【正文】 ，將來(lái)下載到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行軟件后處理。具體的處理方法將在下面的章節(jié)中介紹?；?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第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路的總體結(jié)構(gòu)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(duì)系統(tǒng)性能起著關(guān)鍵作用。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。整個(gè)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(chǔ)、顯示、通信等功能模塊；另一部分是數(shù)據(jù)源，即 GPS 模塊。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)ARM 微處理器本文選用的是三星公司的 S3C2440A，系統(tǒng)以 S3C2440A 為核心實(shí)現(xiàn) GPS 測(cè)量數(shù)據(jù)接收，下面分別對(duì)各部分電路進(jìn)行闡述。 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(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。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)27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。存儲(chǔ)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)。調(diào)節(jié)端通過(guò)一個(gè)旁路電容接地增強(qiáng)對(duì)紋波的抑制，防止輸出電壓放大倍數(shù)的增加；同時(shí)，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。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)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(duì)低成本、小體積、低功耗、高性能的需求。它采用了AMBA（ADVANCEDMICROCONTROLLER BUS ARCHITECTURE） ，這是一種全新的總線設(shè)計(jì)，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。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)29 (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(lèi)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)30SDRAM 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。1. SDRAM 存儲(chǔ)器本系統(tǒng)選用兩片 K4S561632ETC75[14]并聯(lián)構(gòu)建 32 位的內(nèi)存系統(tǒng)，共 64M SDRAM空間，可以滿足嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜的功能運(yùn)行需求，其電路連接如圖 所示：A023 A124A225 A326A429 A530A631 A732A833 A934A1035 A1136A1236BA020 BA121LDQM15 UDQM39CKE37 CLK38VSS028 VSS141VSS254VSSQ06 VSSQ112VSSQ246 VSSQ352DQ0 2DQ1 4DQ2 5DQ3 7DQ4 8DQ5 10DQ6 11DQ7 13DQ8 42DQ9 44DQ10 45DQ11 47DQ12 48DQ13 50DQ14 51DQ15 53WE 16CAS 17RAS 18CS 19VDD0 1VDD1 14VDD2 27VDDQ0 3VDDQ1 9VDDQ2 43VDDQ3 49A?K4S561632EPortPortPortPortCKECLKNWBE0NWBE1ADDR02ADDR03ADDR04ADDR05ADDR06ADDR07ADDR08ADDR09ADDR10ADDR11ADDR12ADDR13ADDR14ADDR24ADDR25DATA00DATA01DATA02DATA03DATA04DATA05DATA06DATA07DATA08DATA09DATA10DATA11DATA12DATA13DATA14DATA15DATA[0015]PortPortPortPortCSRASCASWEA023 A124A225 A326A429 A530A631 A732A833 A934A1035 A1136A1236BA020 BA121LDQM15 UDQM39CKE37 CLK38VSS028 VSS141VSS254VSSQ06 VSSQ112VSSQ246 VSSQ352DQ0 2DQ1 4DQ2 5DQ3 7DQ4 8DQ5 10DQ6 11DQ7 13DQ8 42DQ9 44DQ10 45DQ11 47DQ12 48DQ13 50DQ14 51DQ15 53WE 16CAS 17RAS 18CS 19VDD0 1VDD1 14VDD2 27VDDQ0 3VDDQ1 9VDDQ2 43VDDQ3 49A?K4S561632EPortPortPortPortCKECLKNWBE0NWBE1ADDR02ADDR03ADDR04ADDR05ADDR06ADDR07ADDR08ADDR09ADDR10ADDR11ADDR12ADDR13ADDR14ADDR24ADDR25DATA00DATA01DATA02DATA03DATA04DATA05DATA06DATA07DATA08DATA09DATA10DATA11DATA12DATA13DATA14DATA15DATA[0015]PortPortPortPortCSRASCASWEADDR[0225]圖 SDRAM 連接圖2. Flash 存儲(chǔ)器由于 FLASH 存儲(chǔ)器具有體積小、容量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失、成本低等優(yōu)點(diǎn)，作為一種安全、快速的存儲(chǔ)介質(zhì)，已經(jīng)逐步取代其它半導(dǎo)體存儲(chǔ)元件，成為嵌入式系統(tǒng)中主要的數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ)媒體。Intel 生產(chǎn)的 JS28F320J3D75[15]作為嵌入式 Flash 內(nèi)存來(lái)使用，包含 256 個(gè)128Kbytes 的塊，可進(jìn)行快速的擦寫(xiě)，總?cè)萘窟_(dá)到 32Mbytes，外圍電路較簡(jiǎn)單。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)31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。RS232 采用的是負(fù)邏輯，導(dǎo)致信號(hào)電壓不匹配，無(wú)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。MAX202E[16]是+5V 供電的雙路 RS232 驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn) TTL 到 RS232 的電平轉(zhuǎn)換，電路如圖 及圖 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 串口轉(zhuǎn)換電路 1圖 串口轉(zhuǎn)換電路 2 顯示電路系統(tǒng)顯示電路采用液晶屏。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)33而是依賴周?chē)h(huán)境的光線進(jìn)行顯示。液晶具有無(wú)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。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。LCD 控制信號(hào)連接匹配電阻，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)。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。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)34圖 觸摸屏電路 鍵盤(pán)鍵盤(pán)是標(biāo)準(zhǔn)的輸入設(shè)備，用以進(jìn)行人機(jī)交互。嵌入式系統(tǒng)可以處理用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入的各種事件，完成指定的工作，如圖 所示：圖 鍵盤(pán)電路基于 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)35 GPS 數(shù)據(jù)模塊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源部分即 GPS 數(shù)據(jù)模塊，產(chǎn)生的位置信息是整個(gè)系統(tǒng)采集、分析、存儲(chǔ)等的對(duì)象，所以 GPS 數(shù)據(jù)模塊是系統(tǒng)的核心部件之一，其組成原理如圖 所示： GPS數(shù)據(jù)模塊組成原理根據(jù) GPS 芯片 ALLSTAR 的技術(shù)參數(shù)，可以通過(guò) OEM 板上的 MCX 接口外接 50 歐姆的微帶天線，這一部分不需要電路作支持。GPS 芯片通過(guò) 20 pin 雙列直插與數(shù)據(jù)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(jī)電路板串口相連接，串口 2 則可以與提供差分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)鏈相連接。 GPS 數(shù)據(jù)模塊電源電路本系統(tǒng)采用 4Ah 的鋰電池供電，但 OEM 板、主機(jī)系統(tǒng)都是 5V 供電的，所以需要進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，另外，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要提供穩(wěn)定的、純凈的電源系統(tǒng)，基于這些需求設(shè)計(jì)了電源部分的電路，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)36圖 GPS 數(shù)據(jù)模塊電源電路為了增加使用時(shí)間，電路中設(shè)計(jì)了兩路電源，可以根據(jù)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(dāng)電壓低于設(shè)定值后切換到第二路電源上；另一種是實(shí)時(shí)采集兩路電源的電壓值，進(jìn)行比較，優(yōu)先使用電壓較高的一路電源，當(dāng)它的電壓相比另一路電源的電壓低于設(shè)定值后切換到另外一路電源上。如果兩路電源電壓都很低時(shí)報(bào)警，并采取相應(yīng)措施，如保存現(xiàn)有數(shù)據(jù)及狀態(tài)，適當(dāng)時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉儀器。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，將電池的引腳與單片機(jī)的引腳相連了。電路中還預(yù)留了一些接口，這是為了將來(lái)的一些應(yīng)用設(shè)置的。 OEM 接口板OEM 板直接插在接口電路板上，接口電路板需要把電源和兩個(gè)串口引出來(lái)，這需要接口電路。接口電路板把由鋰電池 轉(zhuǎn)為 5V 的電源供給 OEM 板，這樣OEM 板的電源方面就可以完全滿足；OEM 的串口 串口 2 都是標(biāo)準(zhǔn) RS232 的，這樣串口只需要 3 根線 Tx、Rx、GND 即可通信，電路板的 PCB 圖如圖 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)37圖 GPS OEM 接口板 PCB 圖實(shí)物如圖 所示:圖 GPS OEM 接口板實(shí)物圖基于 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) 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)38第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中的軟件分為兩大部分，一是運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)中的下位機(jī)軟件，其主要的功能是采集串口數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，把目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文件，供后續(xù)處理使用；另一部分是運(yùn)行于臺(tái)式電腦中的上位機(jī)軟件，其主要功能是分析采集的數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)基于 5 的操作系統(tǒng)，軟件遵循 Windows CE 系統(tǒng)下運(yùn)行的規(guī)則，盡管 Wince 與臺(tái)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(yīng)用編程接口（ API）的，這樣可以使用在臺(tái)式電腦上的開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě) Wince下的程序，特別是一些著名的開(kāi)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]。本文采用 Visual C 2022 編寫(xiě)軟件，監(jiān)控主機(jī)串口，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行接收，然后分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和存儲(chǔ)；也可通過(guò)串口對(duì) GPS 模塊發(fā)送控制命令。軟件工作流程如圖 所示：圖 下位機(jī)軟件工作流程基于 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) 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)39軟件運(yùn)行界面如圖 所示：圖 下位機(jī)軟件運(yùn)行界面在實(shí)現(xiàn)軟件的代碼中，關(guān)鍵的代碼是打開(kāi)、關(guān)閉串口的代碼；對(duì)串口進(jìn)行寫(xiě)操作的代碼；串口數(shù)據(jù)（GPS 數(shù)據(jù)）的接收代碼 [19]。 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)GPS 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到主機(jī) Flash 中后，連接電腦可以把數(shù)據(jù)拷貝到臺(tái)式電腦中，為了便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和處理，一般把數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為 RINEX 格式（The Receiver Independent Exchange Format 與接收機(jī)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)交換格式） [20]。GPS 定位原理是空間的后方交會(huì)法，這樣 GPS 衛(wèi)星在軌的位置被認(rèn)為是已知的，GPS 星歷就是衛(wèi)星軌道參數(shù)的具體表現(xiàn)形式。與接收機(jī)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)交換格式 RIN