基于WindowsCE的GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)

摘要：通過對FastraX公司生產(chǎn)的超低功耗iTrax02 GPS接收機模塊的分析，介紹將GPS接收機和聯(lián)想手持式PDA結(jié)合進行空間定位的硬件實現(xiàn)和軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)體積小、功耗低，能快速、精確的對所處空間進行定位。

關(guān)鍵詞：GPS接收機 定位PDA

引言

GPS是“Global Positioning System”，即“全球定位系統(tǒng)”的簡稱。GPS系統(tǒng)具有定位精度高、全天候、實時性、測站無須通視、使用方便等優(yōu)點，并且所有結(jié)果均通過數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，便于數(shù)字化管理。所以GPS已被廣泛用于社會生活的各個領(lǐng)域，如工程、交通、氣象、國防、水利、環(huán)保、安全保衛(wèi)、定時等。

圖1

自1994年美國全球定位系統(tǒng)（GPS）全部建成并投入運行以來。這一技術(shù)在短短的四年中，發(fā)展極為迅速。各種檔次和型號的接收機應(yīng)運而生，并投放市場。GPS的應(yīng)用也進入與定位有關(guān)的領(lǐng)域，獲得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。我國從20世紀(jì)80年代起開始引進GPS接收機及其技術(shù)，目前GPS在我國也得到了全面廣泛地應(yīng)用。

GPS全部建成以后，它將晝夜不停地發(fā)送導(dǎo)航定位信息，在地球的任何地方和任何時間實現(xiàn)定位，其中最重要的設(shè)備就是用戶接收機。GPS接收機是被動式全天候系統(tǒng)，只收不發(fā)信號，故不受衛(wèi)星系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)的控制，用戶數(shù)量也不受限制。GPS接收可以按照不同的要求進行分類，但總體來說分兩大類：導(dǎo)航型和測地型。

導(dǎo)航型接收機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度低、耗電省、價格便宜。一般采用單頻C/A碼偽碼接收技術(shù)，定位精度幾十米，常用于航空、航海和陸地的實時導(dǎo)航中。

圖2

1 iTrax02 GPS接收機的性能特點

iTrax02 GPS接收機模塊是芬蘭FastraX公司生產(chǎn) 的超低功耗、極小體積的接收機模塊。它適宜于便攜式、手提式設(shè)備，只要求簡單的外圍電路，占用空間小，工件時間長。iTrax02 GPS接收機模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其主要性能特點如下：

*極小的PCB封裝體積（26mm26mm4.7mm，包括射頻部分和模塊系統(tǒng)對外接口）；

*超低功率損耗，在連續(xù)工作狀態(tài)下100mW@2.7V；

*12信道并行接收機；

*集成了20針QLP封裝的射頻前端芯片UN8021和144針BGA封裝的基帶處理芯片NU8031；

*0.35Ucmos技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)ASIS（Application Specific Integrated System）結(jié)構(gòu)；

*極快信號獲取的專門搜索引擎；

圖3

*獨有的、超低功耗、32MIPS、集成的16位DSP核；

*實時操作系統(tǒng)控制（VSDSP RTOS）下類似于RISC的應(yīng)用編程；

*通用小型系統(tǒng)連接器（包括射頻和I/O口）；

*片上存儲器（X/Y數(shù)據(jù)和程序SRAM）；

*低功耗實時時鐘；

*16位通用輸入輸出口（GPIO），2個通用異步收發(fā)器（UART），擁有SPI總線接口；

*雙脈沖檢測輸入。

iTrax02接收模塊共有40個引腳。

2 iTrax02 GPS接收機的接口信號

2.1 SPI接口

對iTrax02 GPS接收機來說，提供的SPI接口主要用于兩個目的：①可用于通過外部的EEPROM來啟動接收機；②控制射頻前端芯片uN8021。對iTrax02來說，基帶處理芯片uN8031永遠是主設(shè)備，而其它有SPI接口的設(shè)備永遠是從設(shè)備。

當(dāng)通過外部的EEPROM來啟動接收機時，實際數(shù)據(jù)或命令的時序關(guān)系如圖2所示。

2.2 UART接口

iTrax02接收芯片帶有2個UART接口，這2個接口支持不同的協(xié)議，均可用于串行通信。UART0口支持FastraX公司自行開發(fā)的iTALK協(xié)議，數(shù)據(jù)率是115.2kbps；UART1口支持通用的無線電NMEA協(xié)議，數(shù)據(jù)率是4.8kbps。iTrax02接收芯片是早期版本支持iTALK協(xié)議，新的版本統(tǒng)一改為支持NMEA協(xié)議。

2.3 GPIO接口信號

與外部接口有一個16bit的GPIO口可用，每一個GPIO信號都可以編程產(chǎn)生中斷。一些GPIO接口信號是iTrax02 GPS接收機內(nèi)部保留信號引腳，GPIO14和GPIO15內(nèi)部保留用于啟動方式的選擇。

iTrax02 GPS接收機缺省啟動方式是從內(nèi)部的Flash啟動，其它的啟動方式可以通過對外部的相應(yīng)配置來選擇。GPIO13保留，用來控制內(nèi)部LNA的開啟；GPIO12保留，用來控制內(nèi)部Flash的開啟，GPIO11保留，用來接收外部的喚醒信號。引腳電平由1到0或由0到1來作為喚醒命令。

3 iTrax02 GPS接收機的應(yīng)用電路

要使iTrax02 GPS模塊正常工作，外部天線、Reset及供電電路也是必不可少的。而其天線的接入和與外圍相關(guān)引腳的連接如圖3所示。請注意：無源天線和有源天線只接其中之一即可。

3．1 供電設(shè)置

對iTrax02芯片來說，為讓接收達到最后的結(jié)果，對射頻部分和基帶部分要分開供電，圖4是供電部分的參考電路。DC-DC電源片用的是TI公司的TPS77127DGK和TPS77027，這2個電源片均可將5V轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的2.7V，滿足iTrax02的低軾耗要求。在這里，用PS77127DGK還有一個好處就是可以提供RESET信號。此RESET信號和電源上電之間最少有200ms的延遲，可以完全滿足iTrax02 GPS接收機對復(fù)位信號的要求，這樣就大大簡化了電路。有關(guān)TPS77127DGK和TPS77027更詳細的介紹可參閱其詳細的資料。

3．2 典型應(yīng)用

硬件連接框圖如圖5所示。上電復(fù)位后，iTrax02 GPS接收機開始正常工作，通過UART0發(fā)數(shù)據(jù)。PDA接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)iTALK協(xié)議將有用數(shù)據(jù)解析出來，獲取定位信息。

3．3 設(shè)計要點

在設(shè)計PCB板時，要考慮到接收模塊和天線之間的阻抗匹配問題，PCB板上，推薦在無源天線和接口之間接一個50Ω的PCB帶狀線，其連接方式如圖6所示。

這個50Ω帶狀線的寬度依靠PCB板的材料和厚度而定，以FR4板材（約1.5GHz）而言，帶狀線的寬度應(yīng)是板厚的2倍。如板厚是0.8mm，那么帶狀線的寬度應(yīng)是1.6mm，依此類推，如圖7所示。

ITrax02 GPS接收機還可以在38腳V_ANTENNA外接有源天線，有源天線的電壓依所用的天線類型而定，而供應(yīng)電流最大不能超過100mA。

4 軟件實現(xiàn)方法

我們所用的手持式PDA是聯(lián)想公司的XP天璣100，它所采用的操作系統(tǒng)是Windows CE。Windows CE是32位的多線程操作系統(tǒng)，具有能夠使用各種設(shè)備的開放性體系。它整體緊湊，在小內(nèi)存的情況下可提高性能，并具有伸縮性，能夠支持未來的嵌入式移動或多媒體產(chǎn)品的開展潮流。它是微軟公司的新成員，是基于掌上型電腦類電子設(shè)備的操作系統(tǒng)。它是一個搶先式多任務(wù)并具有強大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng)。

iTrax02接收模塊可以支持兩種協(xié)議，在Windows CE的軟件平臺上開發(fā)支持iTALK協(xié)議（或NMEA協(xié)議）。軟件的基本流程如圖8所示。

結(jié)語

本系統(tǒng)在我們開發(fā)的車載導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，有效解決了功耗問題，操作方便，定位及時準(zhǔn)確，所占空間小，效果良好。