明顯等問(wèn)題；對(duì)于較大的區(qū)域，例如蘇州市輕軌的建設(shè)，根據(jù)測(cè)繪工作的要求，需要對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行整體控制， GPS 使用“靜態(tài)測(cè)量”的工作方式可以快速而準(zhǔn)確的完成工作；對(duì)于一般的導(dǎo)航， GPS 的使用更加的廣泛，并已經(jīng)由專業(yè)測(cè)繪工作擴(kuò)展到日常生活，如汽車(chē)導(dǎo)航設(shè)備。 在采 用的元器件及功能應(yīng)用上，早先的 GPS 設(shè)備是由 8 位單片機(jī)作為 CPU，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，新器件、新技術(shù)不斷出現(xiàn)，也不斷被用來(lái)制造新的設(shè)備。對(duì)于工業(yè)化的測(cè)量專用的 GPS 設(shè)備而言，對(duì)多媒體的追求是其次的。 (2) V2 構(gòu)架（ ARM ARM3）：增加乘法指令；增加支持協(xié)處理器的操作；增加快速中斷模式；增加 SWP/SWPB 的存儲(chǔ)器和寄存器交換指令。傳統(tǒng)的 CISC 計(jì)算機(jī)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不斷地引入新的復(fù)雜指令集，為了支持這些新增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，但在這些指令中，只有約 20%的指令會(huì)被反復(fù)調(diào)用，占程序代碼的 80%；余下的 80%指令不經(jīng)常使用，在程序代碼中占 20%，這就造成了浪費(fèi)，顯得設(shè)計(jì)不合理，而 RISC 則可以避免這些問(wèn)題。每個(gè)都是由具有 8字長(zhǎng)的行組成。總之，核心板插在開(kāi)發(fā)板上使用，形成一套完整的、豐富接口的 ARM嵌入式系統(tǒng)。 (2) Windows CE WinCE是微軟公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi) 放 的，易于使用的，基于掌上電腦的操作系統(tǒng)。 5 Microsoft WindowsCE[7]是為各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種壓縮的、具有高效的、可升級(jí)的操作系統(tǒng) (OS）。 （ 3）擴(kuò)展設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序支持 高級(jí)技術(shù)附 加數(shù)據(jù)包接口（ Advanced technology Attachment Packet Interface，基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng) 11 ATAPI）磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序，提供了 CD 和 DVD 的“讀”支持。 GPS 系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分監(jiān)控著 GPS 衛(wèi)星的運(yùn)作狀態(tài)及它們?cè)谔罩械木_位置，主地面控制站更負(fù)責(zé)傳送衛(wèi)星瞬時(shí)常數(shù) (Ephemera39。距離 = 速度 時(shí)間， GPS 的基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng) 13 測(cè)距方法與一般的紅外測(cè)距儀本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，不過(guò)，用戶是不會(huì)發(fā)出任何無(wú)線電波的，所有的信號(hào)都是衛(wèi)星發(fā)出來(lái)的，用戶只要接收即可。其中，方向性圖是指輻射能量在空間分布狀態(tài) 的 三維立體圖；極化性是指無(wú)線電波的電場(chǎng)矢量所指 的 最大輻射方向。這樣，當(dāng) CPU 對(duì) OEM 發(fā)送指令時(shí)， OEM 板能夠正確識(shí)別并按照需要進(jìn)行工作；而 OEM 發(fā)送的包含位置信息的數(shù)據(jù)流也必須按照約定的格式進(jìn)行發(fā)送，這樣 CPU 可以 進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，得到所需的數(shù)據(jù)資料。 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖 所示： 圖 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 18 系統(tǒng)采用的主要器件性能指標(biāo)為： CPU： 三星 S3C2440A，主頻 400MHz 內(nèi)存： 64M 串口： 3 個(gè) RS232 電源 : 4000mAH 鋰電池 液晶屏： 寸 TFT 彩色觸摸屏 GPS 芯片 ： 12 并行通道 ALLSTAR 測(cè)量原理 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)概述 系統(tǒng)整個(gè)硬件部分分為 4 個(gè)模塊 ：數(shù)據(jù)源、用戶界面、數(shù)據(jù)鏈、數(shù)據(jù)處理核心，所有的部件集成在一起，示意圖如圖 ： 圖 硬件部分示意圖 （ 1）數(shù)據(jù)源 要得到 GPS 數(shù)據(jù)，必須使用 GPS 天線把微弱的 GPS 衛(wèi)星信號(hào)從各種無(wú)線電信號(hào)中檢出，并放大到一定強(qiáng)度后通過(guò)射頻電纜傳遞給 GPS 芯片。 軟件的工作流程如圖 所示 ： 圖 軟件的工作流程 軟件的數(shù)據(jù)處理流程如圖 所示 ： 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 23 圖 軟件的數(shù)據(jù)處理流程 軟件實(shí)現(xiàn)的功能是：運(yùn)行在 下，監(jiān)測(cè)串口數(shù)據(jù)，當(dāng)檢索到是 GPS 數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行兩種處理：一是對(duì)位置信息進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行地學(xué)應(yīng)用；另外是保持原始測(cè)量數(shù)據(jù)，將來(lái)下載到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行軟件后處理。 GPS 功能模塊通過(guò)串口與 ARM接口板進(jìn)行通 信 ，運(yùn)行于 ARM 上的軟件發(fā)送指令控制 GPS 模塊，而 GPS 模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)流交給軟件進(jìn)行解析和運(yùn)用，連接的原理如圖 所示： 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 圖 主機(jī)連接原理 底板電源電路 底板使用 5V/ 直流進(jìn)行供電， 帶電源開(kāi)關(guān)和指示燈 ， 可為多款液晶提供電壓支持 。 JS28F320J3D75芯片接入系統(tǒng)的電路如圖 所示： 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 29 圖 JS28F320J3D75 外部電路 接口轉(zhuǎn)換電路 藍(lán)牙、其他控制設(shè)備與主機(jī)的通 信 都采用串 口方式。電路原理如圖 所示： 圖 液晶外圍電路 LTV350QVF04 自帶的 4 線觸摸屏電路如圖 所示： 基于 ARM 的 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 32 圖 觸摸屏電路 鍵盤(pán) 鍵盤(pán)是標(biāo)準(zhǔn)的輸入設(shè)