用AT91R40008設(shè)計高動態(tài)GPS接收機
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――運行控制系統(tǒng);用戶部分――GPS接收機。空間和控制部分由美國軍方設(shè)計和控制,用戶部分主要是各種型號的GPS接收機。
自從GPS全部建成以后,它將晝夜不停地發(fā)送導(dǎo)航信息,在在地址的任何時間和任何地方實現(xiàn)定位。用戶接收機的功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號,恢復(fù)載波信號頻率和衛(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)。通過測量本地時鐘與恢復(fù)的衛(wèi)星鐘之間的時延來測量偽距并進行修正。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)星定出用戶的位置。
GPS接收機主要由天線/低噪聲前置放大器、GPS接收機變頻和相關(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)。特別是在高動態(tài)應(yīng)用中,由于對多通道連續(xù)跟蹤,數(shù)據(jù)運算處理量大,處理器部分往往成為整個接收機性能的瓶頸。因此選擇什么樣的處理器將直接影響到GPS接收機的成本及性能,如運算速度、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)計高動態(tài)GPS接收機。
1 GPS接收機整體方案設(shè)計
1.1 GPS接收機設(shè)計原理
GPS接收機由信號接收、信號變頻、信號相關(guān)、信號處理和存儲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)航信號由天線接收,經(jīng)過低哭聲前置放大,進入射頻前端。射頻前端具有變頻作用,將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號。中頻信號經(jīng)采樣信號采樣、量化后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號。數(shù)字中頻信號進入相關(guān)通道,經(jīng)過處理后,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)計中,射頻前前和相關(guān)通道部分選用英國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)系列單片機后,推出的基于國際領(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下運行片內(nèi)SRAM可用于影像應(yīng)用軟件或存儲數(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,用戶可在加載內(nèi)部SRAM以后,禁止外部非易失性存儲器。
2 GPS接收機硬件設(shè)計
GPS接收機硬件設(shè)計原理圖如圖3所示。
所有的本振頻率和數(shù)字鐘信號都是由GP2015內(nèi)的鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生的。GP2015有一個內(nèi)置的晶體振蕩環(huán)路,只需外置一個晶體振蕩器,這個晶振的穩(wěn)定性對整個接收機有著非常重要的影響。只有溫補晶振才能達到要求,本設(shè)計中的晶體振蕩器采用TCXO 4080,它的穩(wěn)定度能達到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)用軟件或存儲數(shù)據(jù)。考慮到應(yīng)用軟件的大小及算法復(fù)雜度對內(nèi)存的需求,本設(shè)計中擴展了一片片外SRAM。該SRAM的容量最高中擴展到1MB,選用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C1041,由片選信號NCS1選通,容量為512KB。
圖3
Flash是快速閃存,存儲由主機通過調(diào)試口或串口下載來的程序代碼。本設(shè)計選用AMD公司生產(chǎn)的AM29LV400,這是一個512KB容量的Flash EPROM芯片,由片選信號NCS0選通。
接收機與外部有兩種 通信接口:一種是JTAG接口,連接JTAG仿真器,使用集成開發(fā)環(huán)境配合JTAG仿真器進行開發(fā)調(diào)試、下載用戶程序等,非常方便;另一種是通用串口,共有兩個,一個用于與主機通信 ,一個用于GPS數(shù)據(jù)輸出。
3 GPS接收機軟件設(shè)計
GPS接收機是軟硬件結(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,對其進行解調(diào)、解擴,得到導(dǎo)航電文信息。微處理器對相關(guān)通道進行控制,完成對相關(guān)通道數(shù)據(jù)的讀取、判斷、運算,對它本身的工作參數(shù)設(shè)定等。
GP2021具有12個相關(guān)處理通道,每個相關(guān)處理通道的電路都相同且各自獨立,最多能同時接收12顆衛(wèi)星的信號。每個相關(guān)通道主要由一個載波鎖定環(huán)路和一個C/A碼延時鎖定環(huán)路組成。載波鎖定環(huán)路用來跟蹤衛(wèi)星信號載波頻率和載波相位,使環(huán)路中載波數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的本地參考信號頻率與衛(wèi)星信號載波頻率保持相等,且相位差接近于零,達到載波同步。在載波同步的情況下就可以對BPSK信號進行解調(diào),得到基帶信號。偽碼延時鎖定環(huán)路用來使本地C/A碼的相位,與接收機GPS衛(wèi)星中的C/A碼相位保持同相,以實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的解擴和偽距離測量。
應(yīng)用程序通過寫相關(guān)器GP2021相應(yīng)的豁口而對其進行控制,相關(guān)器根據(jù)其控制豁口的內(nèi)容進行相應(yīng)的解調(diào)、解擴等工作。在每個時鐘取樣信號時刻,測量值鎖定在相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器里,同時產(chǎn)生中斷信號。微處理器運行在循環(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)寄存器的測量值,然后進行數(shù)據(jù)運算處理處理完畢后,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
按此設(shè)計制成的高動態(tài)GPS接收機經(jīng)過試驗檢驗,完全消除了以往微處理器的瓶頸效應(yīng)。在66MHz下運行時,可以達到55.4MIPS的性能,完全滿足系統(tǒng)運行奈。最突出的特點是體積小、功耗低。微控制器AT91R40008的封裝尺寸僅為16mm16mm,最大功耗(在從內(nèi)部SRAM取指令運行時)為0.73mW/MHz(在25℃測得),在66MHz下運行時功耗僅為55mW。這在高動態(tài)GPS接收機的實際應(yīng)用中非常有意義。
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