基于ARM的GPS接收機的設(shè)計

0 引言

全球定位系統(tǒng)(GPS)作為一種成熟的導(dǎo)航定位技術(shù),以其全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及所獨具的定位導(dǎo)航、授時授頻、精密測量等多方面的強大功能，使其用途越來越廣泛。傳統(tǒng)的使用8位單片機設(shè)計的GPS接收機，在數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)性能提升以及功能擴展等方面存在較大的不足。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，以ARM為代表的32位微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點，在現(xiàn)實中獲得了廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了一種GPS接收機的整體設(shè)計方案,該方案采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作為接收機的射頻前端，內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機的數(shù)字基帶處理器。該方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特點。

1 GPS接收機的基本組成

GPS接收機的主要任務(wù)是跟蹤可見GPS衛(wèi)星，對接收到的衛(wèi)星無線電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后獲得定位所需的測量值和導(dǎo)航信息，最后完成對用戶的定位運算和可能的導(dǎo)航任務(wù)。GPS接收機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿其工作流程的先后順序，通常分為射頻（RF）前端處理、基帶數(shù)字信號處理（DSP）和定位導(dǎo)航運算三大功能模塊。其基本組成如圖1所示：

2 GPS接收機的硬件設(shè)計

衛(wèi)星信號由天線接收,直接進入射頻前端。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)字中頻信號進入基帶數(shù)字處理器，基帶數(shù)字處理器完成衛(wèi)星信號的處理后，解調(diào)出導(dǎo)航電文，進行相應(yīng)的處理后給出所需的定位信息或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。

2.1 接收天線

接收天線是GPS接收機處理衛(wèi)星信號的首個器件,它將接收到的GPS衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號,以供接收機射頻前端攝取與處理。因為GPS接收機賴以定位的信息基本上全部來自于天線接收到的GPS衛(wèi)星信號，所以接收天線的性能直接影響著整個接收機的定位性能，它對接收機所起的作用與貢獻絕對不容忽視。

對GPS接收機天線的主要技術(shù)要求是：接收頻率為1575.42MHz的L1信號；為了與接收到的GPS衛(wèi)星信號的極化方式相匹配，從而提高接收效率，接收天線以右旋圓極化的方式工作；強度微弱的GPS衛(wèi)星信號應(yīng)當盡可能地先在緊靠天線的一端得到功率放大，以改善整個接收系統(tǒng)的噪聲性能，接收機采用內(nèi)置低噪聲放大器（LAN）的有源天線；電線饋線的阻抗為50 。綜上所述，本文采用靈敏度高的豎直形狀的四螺旋天線，且在工作時將天線采用外置的形式。

2.2 基于ATR0600的射頻前端電路設(shè)計

射頻(RF)前端模塊位于接收機天線與基帶數(shù)字信號處理模塊之間,它通過天線接收所有可見GPS衛(wèi)星信號,經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后,再與本機振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號進行混頻而下變頻成中頻(IF)信號,最后經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將中頻信號離散成包含GPS信號成分的、頻率較低的數(shù)字中頻信號，并在此過程中進行必要的濾波和增益控制。
本設(shè)計中射頻前端主要由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片及外圍濾波電路構(gòu)成，它是一個GPS接收機射頻前端IC芯片，采用單IF結(jié)構(gòu)，芯片上包含有混頻器、IF放大器、2bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集成度，很小的功耗（約50w）。

ATR0600通過外部的天線接收1575.42MHz的L1 GPS信號，經(jīng)過低噪聲放大器LNA進行第1級濾波、放大后，被外部SAW濾波器進行鏡像抑制和對1800MHz GSM頻帶信號進行隔離。該信號與基準頻率為23.104 MHz的本振信號進行混頻,混頻器將GPS信號下變頻到97.76MHz中頻?；祛l后，該信號經(jīng)過LC帶通濾波器和可變益放大器（VGA），與片上集成的中頻帶通濾波器組合，完成對GSM干擾信號的濾波。VGA輸出驅(qū)動集成的1.5bitA/D轉(zhuǎn)換器，將中頻信號轉(zhuǎn)化成4.35MHz的數(shù)字中頻信號。

ATR0600的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其電路應(yīng)用形式如圖2所示:

2.3 基于ATR0620的基帶處理器電路

基帶數(shù)字信號處理模塊是GPS接收機的核心部分,它通過處理射頻前端所輸出的數(shù)字中頻信號,復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號,從而實現(xiàn)對GPS信號的捕獲與跟蹤,并且從中獲得GPS偽距和載波相位等測量值以及解調(diào)出導(dǎo)航電文。

基帶數(shù)字信號處理模塊通常是硬件與軟件相結(jié)合的有機體，其中載波解調(diào)和C/A碼解擴通常是由ASIC硬件形式的數(shù)字信號處理器來完成的，而在微處理器中運行的跟蹤環(huán)路控制軟件通過計算來調(diào)節(jié)數(shù)字信號處理器的各種操作。由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0620 芯片包含有一個基于ARM7TDMI處理核的16通道相關(guān)器，它具有高性能的32bit RISC結(jié)構(gòu)，使用16bit指令系統(tǒng)，能利用ARM7TDMI微控制器核與片上RAM,完成GPS16通道相關(guān)器和外圍設(shè)備接口功能；利用芯片內(nèi)部大量的功能寄存器可以滿足實時控制應(yīng)用。

ATR0620外部接口及與ATR0600的信號連接如圖3所示。

2.4 GPS接收機的電路設(shè)計

ATR0600射頻前端為ATR0620提供衛(wèi)星信號,主時鐘信號和其它一些控制信號,而ATR0620為ATR0600提供采樣信號。圖4為利用ATR0600和ATR0620芯片設(shè)計的GPS接收機方框圖。

2.5 存儲模塊及通信接口

選用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C1041，由片選信號NSCS[I]選通來擴展SRAM，容量為4 Mb。FLASH則選用ST公司的4Mb容量的SST39VF400芯片，由片選信號NSCS[0]選通。

接收機中設(shè)計了兩種通信接口：一種是JTAG調(diào)試接口，連接JTAG仿真器進行開發(fā)調(diào)試，下載用戶程序；另一種是RS232通信串口，用于與主機通信。其中JTAG調(diào)試電路連接如圖5所示。

3 GPS接收機的軟件設(shè)計

GPS的用戶設(shè)備主要由接收機硬件和處理軟件組成。用戶通過用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終達到利用 GPS進行導(dǎo)航和定位的目的。GPS接收機軟件的結(jié)構(gòu)如圖6所示。程序包含兩部分：匯編語言程序部分(用于引導(dǎo)和系統(tǒng)初始化)和C語言應(yīng)用程序(用于主要的導(dǎo)航定位計算)。軟件整體采用并行任務(wù)結(jié)構(gòu)，由相關(guān)器產(chǎn)生的累加數(shù)據(jù)IRQ中斷信號進行任務(wù)切換的驅(qū)動，在中斷服務(wù)程序中更新偽碼、載波和數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路。

GPS接收機的應(yīng)用軟件根據(jù)不同的用途而不同，主要包括：數(shù)據(jù)采集與分析、衛(wèi)星位置計算、時間推算、差分定位和動態(tài)定位等程序。本設(shè)計的GPS接收機上的程序主要在ARM— CLinux交叉編譯環(huán)境下用C語言進行編寫，通過ARM7 JTAG接口連接JAG仿真器進行調(diào)試和移植。

4 結(jié)束語

本設(shè)計的GPS接收機采用內(nèi)嵌ARM7核的GP4020芯片作為接收機的數(shù)字基帶處理器，通過實驗調(diào)試，消除了以往微處理器的瓶頸效應(yīng)，具有體積小、功耗低、性能高的特點。實驗PCB板尺寸：75 mmх50 mm xl2 mm；通道數(shù)：16；功耗：小于0.1 W；首次定位時間：小于41 s(冷啟動)，小于2.5s(熱啟動)；定位精度:3 m。