【文章內(nèi)容簡介】 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。 基于 ARM 的 GPS測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第一章 概述 3 主要研究內(nèi)容 本文是在研究目前國內(nèi)外現(xiàn)有的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借鑒和使用了最新的研究成果，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)了硬件和軟件構(gòu)架。研究的主要內(nèi)容是基于 ARM的 GPS 測量數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法及其關(guān)鍵技術(shù)，其中： 主要研究內(nèi)容包括： 1）、 GPS 接收機(jī)的一般組成，包括器件、組成和結(jié)構(gòu)； 2）、專業(yè)測量 GPS 芯片的具體研究； 3）、 GPS 芯片配合電路的設(shè)計(jì)、 開發(fā)與調(diào)試； 4）、 ARM 芯片的使用及與 GPS 的結(jié)合； 5）、在 ARM 上運(yùn)行的軟件操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序的編寫。 關(guān)鍵技術(shù)包括： 1）、電路設(shè)計(jì)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。 基于 ARM 的 GPS測量數(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 硬件開發(fā)平臺 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。如今，“ ARM 嵌入式內(nèi)核”已經(jīng)被全球各大芯片廠商采用，基于 ARM 的開發(fā)技術(shù)也席卷了全球嵌入式產(chǎn)品的市場，并成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術(shù)之一 [2]。 ARM 處理器的體系和結(jié)構(gòu) ARM 構(gòu)架誕生至今已經(jīng)有過多次變革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前 ARM 的 架構(gòu)有： (1) V1 構(gòu)架（ ARM1）：具有基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法）；字節(jié)、半字節(jié)、字的Load/Store 指令；轉(zhuǎn)移指令；軟件中斷指令； 64MB 的尋址空間。 (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 的存儲器和寄存器交換指令。 (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。增加了異常處理返回；尋址空間擴(kuò)展到 4GB。 (4) V4 構(gòu)架（ ARM ARM9）：低功 耗 的 32 位 RISC 處理器，包括 32 位地址線和數(shù)據(jù)線， 具有 ICE 邏輯，調(diào)試開發(fā)方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主頻高達(dá) 130MIPS；完善了軟件中斷 SWI 指令。 (5) V5 構(gòu)架（ ARM10）：具有帶鏈接和交換的轉(zhuǎn)移 BLX 指令；計(jì)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。 (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。 其中， ARM ARM ARM10， Intel 的 StrongARM 系列、 Xscale 系列等屬于通用處理基于 ARM 的 GPS測量數(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) 5 器系列，已經(jīng)在很多領(lǐng)域大量應(yīng)用。 ARM 是基于 RISC（ Reduced Instruction Set Computer 精簡指令集計(jì)算機(jī)） [3]而設(shè)計(jì)的，它有著與 CISC（ Complex Instruction Set Computer 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）在一些地方有著很大的區(qū)別。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)會越來越復(fù)雜，但在這些指令中，只有約 20%的指令會被反復(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 則可以避免這些問題。 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(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率得到提高。目前中高端的服務(wù)器普遍使用 RISC 指令集，把重點(diǎn)放在了如何使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運(yùn)算速度。 CISC 和 RISC 架構(gòu)各有其側(cè)重點(diǎn)，現(xiàn)在出現(xiàn)了超長指令集計(jì)算機(jī)，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。 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。其低功耗，簡單，且全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對成本和功率敏感型的應(yīng)用。 ARM920T實(shí)現(xiàn)了 MMU， AMBA BUS 和 Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的 16KB指令 Cache和 16KB數(shù)據(jù) Cache。每個都是由具有 8字長的行組成。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。S3C2440A有如下的功能和特性 ： 為手持設(shè)備和通用嵌入式應(yīng)用提供片上集成系統(tǒng)解決方案； 16/32 位 RISC 體系結(jié)構(gòu)和 ARM920T 內(nèi)核強(qiáng)大的指令集； 指令高速存儲緩沖器（ ICache），數(shù)據(jù)高速存儲緩沖器（ DCache）； 基于 ARM 的 GPS測量數(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) 6 采用 ARM920T CPU 內(nèi)核支持 ARM 調(diào)試體系結(jié)構(gòu)； 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 ： 圖 S3C2440A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 其 AHB總線（ Advanced Highperformance Bus）圖如圖 ： 圖 AHB總線圖 其 APB（ Advanced Peripheral Bus）總線圖如圖 ： 基于 ARM 的 GPS測量數(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) 7 圖 APB總線圖 正由于 S3C2440A的強(qiáng)大功能，在它上面開發(fā)新功能是很有意義的一件事。為了更好的使用 S3C2440A， 將 CPU及部分核心部件封裝為一塊尺寸較小、通用性較強(qiáng)的部件，稱之為核心板。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。 更好的發(fā)揮 S3C2440A芯片的潛能。核心板尺寸圖如圖 ： 圖 S3C2440A核心板尺寸圖 其實(shí)物圖如圖 ： 基于 ARM 的 GPS測量數(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) 8 圖 S3C2440A核心板實(shí)物圖 有了核心板還需要一塊開發(fā)底板來進(jìn)行接口的擴(kuò)展，使核心板能夠與外設(shè)通過開發(fā)板進(jìn)行通 信 。開發(fā)底板可以擴(kuò)展許多功能，包括標(biāo)準(zhǔn)的串口、 USB、液晶、音頻等，也可以增加其他功能，如紅外接收器、溫度傳感器、攝像頭等。總之，核心板插在開發(fā)板上使用，形成一套完整的、豐富接口的 ARM嵌入式系統(tǒng)。 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(jì)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。操作系統(tǒng)管理整個硬件系統(tǒng)的運(yùn)行，負(fù)責(zé)各種資源的調(diào)配，充分發(fā)揮了 32位 CPU的多任務(wù)能力，是整個嵌入式系統(tǒng)的靈魂。 目前有多種嵌入式操作系統(tǒng)，它們使得開發(fā)實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能，把應(yīng)用程序分割為若干獨(dú)立運(yùn)行的模塊，使得 程序的設(shè)計(jì)變得簡化許多；對于實(shí)時性要求高的應(yīng)用做到了快速響應(yīng)和可靠 處理；使得整個系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應(yīng)用。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(jì)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)。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可以沒有虛擬內(nèi)存或者內(nèi)存管理單元。在 GNU通用公共許可證的保證下，幾乎可以使用所有的 Linux API函數(shù)。由于μ Clinux是在標(biāo)準(zhǔn)的 Linux上進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉艉歪槍π缘膬?yōu)化，所以 盡管μ Clinux體積小但仍保留了 Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)，如穩(wěn)定、易于移植，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、良好的文件系統(tǒng)支持等。 (2) Windows CE WinCE是微軟公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一個開 放 的，易于使用的，基于掌上電腦的操作系統(tǒng)。 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。 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(xì)微差別。 WinCE系統(tǒng)還有一個非常吸引人的地方就是 WinCE的開發(fā)工具，如 Visual C++，與臺式電腦上的基本一致，使得大多數(shù)軟件只需要簡單的修改和移植就可以在 WinCE平臺上使用。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。在程序開發(fā)工具上，一些老牌的公司如寶藍(lán)公司等現(xiàn)在實(shí)力都無法與微軟抗衡，使得 WinCE的市場占有率十分 高。 (3) μ C/OS II μ C/OS II[6]是一個源代碼開放，移植性良好、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其大部分源代碼是用 ANSIC寫的， μ C/OS II通過了美國聯(lián)邦航空局商用航行器認(rèn)證，證明了其性能的優(yōu)異。 還有其他一些較有特色的嵌入式操作系統(tǒng)，如 VxWorks、 Nucleus、 eCos等，它們在某些方面都有其特長，限于篇幅在此不再贅述。 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、可升級的操作系統(tǒng) (OS）。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(jì)的。 Windows CE .NET 是 Windows CE 的后繼產(chǎn)品。 Windows 基于 ARM 的 GPS測量數(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) 10 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(shè)備所需的一切，例如：強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)能力、強(qiáng)勁的實(shí)時性和小內(nèi)存體積占用以及豐富的多媒體和Web 瀏覽功能。 （ 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。其中有幾個模塊又被分成幾個組件。組件能使 WindowsCE 變得較為緊湊（小于 200 兆 ROM） ，僅需要使用最小的 ROM、 RAM 和其它硬件資源就可運(yùn)行設(shè)備。 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(jì)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。 （ 3）擴(kuò)展設(shè)備驅(qū)動程序支持 高級技術(shù)附 加數(shù)據(jù)包接口（ Advanced technology Attachment Packet Interface，基于 ARM 的 GPS測量數(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）磁盤驅(qū)動程序，提供了 CD 和 DVD 的“讀”支持。 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。它還使得編寫一個能有效支持 WAV 和 DirectSound 的驅(qū)動程序成為可能。 全球定位系統(tǒng)（ GPS）簡介 1973 年 12 月，美國國防部批準(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 positio