摘要：在高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)中，由于要對(duì)多個(gè)通道連續(xù)跟蹤，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理最大，因此對(duì)微處理器的性能要求較高。除性能外，對(duì)功耗和何種也有很高要求。在移動(dòng)通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的ARM微處理器具有性能高、體積小、功耗低、低成本的特點(diǎn)，選擇ARM微處理器設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)非常合適。本文較詳細(xì)介紹采用Atmel公司的ARM核微控制器AT91R40008設(shè)計(jì)高調(diào)動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)的過(guò)程。

    關(guān)鍵詞：GPS 微控制器 相關(guān)通信 AT91R40008

作為一種成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)目前已經(jīng)被初步應(yīng)用在各行各業(yè)中，其應(yīng)用前景也非常廣闊。

GPS系統(tǒng)由三部分組成：空間部分——各軌道衛(wèi)星；地面部分——運(yùn)行控制系統(tǒng)；用戶(hù)部分——GPS接收機(jī)?？臻g和控制部分由美國(guó)軍方設(shè)計(jì)和控制，用戶(hù)部分主要是各種型號(hào)的GPS接收機(jī)。

自從GPS全部建成以后，它將晝夜不停地發(fā)送導(dǎo)航信息，在在地址的任何時(shí)間和任何地方實(shí)現(xiàn)定位。用戶(hù)接收機(jī)的功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)，恢復(fù)載波信號(hào)頻率和衛(wèi)星鐘，解調(diào)出衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘校正參數(shù)等數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量本地時(shí)鐘與恢復(fù)的衛(wèi)星鐘之間的時(shí)延來(lái)測(cè)量偽距并進(jìn)行修正。采用經(jīng)典導(dǎo)航定位算法或卡爾曼濾波定位算法，由四顆衛(wèi)星定出用戶(hù)的位置。

GPS接收機(jī)主要由天線/低噪聲前置放大器、GPS接收機(jī)變頻和相關(guān)通道、微處理器系統(tǒng)組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

其中核心部分是微處理器系統(tǒng)。特別是在高動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，由于對(duì)多通道連續(xù)跟蹤，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理量大，處理器部分往往成為整個(gè)接收機(jī)性能的瓶頸。因此選擇什么樣的處理器將直接影響到GPS接收機(jī)的成本及性能，如運(yùn)算速度、定位精度、功耗等。本文將探討采用Atmel公司的ARM核微控制器AT91R40008設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)。

1 GPS接收機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)原理

GPS接收機(jī)由信號(hào)接收、信號(hào)變頻、信號(hào)相關(guān)、信號(hào)處理和存儲(chǔ)及接口等幾大模塊組成。原理框圖如圖2所示。

如圖2所示，導(dǎo)航信號(hào)由天線接收，經(jīng)過(guò)低哭聲前置放大，進(jìn)入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)采樣信號(hào)采樣、量化后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)。數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)入相關(guān)通道，經(jīng)過(guò)處理后，解譯出導(dǎo)航電文。微處理器接收導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)處理后給出所需的定位信息或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。

本設(shè)計(jì)中，射頻前前和相關(guān)通道部分選用英國(guó)Zarlink半地體公司生產(chǎn)的GP2015和GP2021芯片。其中，GP2015是12通道相關(guān)器。微處理器采用Atmel公司生產(chǎn)的32位ARM核微控制器AT91R40008。

1．2 ARM核微控制器AT91R40008

AT91微控制器是Atmel公司繼AT89、AT90（AVR）系列單片機(jī)后，推出的基于國(guó)際領(lǐng)先32位RISC處理器核ARM的高端嵌入式系統(tǒng)芯片。AT91R40008含有256KB的片內(nèi)32位寬SRAM，在66MHz下運(yùn)行片內(nèi)SRAM可用于影像應(yīng)用軟件或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在最小系統(tǒng)功耗下得到最高性能。為了使功耗最小，用戶(hù)可在加載內(nèi)部SRAM以后，禁止外部非易失性存儲(chǔ)器。

2 GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

所有的本振頻率和數(shù)字鐘信號(hào)都是由GP2015內(nèi)的鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生的。GP2015有一個(gè)內(nèi)置的晶體振蕩環(huán)路，只需外置一個(gè)晶體振蕩器，這個(gè)晶振的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)接收機(jī)有著非常重要的影響。只有溫補(bǔ)晶振才能達(dá)到要求，本設(shè)計(jì)中的晶體振蕩器采用TCXO 4080，它的穩(wěn)定度能達(dá)到10 -8。

采用以ARM7TDMI為內(nèi)核的微控制器AT91R40008。AT91R40008含有256KB的片內(nèi)32位SRAM，可用于影像應(yīng)用軟件或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)?？紤]到應(yīng)用軟件的大小及算法復(fù)雜度對(duì)內(nèi)存的需求，本設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了一片片外SRAM。該SRAM的容量最高中擴(kuò)展到1MB，選用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C1041，由片選信號(hào)NCS1選通，容量為512KB。

圖3

    Flash是快速閃存，存儲(chǔ)由主機(jī)通過(guò)調(diào)試口或串口下載來(lái)的程序代碼。本設(shè)計(jì)選用AMD公司生產(chǎn)的AM29LV400，這是一個(gè)512KB容量的Flash EPROM芯片，由片選信號(hào)NCS0選通。

接收機(jī)與外部有兩種 通信接口：一種是JTAG接口，連接JTAG仿真器，使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試、下載用戶(hù)程序等，非常方便；另一種是通用串口，共有兩個(gè)，一個(gè)用于與主機(jī)通信 ，一個(gè)用于GPS數(shù)據(jù)輸出。

3 GPS接收機(jī)軟件設(shè)計(jì)

GPS接收機(jī)是軟硬件結(jié)合的電路。相關(guān)通道接收變頻器產(chǎn)生二位數(shù)據(jù)流，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)、解擴(kuò)，得到導(dǎo)航電文信息。微處理器對(duì)相關(guān)通道進(jìn)行控制，完成對(duì)相關(guān)通道數(shù)據(jù)的讀取、判斷、運(yùn)算，對(duì)它本身的工作參數(shù)設(shè)定等。

GP2021具有12個(gè)相關(guān)處理通道，每個(gè)相關(guān)處理通道的電路都相同且各自獨(dú)立，最多能同時(shí)接收12顆衛(wèi)星的信號(hào)。每個(gè)相關(guān)通道主要由一個(gè)載波鎖定環(huán)路和一個(gè)C/A碼延時(shí)鎖定環(huán)路組成。載波鎖定環(huán)路用來(lái)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)載波頻率和載波相位，使環(huán)路中載波數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的本地參考信號(hào)頻率與衛(wèi)星信號(hào)載波頻率保持相等，且相位差接近于零，達(dá)到載波同步。在載波同步的情況下就可以對(duì)BPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到基帶信號(hào)。偽碼延時(shí)鎖定環(huán)路用來(lái)使本地C/A碼的相位，與接收機(jī)GPS衛(wèi)星中的C/A碼相位保持同相，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的解擴(kuò)和偽距離測(cè)量。

應(yīng)用程序通過(guò)寫(xiě)相關(guān)器GP2021相應(yīng)的豁口而對(duì)其進(jìn)行控制，相關(guān)器根據(jù)其控制豁口的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)、解擴(kuò)等工作。在每個(gè)時(shí)鐘取樣信號(hào)時(shí)刻，測(cè)量值鎖定在相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器里，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)。微處理器運(yùn)行在循環(huán)等狀態(tài)，發(fā)生中斷后，向處理器將讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器的測(cè)量值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理處理完畢后，輸出結(jié)果，最后返回到循環(huán)等待狀態(tài)，等待下一次中斷。中斷處理程序流程圖如圖4所示。

結(jié)語(yǔ)

按此設(shè)計(jì)制成的高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)，完全消除了以往微處理器的瓶頸效應(yīng)。在66MHz下運(yùn)行時(shí)，可以達(dá)到55.4MIPS的性能，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行奈。最突出的特點(diǎn)是體積小、功耗低。微控制器AT91R40008的封裝尺寸僅為16mm×16mm，最大功耗（在從內(nèi)部SRAM取指令運(yùn)行時(shí)）為0.73mW/MHz（在25℃測(cè)得），在66MHz下運(yùn)行時(shí)功耗僅為55mW。這在高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中非常有意義。