摘 要: 介紹了一種基于ARM微處理器的GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案.該GPS接收機(jī)采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片作為接收機(jī)的射頻前端,內(nèi)嵌ARM7核的ATR0620芯片作為接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器, 并闡述了外圍擴(kuò)展電路及軟件設(shè)計(jì)。該GPS接收機(jī)具有體積小、功耗低、性能高的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: GPS接收機(jī)；ATR0600芯片；ARM技術(shù)；ATR0620芯片
Design and implementation of a GPS Receiver Based on ARM
ZHANG Qing-miao1,LIU Yong-hong2
(1.No.16 Brigade of Graduate, Air Defense Force Command Academy, Zhengzhou 450052; 2. Dept. of Scientific Research, Air Defense Forces Command Academy, Zhengzhou 450052)
Abstract: This paper introduces the structure and design of the GPS receiver．
Taking ATR0600(made by Atmel) as its front—end and ATR0620 with an ARM7 as its microprocessor，GPS receiver is small in size and consumes less，which reduces the bottle—neck effect bound to other processor．
Key words: GPS receiver；ATR0600；ARM；ATR0620
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(dòng)化、高效率等顯著特點(diǎn)及所獨(dú)具的定位導(dǎo)航、授時(shí)授頻、精密測(cè)量等多方面的強(qiáng)大功能，使其用途越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)的使用8位單片機(jī)設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)，在數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)性能提升以及功能擴(kuò)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(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
本文介紹了一種GPS接收機(jī)的整體設(shè)計(jì)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(jī)的射頻前端，內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機(jī)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(diǎn)。
1 GPS接收機(jī)的基本組成
GPS接收機(jī)的主要任務(wù)是跟蹤可見GPS衛(wèi)星，對(duì)接收到的衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后獲得定位所需的測(cè)量值和導(dǎo)航信息，最后完成對(duì)用戶的定位運(yùn)算和可能的導(dǎo)航任務(wù)。GPS接收機(jī)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(hào)處理（DSP）和定位導(dǎo)航運(yùn)算三大功能模塊。其基本組成如圖1所示：
2 GPS接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
衛(wèi)星信號(hào)由天線接收,直接進(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)入基帶數(shù)字處理器，基帶數(shù)字處理器完成衛(wèi)星信號(hào)的處理后，解調(diào)出導(dǎo)航電文，進(jìn)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(jī)處理衛(wèi)星信號(hào)的首個(gè)器件,它將接收到的GPS衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào),以供接收機(jī)射頻前端攝取與處理。因?yàn)镚PS接收機(jī)賴以定位的信息基本上全部來(lái)自于天線接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)，所以接收天線的性能直接影響著整個(gè)接收機(jī)的定位性能，它對(duì)接收機(jī)所起的作用與貢獻(xiàn)絕對(duì)不容忽視。
對(duì)GPS接收機(jī)天線的主要技術(shù)要求是：接收頻率為1575.42MHz的L1信號(hào)；為了與接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)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(qiáng)度微弱的GPS衛(wèi)星信號(hào)應(yīng)當(dāng)盡可能地先在緊靠天線的一端得到功率放大，以改善整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲性能，接收機(jī)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(shí)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(jì)
射頻(RF)前端模塊位于接收機(jī)天線與基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊之間,它通過(guò)天線接收所有可見GPS衛(wèi)星信號(hào),經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后,再與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號(hào)進(jìn)行混頻而下變頻成中頻(IF)信號(hào),最后經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將中頻信號(hào)離散成包含GPS信號(hào)成分的、頻率較低的數(shù)字中頻信號(hào)，并在此過(guò)程中進(jìn)行必要的濾波和增益控制。
本設(shè)計(jì)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(gè)GPS接收機(jī)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(guò)外部的天線接收1575.42MHz的L1 GPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器LNA進(jìn)行第1級(jí)濾波、放大后，被外部SAW濾波器進(jìn)行鏡像抑制和對(duì)1800MHz GSM頻帶信號(hào)進(jìn)行隔離。該信號(hào)與基準(zhǔn)頻率為23.104 MHz的本振信號(hào)進(jìn)行混頻,混頻器將GPS信號(hào)下變頻到97.76MHz中頻。混頻后，該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(duì)GSM干擾信號(hào)的濾波。VGA輸出驅(qū)動(dòng)集成的1.5bitA/D轉(zhuǎn)換器，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成4.35MHz的數(shù)字中頻信號(hào)。
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(hào)處理模塊是GPS接收機(jī)的核心部分,它通過(guò)處理射頻前端所輸出的數(shù)字中頻信號(hào),復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號(hào)相一致的本地載波和本地偽碼信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的捕獲與跟蹤,并且從中獲得GPS偽距和載波相位等測(cè)量值以及解調(diào)出導(dǎo)航電文。
基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊通常是硬件與軟件相結(jié)合的有機(jī)體，其中載波解調(diào)和C/A碼解擴(kuò)通常是由ASIC硬件形式的數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)完成的，而在微處理器中運(yùn)行的跟蹤環(huán)路控制軟件通過(guò)計(jì)算來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)處理器的各種操作。由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0620芯片包含有一個(gè)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(shí)時(shí)控制應(yīng)用。
ATR0620外部接口及與ATR0600的信號(hào)連接如圖3所示。
2.4 GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)
ATR0600射頻前端為ATR0620提供衛(wèi)星信號(hào),主時(shí)鐘信號(hào)和其它一些控制信號(hào),而ATR0620為ATR0600提供采樣信號(hào)。圖4為利用ATR0600和ATR0620芯片設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)方框圖。
2.5 存儲(chǔ)模塊及通信接口
選用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C1041，由片選信號(hào)NSCS[I]選通來(lái)擴(kuò)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(hào)NSCS[0]選通。
接收機(jī)中設(shè)計(jì)了兩種通信接口：一種是JTAG調(diào)試接口，連接JTAG仿真器進(jìn)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(jī)通信。其中JTAG調(diào)試電路連接如圖5所示。
3 GPS接收機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
GPS的用戶設(shè)備主要由接收機(jī)硬件和處理軟件組成。用戶通過(guò)用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終達(dá)到利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。GPS接收機(jī)軟件的結(jié)構(gòu)如圖6所示。程序包含兩部分：匯編語(yǔ)言程序部分(用于引導(dǎo)和系統(tǒng)初始化)和C語(yǔ)言應(yīng)用程序(用于主要的導(dǎo)航定位計(jì)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(hào)進(jìn)行任務(wù)切換的驅(qū)動(dòng)，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(jī)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(jì)算、時(shí)間推算、差分定位和動(dòng)態(tài)定位等程序。本設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)上的程序主要在ARM— CLinux交叉編譯環(huán)境下用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，通過(guò)ARM7 JTAG接口連接JAG仿真器進(jìn)行調(diào)試和移植。
4 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)采用內(nèi)嵌ARM7核的GP4020芯片作為接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)間：小于41 s(冷啟動(dòng))，小于2.5s(熱啟動(dòng))；定位精度:3 m。
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作者簡(jiǎn)介：
張青苗 （1985-），男，防空兵指揮學(xué)院在讀碩士研究生，
研究方向：防空兵技術(shù)裝備作戰(zhàn)運(yùn)用
手機(jī)：15038318112 張青苗
E-mail: zhangqingmiaocom@sina.com.cn
通訊地址：河南省鄭州市防空兵指揮學(xué)院研究生16隊(duì) 郵編：450052
劉永鴻 （1963-），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榉揽毡鹂叵到y(tǒng)設(shè)計(jì)。