【正文】 RE） ，這是一種全新的總線設計，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備組件。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)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第三章 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)設計方案22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內存 64M，可根據需要擴展到 128M NAND Flash 標配 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，帶電源開關和指示燈 AD 轉換 一個可調電阻接到 ADC 引腳上用來驗證模數(shù)轉換 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)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第三章 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)設計方案23平臺分為兩部分，一部分是為了增加通用性而獨立出來的核心板，上面包括了CPU、內存等關鍵部分，并且作用專注于計算的核心；另外一部分是擴展的接口部分，稱之為“底板” ，把核心板上提供的功能轉為日常通用的接口，比如核心板提供了 USB 功能，但不能直接使用，需要擴展為實際應用的 USB 接口，那么接口就放在了底板上。ALLSTAR OEM 內部硬件結構如圖 所示：基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)15圖 ALLSTAR OEM 板內部硬件結構圖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。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是“后方交會” 。 （1）操作系統(tǒng)體系結構Windows CE 是由若干獨立模塊所建，每一個模塊提供特定的功能。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有：基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)9(1) 嵌入式LinuxμClinux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，內核由專業(yè)公司進行維護。 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的內核 [4]， 的CMOS 標準宏單元和存儲器單元, 它采用了新的總線架構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。關鍵技術包括：1） 、電路設計上，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)據來源，搭建了適用于 GPS 數(shù)據采集的硬件系統(tǒng)；2） 、采集了 GPS 定位數(shù)據，利用 Visual Studio 軟件工具編寫了嵌入式數(shù)據處理軟件；3） 、使用 GPS 通用數(shù)據格式文件 RINEX 進行采集數(shù)據的處理，并通過后處理軟件達到了毫米級精度。在整合性上，GPS 設備的集成度越來越高。本課題基于地質勘探與測繪對地理位置信息的需要，分析了當前基于單片機系統(tǒng)的 GPS 在測繪工作中的局限性，分析了 ARM 的功能及特點，設計了基于 ARM 的GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)。本文使用 Visual Studio 2022 軟件開發(fā)工具，根據數(shù)據編碼、通信及存儲原理編寫了主機數(shù)據采集程序，然后根據 GPS 定位原理及計算技術編寫了數(shù)據分析軟件。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展為 GPS 設備的發(fā)展提供了良好的契機。(3) V3 構架（ARM6）：增加 MRS/MSR 指令，可以訪問新增加的 CPSR/SPSR 寄存器。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設，S3C2440A減少整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件。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。新的統(tǒng)一音頻模型和示例驅動程序：UAM 實現(xiàn)了對 WAV 和 Microsoft DirectSound 音頻 API 的高效支持。第三步：為了能通過“后方交會”測定接收機的位置，衛(wèi)星在太空中的位置必須精確已知。ALLSTAR 的數(shù)據是按照每字節(jié)中“高位在前低位在后”的的方式進行排列，如表 所示。具體的處理方法將在下面的章節(jié)中介紹。RS232 采用的是負邏輯，導致信號電壓不匹配，無法直接進行通信，需要接口電路實現(xiàn)電平標準轉換。 下位機軟件設計本系統(tǒng)基于 5 的操作系統(tǒng)，軟件遵循 Windows CE 系統(tǒng)下運行的規(guī)則，盡管 Wince 與臺式電腦的 Windows 系統(tǒng)有著很多的不同，但它們都是基于 Microsoft Win32 應用編程接口（ API）的，這樣可以使用在臺式電腦上的開發(fā)工具編寫 Wince下的程序，特別是一些著名的開發(fā)工具，如微軟的 Embedded Visual C++3/4，或者是現(xiàn)在最新的 Visual Studio 2022[18]。 GPS 數(shù)據模塊電源電路本系統(tǒng)采用 4Ah 的鋰電池供電，但 OEM 板、主機系統(tǒng)都是 5V 供電的，所以需要進行電源轉換，另外，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要提供穩(wěn)定的、純凈的電源系統(tǒng)，基于這些需求設計了電源部分的電路，如圖 所示：基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設計36圖 GPS 數(shù)據模塊電源電路為了增加使用時間，電路中設計了兩路電源，可以根據需要選擇使用哪一路，通常有兩種模式，一種是優(yōu)先使用第一路電源，當電壓低于設定值后切換到第二路電源上；另一種是實時采集兩路電源的電壓值，進行比較，優(yōu)先使用電壓較高的一路電源，當它的電壓相比另一路電源的電壓低于設定值后切換到另外一路電源上。電源電路原理如圖 所示：圖 底板電源電路原理CPU 內核需要 供電，采用 電壓調節(jié)器將 電壓調節(jié)至，電源電路原理如圖 所示：基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設計28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)對低成本、小體積、低功耗、高性能的需求。（3）數(shù)據處理核心數(shù)據處理核心是整個系統(tǒng)的中心，負責協(xié)調各種設備的運行，負責指令和數(shù)據的處理，負責聯(lián)系和管理整個系統(tǒng)部件的各項工作。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，然后解調出信號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，從而獲得動態(tài)的較高精度的定位結果。那么接收機是由什么組成的，工作原理是什么，如何實現(xiàn)一個接收機，數(shù)據如何處理，在實際工作中如何使用，技術上有什么新的發(fā)展等問題就是本文中要研究的對象。Windows 具備完整的操作系統(tǒng)特性，它包括了創(chuàng)建一個基于 Windows CE 的定制設備所需的一切，例如：強大的聯(lián)網能力、強勁的實時性和小內存體積占用以及豐富的多媒體和 Web 瀏覽功能。目前有多種嵌入式操作系統(tǒng)，它們使得開發(fā)實時應用程序的設計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能，把應用程序分割為若干獨立運行的模塊，使得程序的設計變得簡化許多；對于實時性要求高的應用做到了快速響應和可靠處理；使得整個系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應用。CISC 和 RISC 架構各有其側重點，現(xiàn)在出現(xiàn)了超長指令集計算機，融合了兩只指令集的優(yōu)勢，成為未來CPU 發(fā)展的趨勢之一。研究的主要內容是基于ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及其關鍵技術，其中：主要研究內容包括：1） 、GPS 接收機的一般組成，包括器件、組成和結構；2） 、專業(yè)測量 GPS 芯片的具體研究；3） 、GPS 芯片配合電路的設計、開發(fā)與調試；4） 、ARM 芯片的使用及與 GPS 的結合；5） 、在 ARM 上運行的軟件操作系統(tǒng)及應用程序的編寫。 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展GPS 設備基本上是純粹的電子設備，其發(fā)展規(guī)律與一般的電子產品相似。嵌入式 ARM具有功能強、功耗低、先進的嵌入式操作系統(tǒng)等優(yōu)點，能夠滿足 GPS 的發(fā)展要求，因此 ARM 與 GPS 相結合成為現(xiàn)代 GPS 設備的發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)的研究開發(fā)工作是在實踐的基礎上完成的，充分利用了 S3C2440A 芯片提供的資源，具有高性能、高可靠性、低功耗、低成本的優(yōu)點，在數(shù)據采集速度、穩(wěn)定性、存儲空間等方面都有較大提高，對提高測繪工作的質量具有較高的實用價值，可廣泛應用于高精度地理位置信息的測量。由于 GPS 設備的大量應用，特別是在個人消費方面，汽車導航、智能手機、手持式導航儀等得到大力的發(fā)展，這些設備要求低功耗、多功能，例如智能手機就包含了電話、GPS、高分辨率大屏幕、聲音等多媒體功能，要在一個設備中實現(xiàn)眾多的功能，目前使用的是 32 位ARM（ Advanced RISC Machine）CPU。增加了異常處理返回；尋址空間擴展到 4GB。S3C2440A有如下的功能和特性：為手持設備和通用嵌入式應用提供片上集成系統(tǒng)解決方案；16/32 位 RISC 體系結構和 ARM920T 內核強大的指令集；指令高速存儲緩沖器（ICache），數(shù)據高速存儲緩沖器（DCache）；基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)6采用 ARM920T CPU 內核支持 ARM 調試體系結構；： S3C2440A內部結構圖其AHB總線（Advanced Highperformance Bus）： AHB總線圖其APB（Advanced Peripheral Bus）：基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)7 APB總線圖正由于S3C2440A的強大功能，在它上面開發(fā)新功能是很有意義的一件事。WinCE使用了精簡的Windows API，這使得系統(tǒng)開發(fā)上與Windows開發(fā)基本相同，但又有細微差別。它還使得編寫一個能有效支持 WAV 和DirectSound 的驅動程序成為可能。當美國國防部測量出了衛(wèi)星的精確位置，他們就把這個位置發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星就把這個新的改正位置信息加載到 GPS 信號中廣播出去。如果使用的是 Microsoft Windows 系列操作系統(tǒng)，這點是保持兼容的?；?ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設計26第四章 系統(tǒng)硬件設計電路的總體結構是以主控制器為核心的，主控器控制著所有外圍器件，選擇主控器對系統(tǒng)性能起著關鍵作用。MAX202E[16]是+5V 供電的雙路 RS232 驅動器，可以實現(xiàn) TTL 到 RS232 的電平轉換，電路如圖 及圖 所示：基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第四章 系統(tǒng)硬件設計32圖 串口轉換電路 1圖 串口轉換電路 2 顯示電路系統(tǒng)顯示電路采用液晶屏。本文采用 Visual C 2022 編寫軟件，監(jiān)控主機串口，當有數(shù)據時進行接收，然后分析數(shù)據，進行數(shù)據的解析和存儲；也可通過串口對 GPS 模塊發(fā)送控制命令。GPS 芯片通過 20 pin 雙列直插與數(shù)據源接口電路板相連，接口電路板外接電源給 OEM 板供電，并將 OEM 板的串口引出，串口 1 直接與主機電路板串口相連接，串口 2 則可以與提供差分數(shù)據的數(shù)據鏈相連接。調節(jié)端通過一個旁路電容接地增強對紋波的抑制，防止輸出電壓放大倍數(shù)的增加；同時，使用電容保持輸出電壓的穩(wěn)定性，提高了回路的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)集成了 4 線電阻式觸摸屏接口的相關電路，目前支持 寸、支持320240 TFT 液晶屏，支持觸摸，在 5 下顯示效果如圖 所示:圖 5 下顯示效果實物圖如圖 所示：圖 觸摸屏實物圖用戶還可以通過藍牙等擴展用戶界面，比如使用帶藍牙的智能手機，得到 GPS的數(shù)據進行處理，并且把數(shù)據保存下來；也可以發(fā)送指令及數(shù)據給設備。10MHZ輸出阻抗： 50Ω基于 ARM 的 GPS 測量數(shù)據接收系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)14駐波比： ≤:1極化方式： 右旋圓極化工作電壓： 3VDC、4VDC、5VDC工作溫度： 45℃～+65℃方向性圖如圖 所示：圖 GPS 天線方向性圖 GPS 芯片（OEM 板）GPS OEM 板是把 GPS 天線轉換來的高頻電信號轉換為數(shù)字信息的部件。GPS 接收機是一般用戶使用的部分，它能被動的接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)出的信號，然后根據多個衛(wèi)星的信號進行定位。Windows CE .NET 是 Windows CE 的后繼產品。操作系統(tǒng)管理整個硬件系統(tǒng)的運行，負責各種資源的調配，充分發(fā)揮了32位CPU的多任務能力，是整個嵌入式系統(tǒng)的靈魂。目前中