基于ARM的GPS测量数据接收系统的设计与实现硕士学位论文

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1、 毕业设计论文基于ARM的GPS测量数据接收系统的设计与实现中文摘要目前GPS已经在生产、生活等领域得到广泛地应用。GPS不仅能够提供接收机的三维位置信息，而且随着电子技术的开展其测量的精度得到很大的提高，使得GPS在现代测绘工作中发挥着重要作用。本文研究的设备用于高精度地理位置信息的测量，设备要求测量时间45分钟以上，测量距离10公里以内的两个点之间相对精度能够到达毫米级，该设备可应用于地质勘探、测绘等方面。GPS经过多年的开展，已向多媒体、高精度、实时性等方向开展。嵌入式ARM具有功能强、功耗低、先进的嵌入式操作系统等优点，能够满足GPS的开展要求，因此ARM与GPS相结合成为现代GPS设

2、备的开展趋势。本课题基于地质勘探与测绘对地理位置信息的需要，分析了当前基于单片机系统的GPS在测绘工作中的局限性，分析了ARM的功能及特点，设计了基于ARM的GPS测量数据接收系统。本文从系统组成、前端数据采集原理、方法到采集数据后的数据分析、计算、结果评定等方面进行了详细的阐述，给出了系统各组成局部的电路原理图及系统控制软件说明等，为测试的工程化做了有益的尝试。本文以高性能32位ARM9处理器S3C2440A为核心，以ALLSTAR测量型GPS芯片为数据来源，搭建了适用于GPS数据采集的硬件系统。详细分析了系统的工作原理及其具体电路。在这个硬件系统的根底上采用Wince.NET 5作为操作系

3、统，进行了系统软件工作流程的设计工作。本文使用Visual Studio 2021软件开发工具，根据数据编码、通信及存储原理编写了主机数据采集程序，然后根据GPS定位原理及计算技术编写了数据分析软件。该系统的研究开发工作是在实践的根底上完成的，充分利用了S3C2440A芯片提供的资源，具有高性能、高可靠性、低功耗、低本钱的优点，在数据采集速度、稳定性、存储空间等方面都有较大提高，对提高测绘工作的质量具有较高的实用价值，可广泛应用于高精度地理位置信息的测量。关键词：ARM, GPS, 测绘, 导航, 静态测量Design and Realization of the GPS Measuremen

4、t Data Rece-iving System Based on ARM AbstractGPS is widely applied in the fields of production and daily life at the moment. It can not only provide three-dimensional position of the receiver, but also improve the accuracy of measuring with the development of electronic technology. Therefore GPS is

5、 playing an important role in modern surveying and mapping work. This paper presents an electronic instrument which could be used in high precision location information survey. It requires the relative accuracy in millimeters of the measurement between the 2 points which have a 10-km distance or a m

6、ore than 45-meter measuring time. The device can be used in geological prospecting, mapping and so on.After years of developing, GPS has tendencies of multi-media, high-precision, real-time direction, etc. Embedded ARM with powerful functions, low power consumption, advanced embedded operating syste

7、m can meet the requirements of GPS. Therefore, the combination of ARM and GPS has become the trend of modern GPS device.On the basis of the geological exploration and mapping needs to the location information, the essay analyses the limitations of the current GPS based on SCM systems in the mapping

8、work and the functions and features of ARM. On which it designs the GPS measurement data rece-iving system. The paper explains in details the system components, method and principle of front-end data collection, data analysis, calculation, assessment of results of GPS. In addition, it presents the p

9、arts of system schematic diagram and system control software instructions and so on, which takes a useful attempt for test engineering. With the high-performance 32-bit ARM9 processor S3C2440A at the core, ALLSTAR measurement-GPS chip as data sources and the hardware system suitable to GPS data acqu

10、isition. The paper analyses the working principle of the system and its specific circuit. Based on the hardware, the system designs the workflow of the system software with Wince.NET 5 operating system.With Visual Studio 2021, the author writes the host data acquisition program according to data cod

11、ing, communication and storage principles, and then under the principle of GPS positioning and calculation of technical, writes data analysis software.The research and development of the system is based on practice, which makes full use of the S3C2440A chip, has been proved advantages of high reliab

12、ility, high stability, low consumption and low cost. It improves considerably in the speed of data acquisition, stability, storage space and so on. Furthermore, it plays an important role in improving the quality of mapping work, which can be widely used in high-precision location information measur

13、ements.Keywords：ARM, GPS, Surveying and Mapping, Navigation, Static Measurement目 录第一章 概述11.1 选题依据及研究意义11.2 国内外研究现状及开展11.3 主要研究内容3第二章 嵌入式系统与全球定位系统42.1 ARM硬件开发平台42.1.1 ARM处理器的体系和结构42.1.2 基于三星S3C2440A处理器的开发平台52.2 ARM操作系统82.2.1 常见的ARM操作系统82.2.2 Wince.NET 592.3 全球定位系统GPS简介112.4 GPS接收机接收局部等核心部件132.4.1 GPS

14、接收天线132.4.2 GPS芯片OEM板142.4.3 GPS芯片数据协议15第三章 GPS测量数据接收系统设计方案173.1 总体设计173.2 测量原理183.2.1 系统硬件设计概述183.2.2 系统软件设计概述22第四章 系统硬件设计244.1 核心处理模块244.1.1底板电源电路254.1.2 CPU控制264.1.3 存储电路274.1.4 接口转换电路294.1.5 显示电路304.1.6 键盘324.2 GPS数据模块334.2.1 GPS数据模块电源电路334.2.2 OEM接口板34第五章 系统软件设计365.1 下位机软件设计365.2 上位机软件设计37第六章 数

15、据处理及分析446.1 数据处理原理446.2 动态数据处理456.2.1 动态数据计算原理456.2.2 动态数据计算流程476.3 静态数据处理486.3.1 静态数据处理原理506.3.2 GPS相对定位516.3.3 静态数据计算案例52第七章 结论与展望577.1 全文研究工作总结577.2 进一步工作的方向57参考文献59攻读硕士学位期间公开发表的学术论文61致 谢62第一章 概述1.1 选题依据及研究意义测绘工作在国民经济建设、科学研究、国防建设及社会开展中都发挥着重要的作用，它是利用测量仪器测定地球外表自然形态的地理要素和地表人工设施的形状、大小、空间位置及属性等，对空间数据进

16、行分析、管理、存储和显示等的综合应用1。在测绘工作中，测绘工作与测量仪器的开展息息相关。随着电子技术的快速开展，GPSGlobal Positioning System 全球定位系统的开展趋势是：精度高、功耗低、重量轻、操作简单、集成多种功能、海量数据存储与处理。自从GPS引入到测绘工作中后，给整个测绘系统带来了一场变革。本系统的主要功能是获取地理位置坐标数据，经处理和存储，实现实时导航定位，而存储的包含原始测量信息的数据，可以用来进行数据后处理。GPS定位技术在测绘工作中的使用十分广泛，例如，我国为了对整个幅员的多种信息进行全面的掌握，需要建立一整套统一的坐标系，包括坐标点位置信息、高程控制

17、方法等，由于测量区域广、面积大、精度要求高，使用传统的测绘方式无论是野外工作还是测量数据后处理的工作量都是很大的，现在使用GPS后，改善了传统测量存在的效率低、劳动强度大、误差积累明显等问题；对于较大的区域，例如苏州市轻轨的建设，根据测绘工作的要求，需要对工作区域进行整体控制，GPS使用“静态测量的工作方式可以快速而准确的完成工作；对于一般的导航，GPS的使用更加的广泛，并已经由专业测绘工作扩展到日常生活，如汽车导航设备。尽管GPS应用领域各不相同，但就测量设备本身而言，其实质都是一样的，即获取地理位置信息数据。因此，对GPS测量数据接收系统的研究有着现实的意义。1.2 国内外研究现状及开展G

18、PS设备根本上是纯粹的电子设备，其开展规律与一般的电子产品相似。在整合性上，GPS设备的集成度越来越高。早期的GPS设备其GPS天线、电源与处理数据的主机是分开的，靠电缆进行连接，分别提供电力和数据传输。采用别离元件、低集成度器件来设计的，器件体积大、功耗高、使用复杂，相对应的软件功能弱，调试不方便，可移植性不好。而现在，已经开展成为GPS天线、大容量锂电池、处理芯片、外部接口、用户界面等高度紧密的整合在一起，可靠性上得到了很大的提高。在采用的元器件及功能应用上，早先的GPS设备是由8位单片机作为CPU，随着电子技术的进步，新器件、新技术不断出现，也不断被用来制造新的设备。嵌入式系统的开展为G

19、PS设备的开展提供了良好的契机。由于GPS设备的大量应用，特别是在个人消费方面，汽车导航、智能 、手持式导航仪等得到大力的开展，这些设备要求低功耗、多功能，例如智能 就包含了 、GPS、高分辨率大屏幕、声音等多媒体功能，要在一个设备中实现众多的功能，目前使用的是32位ARMAdvanced RISC MachineCPU。ARM CPU由原来的ARM7开展到ARM9，主频由原来的几十兆变为200兆、400兆、533兆等，性能越来越好；在新的CPU通常会增加新的功能，随着CPU的更新，对它起支撑作用的整体系统构架也会随之升级，这会带来系统的集成度越来越高，功能越来越强。GPS产品也是这样。还有，

20、GPS需要强大的后续软件来表达其应用的价值，可以这么说，没有软件的GPS仅仅是一个传感器，所以，软件功能上的更新也是必要的，在GISGeographic Information System 地理信息系统方面，这得到了很好的表达。而对于专业测量GPS而言，多个行业的专业应用，如铁路、远洋、GIS采集等，是其开展的方向。在软件上的开展，配套ARM CPU使用的软件操作系统可以选择的也很多，代表性的有ucOS、Linux、Windows CE等，这样，GPS设备终端就变得可以实现许多的功能，除了GPS定位外还可以进行大容量数据存储、播放多种声音文件、播放视频、进行高分辨率摄影等，与用户的交互也变得

21、多样化起来，原来只能通过键盘输入信息，现在可以使用触摸屏甚至是语音识别。对于工业化的测量专用的GPS设备而言，对多媒体的追求是其次的。工业测量GPS追求的是测量结果高精度、数据结果高可靠、位置更新高速度、对外界恶劣环境高防范、软件使用专业化等，目前国内参加生产的专业测量GPS根本都是沿着这些方向开展的。1.3 主要研究内容本文是在研究目前国内外现有的GPS测量数据接收系统的根底上，借鉴和使用了最新的研究成果，根据实际需求设计了硬件和软件构架。研究的主要内容是基于ARM的GPS测量数据接收系统的实现方法及其关键技术，其中：主要研究内容包括：1、GPS接收机的一般组成，包括器件、组成和结构；2、专

22、业测量GPS芯片的具体研究；3、GPS芯片配合电路的设计、开发与调试；4、ARM芯片的使用及与GPS的结合；5、在ARM上运行的软件操作系统及应用程序的编写。关键技术包括：1、电路设计上，采用了高性能32位ARM9处理器S3C2440A为核心，以ALLSTAR测量型GPS芯片为数据来源，搭建了适用于GPS数据采集的硬件系统；2、采集了GPS定位数据，利用Visual Studio软件工具编写了嵌入式数据处理软件；3、使用GPS通用数据格式文件RINEX进行采集数据的处理，并通过后处理软件到达了毫米级精度。第二章 嵌入式系统与全球定位系统2.1 ARM硬件开发平台ARM是全球微处理器行业中一家知

23、名的企业，该公司于1990年在剑桥大学成立，它是由苹果电脑、Acorn Computer Group和VLSI Technology联合成立的一家设计32位嵌入式RISC芯片内核的公司。如今，“ARM嵌入式内核已经被全球各大芯片厂商采用，基于ARM的开发技术也席卷了全球嵌入式产品的市场，并成为嵌入式系统的主流技术之一2。2.1.1 ARM处理器的体系和结构ARM构架诞生至今已经有过屡次变革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前ARM的架构有：(1) V1构架ARM1：具有根本的数据处理指令无乘法；字节、半字节、字的Load/Store指令；转移指令；软件中断指令；64MB的寻址空间。(2)

24、V2构架ARM2、ARM3：增加乘法指令；增加支持协处理器的操作；增加快速中断模式；增加SWP/SWPB的存储器和存放器交换指令。(3) V3构架ARM6：增加MRS/MSR指令，可以访问新增加的CPSR/SPSR存放器。增加了异常处理返回；寻址空间扩展到4GB。(4) V4构架ARM7、ARM9：低功耗的32位RISC处理器，包括32位地址线和数据线，具有ICE逻辑，调试开发方便；具有16位的Thumb指令集；主频高达130MIPS；完善了软件中断SWI指令。(5) V5构架ARM10：具有带链接和交换的转移BLX指令；计数前导零CLZ指令；BRK中断指令；增加了一些信号处理指令。(6) V

25、6构架ARM11：增加了SIMD功能，为多媒体处理的应用系统提供优化功能。其中，ARM7、ARM9、ARM10，Intel的StrongARM系列、Xscale系列等属于通用处理器系列，已经在很多领域大量应用。ARM是基于RISCReduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机3而设计的，它有着与CISCComplex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机在一些地方有着很大的区别。传统的CISC计算机随着计算机技术的开展不断地引入新的复杂指令集，为了支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，但在这些指令中，只有约20%的指

26、令会被反复调用，占程序代码的80%；余下的80%指令不经常使用，在程序代码中占20%，这就造成了浪费，显得设计不合理，而RISC那么可以防止这些问题。RISC指令系统相对简单，能够满足大局部的功能需求，只要求硬件执行有限的最常用的那局部指令，大局部复杂的操作使用成熟的编译技术由简单指令合成，这使得计算机的执行效率得到提高。目前中高端的效劳器普遍使用RISC指令集，把重点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度。CISC和RISC架构各有其侧重点，现在出现了超长指令集计算机，融合了两只指令集的优势，成为未来CPU开展的趋势之一。2.1.2 基于三星S3C2440A处理器的开发平台三星公

27、司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A采用了ARM920T的内核4，0.13um 的CMOS 标准宏单元和存储器单元, 它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)，提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。其低功耗，简单，且全静态设计特别适合于对本钱和功率敏感型的应用。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A减少

28、整体系统本钱和无需配置额外的组件。S3C2440A有如下的功能和特性：为手持设备和通用嵌入式应用提供片上集成系统解决方案；16/32位RISC体系结构和ARM920T内核强大的指令集；指令高速存储缓冲器I-Cache，数据高速存储缓冲器D-Cache；采用ARM920T CPU内核支持ARM调试体系结构；其内部结构图如图2.1所示：图2.1 S3C2440A内部结构图其AHB总线Advanced High-performance Bus图如图2.2所示：图2.2 AHB总线图其APBAdvanced Peripheral Bus总线图如图2.3所示：图2.3 APB总线图正由于S3C2440A

29、的强大功能，在它上面开发新功能是很有意义的一件事。为了更好的使用S3C2440A，将CPU及局部核心部件封装为一块尺寸较小、通用性较强的部件，称之为核心板。板上配备了两片32M的三星SDRAM,一片64M的NAND FLASH,开发板采用两片半字half-wordSDRAM 器件共同组成一个32位数据宽度的SDRAM系统，提高了其与CPU的通信效率。更好的发挥S3C2440A芯片的潜能。核心板尺寸图如图2.4所示：图2.4 S3C2440A核心板尺寸图其实物图如图2.5所示：图2.5 S3C2440A核心板实物图有了核心板还需要一块开发底板来进行接口的扩展，使核心板能够与外设通过开发板进行通信

30、。开发底板可以扩展许多功能，包括标准的串口、USB、液晶、音频等，也可以增加其他功能，如红外接收器、温度传感器、摄像头等。总之，核心板插在开发板上使用，形成一套完整的、丰富接口的ARM嵌入式系统。2.2 ARM操作系统2.2.1 常见的ARM操作系统在嵌入式应用中嵌入式操作系统已经大量存在，尤其在功能复杂、系统庞大、要求较高的方案中显得越来越重要，可以说没有操作系统的计算机是没有用的，这点在普通的台式电脑上大家都有深刻体会。操作系统管理整个硬件系统的运行，负责各种资源的调配，充分发挥了32位CPU的多任务能力，是整个嵌入式系统的灵魂。目前有多种嵌入式操作系统，它们使得开发实时应用程序的设计和扩

31、展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能，把应用程序分割为假设干独立运行的模块，使得程序的设计变得简化许多；对于实时性要求高的应用做到了快速响应和可靠处理；使得整个系统的资源得到很好的管理和应用。常见的嵌入式操作系统有：(1) 嵌入式LinuxClinux是一个完全遵循GNU/GPL公约的嵌入式操作系统，其代码完全开放，内核由专业公司进行维护。Clinux是从Linux2.x5内核中派生的，沿袭了Linux的大局部特性，通常应用在仅具有很少内存的嵌入式系统上，系统的CPU可以没有虚拟内存或者内存管理单元。在GNU通用公共许可证的保证下，几乎可以使用所有的Linux API函数。由于Clin

32、ux是在标准的Linux上进行适当的裁剪和针对性的优化，所以尽管Clinux体积小但仍保存了Linux的大局部优点，如稳定、易于移植，网络功能强大、良好的文件系统支持等。(2) Windows CEWinCE是微软公司设计开发的一个开放的，易于使用的，基于掌上电脑的操作系统。WinCE的图形界面十分出色，非常平易近人，加上微软公司在台式电脑操作系统上的高普及率，WinCE一开始就很得人心。WinCE使用了精简的Windows API，这使得系统开发上与Windows开发根本相同，但又有细微差异。WinCE系统还有一个非常吸引人的地方就是WinCE的开发工具，如Visual C+，与台式电脑上的

33、根本一致，使得大多数软件只需要简单的修改和移植就可以在WinCE平台上使用。为了推广Windows CE，微软甚至开放了定制操作系统的工具PowerBuilder，开发工具也可免费使用，如embedded Visual C+等。在程序开发工具上，一些老牌的公司如宝蓝公司等现在实力都无法与微软抗衡，使得WinCE的市场占有率十分高。(3) C/OS IIC/OS II6是一个源代码开放，移植性良好、可固化、可裁剪的占先式实时多任务操作系统，其大局部源代码是用ANSIC写的，C/OS II通过了美国联邦航空局商用航行器认证，证明了其性能的优异。还有其他一些较有特色的嵌入式操作系统，如VxWorks

34、、Nucleus、eCos等，它们在某些方面都有其特长，限于篇幅在此不再赘述。2.2.2 Wince.NET 5Microsoft WindowsCE7是为各种嵌入式系统和产品设计的一种压缩的、具有高效的、可升级的操作系统(OS。其多线性、多任务、全优先的操作系统环境是专门针对资源有限而设计的。Windows CE .NET是Windows CE 3.0的后继产品。Windows CE.NET具备完整的操作系统特性，它包括了创立一个基于Windows CE的定制设备所需的一切，例如：强大的联网能力、强劲的实时性和小内存体积占用以及丰富的多媒体和Web浏览功能。 1操作系统体系结构Windows

35、 CE是由假设干独立模块所建，每一个模块提供特定的功能。其中有几个模块又被分成几个组件。组件能使WindowsCE变得较为紧凑小于200兆ROM，仅需要使用最小的ROM、RAM和其它硬件资源就可运行设备。如图2.6所示：图2.6 Windows CE系统架构2WinCE.NET新增特性 嵌入式系统的开发人员会在Windows CE.NET中发现大量的新增特性和改良特性，其中包括：无线技术，例如蓝牙Bluetooth；设备仿真，该特性可以对完整的设备环境进行仿真而无需任何额外的硬件投资；平台向导，可以从众多的预置设备设计中进行选择，以便跳跃式地开始开发流程；此外，还有丰富的多媒体和Web浏览功能

36、，例如Microsoft Internet Explorer 5.5 和Windows Media编解码器Codec和控件。3扩展设备驱动程序支持高级技术附加数据包接口Advanced technology Attachment Packet Interface，ATAPI磁盘驱动程序，提供了CD和DVD的“读支持。新的统一音频模型和例如驱动程序：UAM实现了对WAV和Microsoft DirectSound音频API的高效支持。它还使得编写一个能有效支持WAV和DirectSound的驱动程序成为可能。 2.3 全球定位系统GPS简介1973年12月，美国国防部批准了一项方案，由陆海空三军

37、联合研制一种新型的军用卫星导航系统，称之为“Navigation by satellite timing and ranging global positioning system即现今简称的GPS。GPS属于美国第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的根底上开展起来的。GPS由空间局部、地面监控局部和用户接收机三大局部组成8，如图2.7所示：图2.7 GPS的构成GPS系统的空间局部使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座。 21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上每轨道面四颗，轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球的任何

38、地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形 DOP ，这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS系统的地面监控局部监控着GPS 卫星的运作状态及它们在太空中的精确位置，主地面控制站更负责传送卫星瞬时常数 (Ephemeras Constant) 及时脉偏差 (Clock Offsets) 的修正量，再由卫星将这些修正量提供应 GPS 接收机器进行定位。GPS接收机是一般用户使用的局部，它能被动的接收GPS卫星发出的信号，然后根据多个卫星的信号进行定位。那么接收机是由什么组成的，工作原理是什么，如何实现一个接收机，数据如何处理，在实际工作中如何使用，技术上有什么

39、新的开展等问题就是本文中要研究的对象。GPS工作原理可以分为下面的几个步骤9：第一步：GPS测量方法的理论根底是“前方交会。“前方交会意思是从一个未知点上分别观测几个点，然后根据测量出的几个距离计算出未知点坐标的测量方法。其几何原理如下，在平面上，要确定未知点P的坐标，至少需要P到三个点的距离，其示意图如图2.8所示：图2.8 “前方交会的几何原理示意图在太空中，这些点变为立体空间的点，圆圈变为球面，所以至少需要知道P点至4个点的距离才能确定P的位置，其立体图如图2.9所示:图2.9 “前方交会的立体图第二步：为了实现 “前方交会，距离是必须测量的值。而GPS测量距离的方法是通过测量无线电信号

40、在空中传播的时间来完成的。距离 = 速度 时间，GPS的测距方法与一般的红外测距仪本质上没有区别，不过，用户是不会发出任何无线电波的，所有的信号都是卫星发出来的，用户只要接收即可。第三步：为了能通过“前方交会测定接收机的位置，卫星在太空中的位置必须精确。当美国国防部测量出了卫星的精确位置，他们就把这个位置发给卫星，卫星就把这个新的改正位置信息加载到GPS信号中播送出去。于是，卫星就不仅仅具有了带有时间信息的伪距码，而且还具备了带有位置信息的星历。综上所述，GPS的测量原理为：前方交会 - 测量距离 - 测量时间 - 测量卫星位置 - 误差改正。2.4 GPS接收机接收局部等核心部件GPS接收机

41、要接收GPS信号并转为数字信息，必需依赖两个核心部件：GPS天线和GPS芯片，通常称为OEM板Original Equipment Manufacturer Card。2.4.1 GPS接收天线GPS使用的天线一般是无源微带天线，是用来把太空中微弱的GPS无线电信号复原为高频电流的变换装置。GPS天线有五大特征参数：方向性图、天线增益、输入阻抗、极化性、频带宽度。其中，方向性图是指辐射能量在空间分布状态的三维立体图；极化性是指无线电波的电场矢量所指的最大辐射方向。本系统采用的GPS天线是专业单频测量型GPS天线，它内部由天线与前置放大器密封一体，可保证全天候正常工作，能够接收来自地平线以上任何

42、方向的卫星信号，不产生死角，底部有金属板可以削弱多路径效应，具备高增益、低噪声系数、大的动态范围条件，天线的相位中心保持高度的稳定，当GPS卫星运动时能够尽量与几何中心保持一致，其参数为10：工作频率：1575.42 MHZ10MHZ输出阻抗： 50驻波比： 1.5:1极化方式：右旋圆极化工作电压：3VDC、4VDC、5VDC工作温度：-45+65方向性图如图2.10所示：图2.10 GPS天线方向性图2.4.2 GPS芯片OEM板GPS OEM板是把GPS天线转换来的高频电信号转换为数字信息的部件。本文中使用的ALLSTAR OEM板是单频板11，能够接收GPS卫星发射的L1波段信号，然后解

43、调出信号中的位置信息及载波相位信息，并且，该OEM板还可以接收差分信号，从而获得动态的较高精度的定位结果。ALLSTAR OEM内部硬件结构如图2.11所示：图2.11 ALLSTAR OEM板内部硬件结构图ALLSTAR OEM板采用了双列直插20 pin的硬件通信接口，支持的串口波特率可到115200 bit/s。一般使用串口1来作为命令输入和数据输出的接口，而串口2用来作为差分数据输入/输出接口，其他的接口视具体需要而决定是否使用。并且这两个串口都是RS232(Recommended Standard 232)的接口，在软硬件调试等方面很方便，其波特率也可以根据需要对OEM板发送指令进行

44、更改。2.4.3 GPS芯片数据协议为了保证系统CPU与GPS OEM板正常的协同工作，必须要建立一套合理的通信指令。这样，当CPU对OEM发送指令时，OEM板能够正确识别并按照需要进行工作；而OEM发送的包含位置信息的数据流也必须按照约定的格式进行发送，这样CPU可以进行数据解析，得到所需的数据资料。ALLSTAR的数据是按照每字节中“高位在前低位在后的的方式进行排列，如表2.1所示。如果使用的是Microsoft Windows系列操作系统，这点是保持兼容的。表2.1 ALLSTAR的数据排列方式Byte最高位最低位顺序7 6 5 4 3 2 1 0 bits指令及数据流的结构形式如表2.

45、2所示：表2.2 ALLSTAR指令及数据流的结构形式第1字节信息首字节，固定为0x01第2字节信息的ID号，十六进制表示下同，需要注意的是，ID号的范围只用来7bits最大0111 1111，这样，最高位就用来表示该信息是只发送1次还是连续发送，例如ID# 23：ID=0x17,bits 0001 0111,最高位为0,只发送1次；ID=0x97,bits 1001 0111,最高位为1,连续发送。第3字节ID号的补足码第4字节信息长度0255第5n字节信息内容，长度为n-4第n+1和n+2字节校验和：整条信息的字节全部相加之和，相加后用1个16位的2个字节整数来保持，然后其低字节在前，高字

46、节在后，例如有一条指令的header和data相加后结果是十进制的772，相当于十六进制的0x0304，那么把低字节放在前面，高字节放在后面，然后加在整条信息的后面，即：Header + data + 0x04 0x03数据例如：SOH, ID#, COMPL ID#, LENGTH, U, G, P, S,-, 0, 0, 0, CKSUM(MSB) (SYNTAX) 01, 63, 192, 08, 85, 71, 80, 83, 45, 48, 48, 48, 772 (DECIMAL) 01H, 3FH, C0H, 08H, 55H, 47H, 50H, 53H, 2DH, 30H,

47、30H, 30H, 04H, 03H (HEXADECIMAL)ALLSTAR提供来许多指令及数据，但常用的只有几条，其余的保持出厂设置即可，常用的有：ID# 20、21、22、23、33、43、47、48、77、81、82、83、103、110、112等，其中：ID# 20：请求当前位置信息；ID# 22：请求星历数据；ID# 23：请求原始测量数据；ID# 33：卫星信息。第三章 GPS测量数据接收系统设计方案3.1 总体设计作为一个完整的GPS导航定位系统，主要实现的功能是通过GPS天线接收GPS信号，转换为包含了定位信息的数字信号，通过串口接入基于ARM的嵌入式系统。嵌入式系统运行相应

48、软件，监听串口，当收到数据后对数据进行解析，从而得到位置数据，对数据进行测量学上的计算就可以应用到电子地图中去进行导航等；另一方面，可以把包含高精度测量信息的数据保存下来，到达一定时间后下载到计算机中，再用专业软件进行处理，从而得到高精度测量数据。在系统运行过程中，需要与用户进行交互，所以有界面及触摸屏、键盘、鼠标等输入设备。整个系统设计原理如图3.1所示：图3.1系统的整体结构系统采用的主要器件性能指标为：CPU：三星S3C2440A，主频400MHz内存：64M串口：3个RS232电源:7.4V 4000mAH锂电池液晶屏：3.5寸TFT彩色触摸屏GPS芯片：12 并行通道ALLSTAR3

49、.2 测量原理3.2.1 系统硬件设计概述系统整个硬件局部分为4个模块：数据源、用户界面、数据链、数据处理核心，所有的部件集成在一起，示意图如图3.2：图3.2 硬件局部示意图1数据源要得到GPS数据，必须使用GPS天线把微弱的GPS卫星信号从各种无线电信号中检出，并放大到一定强度后通过射频电缆传递给GPS芯片。本文中使用的天线能够接收GPS的L1信号频率1575.42 MHz，波长19.03cm，GPS天线是无源天线，可以直接插到OEM板上，给OEM供电时OEM会自动给天线供电，测量用天线如图3.3所示： 图3.3 测量用天线使用的GPS芯片是原加拿大无线电公司CMC生产的ALLSTAR O

50、EM板，如图3.4所示：图3.4 ALLSTAR OEM板该OEM板的主要特性如下：l 12通道，全天空卫星跟踪l 单芯片射频前置电路l 支持无源和有源天线l 5V供电l GPS接收及导航集成在一块单板上l 工作温度：-3075，存储温度：-4085l 输出频率为1、2、5、10Hzl 码跟踪及载波相位跟踪l 两个数据串口l 板载可充电锂电池2用户界面设备最终要与用户进行交互才有意义，设备通过图像、声音等显示当前位置及进行导航等；用户通过键盘、触摸屏、鼠标等发送指令给设备，完成自己想要完成的工作。本系统集成了4线电阻式触摸屏接口的相关电路，目前支持3.5寸、支持320240 TFT液晶屏，支持

51、触摸，在W 5下显示效果如图3.5所示:图3.5 W 5下显示效果实物图如图3.6所示：图3.6 触摸屏实物图用户还可以通过蓝牙等扩展用户界面，比方使用带蓝牙的智能 ，得到GPS的数据进行处理，并且把数据保存下来；也可以发送指令及数据给设备。3数据处理核心数据处理核心是整个系统的中心，负责协调各种设备的运行，负责指令和数据的处理，负责联系和管理整个系统部件的各项工作。本系统使用SAMSUNG ARM9 S3C2440A作为CPU搭建的系统平台12，其主要性能如表3.1所示：表3.1 SAMSUNG ARM9 S3C2440A的主要性能开发板硬件资源CPU三星S3C2440A，主频400MHz，

52、可倍频至533MHz内存 64M，可根据需要扩展到128M NAND Flash标配128M，可更换为16M、32M、64M NOR Flash 一片4M NOR Flash 串口 一个五线异步串口，一个三线串口，一个三线扩展引出 存储接口 一个SD卡接口,一个IDE接口可直接挂接硬盘 LCD和触摸屏接口 集成了4线电阻式触摸屏接口的相关电路目前支持3.5寸、5.6寸、5.7寸、8寸TFT液晶屏3.3V/5V电源供电，可为多款液晶提供电压支持 电源接口 5V电源供电，带电源开关和指示灯 AD转换一个可调电阻接到ADC引脚上用来验证模数转换 EEPROM一片IIC接口的EEPROM其他 五个用户

53、按键,五个用户LED,一个PWM控制蜂鸣器平台分为两局部，一局部是为了增加通用性而独立出来的核心板，上面包括了CPU、内存等关键局部，并且作用专注于计算的核心；另外一局部是扩展的接口局部，称之为“底板，把核心板上提供的功能转为日常通用的接口，比方核心板提供了USB功能，但不能直接使用，需要扩展为实际应用的USB接口，那么接口就放在了底板上。这种结构与一般台式电脑的设计思想是一样的，在底板上可以插入CPU、显卡、硬盘等部件，可以根据需要进行功能的扩展。3.2.2 系统软件设计概述本系统运行的操作系统是Wince.NET 5，可以编写和运行基于Windows精简指令集的windows程序。一般应用

54、的导航软件是基于电子地图的GIS软件，本系统提供标准的数据接口，可以方便的接入导航软件；另外，对于面向测量专业应用的软件是本文的重点。软件的工作流程如图3.7所示：图3.7 软件的工作流程软件的数据处理流程如图3.8所示：图3.8 软件的数据处理流程软件实现的功能是：运行在Wince.NET下，监测串口数据，当检索到是GPS数据时，进行两种处理：一是对位置信息进行计算，进行地学应用；另外是保持原始测量数据，将来下载到计算机中进行软件后处理。具体的处理方法将在下面的章节中介绍。第四章 系统硬件设计电路的总体结构是以主控制器为核心的，主控器控制着所有外围器件，选择主控器对系统性能起着关键作用。本文

55、选用ARM架构的嵌入式微处理器作为系统的主控制器。整个系统的硬件分为两大局部：一局部是主机局部，即控制、存储、显示、通信等功能模块；另一局部是数据源，即GPS模块。系统的硬件结构如图4.1所示。图4.1 系统的硬件结构ARM微处理器本文选用的是三星公司的S3C2440A，系统以S3C2440A为核心实现GPS测量数据接收，下面分别对各局部电路进行阐述。4.1 核心处理模块ARM CPU已经在核心板上集成，需要使用底板把核心板上提供的功能转为日常通用的接口，这种结构与一般台式电脑的设计思想是一样的，在底板上可以插入CPU、显卡、硬盘等部件，可以根据需要进行功能的扩展。GPS功能模块通过串口与AR

56、M接口板进行通信，运行于ARM上的软件发送指令控制GPS模块，而GPS模块发送的数据流交给软件进行解析和运用，连接的原理如图4.2所示：图4.2 主机连接原理4.1.1底板电源电路底板使用5V/3.3V 直流进行供电，带电源开关和指示灯，可为多款液晶提供电压支持。存储器、外部I/O口及多数器件都使用3.3V供电，所以在电路中使用了LM1117-CT3.313低压差电压调节器进行电压调节。调节端通过一个旁路电容接地增强对纹波的抑制，防止输出电压放大倍数的增加；同时，使用电容保持输出电压的稳定性，提高了回路的稳定性。电源电路原理如图4.3所示：图4.3 3.3V底板电源电路原理CPU内核需要1.3

57、V供电，采用LM1117-CT1.3电压调节器将3.3V电压调节至1.3V，电源电路原理如图4.4所示：图4.4 1.3VCPU电源原理4.1.2 CPU控制ARM CPU选用S3C2440A，它是三星公司出品的32位RISC嵌入式处理器，满足了嵌入式系统对低本钱、小体积、低功耗、高性能的需求。它采用了AMBAADVANCEDMICROCONTROLLER BUS ARCHITECTURE，这是一种全新的总线设计，提供完整的系统外围使得S3C2440A能够尽可能的减少系统整体本钱和另外的设备组件。其外围电路框图如图4.5(a)和4.5(b)所示： (a) S3C2440A 外围的数据与地址总线

58、 (b) S3C2440A 外围控制图4.5 S3C2440A的外围接口4.1.3 存储电路与台式电脑类似，嵌入式系统为了与高速CPU进行数据交换，需要把数据放在SDRAM中运行，相当于台式电脑的“内存；而数据需要进行较低速度的存取及数据存储，因此数据存储在Flash中，相当于台式电脑中的“硬盘，这样系统掉电时数据不会丧失。1. SDRAM存储器本系统选用两片K4S561632E-TC7514并联构建32位的内存系统，共64M SDRAM空间，可以满足嵌入式系统复杂的功能运行需求，其电路连接如图4.6所示：图4.6 SDRAM连接图2. Flash存储器由于FLASH存储器具有体积小、容量大、

59、掉电数据不丧失、本钱低等优点，作为一种平安、快速的存储介质，已经逐步取代其它半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要的数据和程序的存储媒体。Intel生产的JS28F320J3D7515作为嵌入式Flash内存来使用，包含256个128Kbytes的块，可进行快速的擦写，总容量到达32Mbytes，外围电路较简单。JS28F320J3D75芯片接入系统的电路如图4.7所示：图4.7 JS28F320J3D75外部电路4.1.4 接口转换电路蓝牙、其他控制设备与主机的通信都采用串口方式。RS232采用的是负逻辑，导致信号电压不匹配，无法直接进行通信，需要接口电路实现电平标准转换。MAX202E16是

60、+5V供电的双路RS232驱动器，可以实现TTL到RS232的电平转换，电路如图4.8及图4.9所示：图4.8 串口转换电路1图4.9 串口转换电路24.1.5 显示电路系统显示电路采用液晶屏。液晶的显示方式是被动式显示，其本身并不能发光，而是依赖周围环境的光线进行显示。液晶具有无闪烁，体积小，功耗低，适用范围广等特点，现在已经逐步取代传统的CRT成为了一种常用的显示方式。本系统采用了三星的真彩色TFT液晶屏LTV350QV-F0417，它具有26万色，分辨率为320*240，自带4线触摸屏，采用6个LED作为背景光源。LCD控制信号连接匹配电阻，可以实现更远距离传送数据。其中，TSXP，TS

61、XM 用于连接标准四线电阻式触摸屏的X 组引脚，TSYP，TSYM 用于连接Y 组引脚。电路原理如图4.10所示：图4.10 液晶外围电路LTV350QV-F04自带的4线触摸屏电路如图4.11所示：图4.11 触摸屏电路4.1.6 键盘键盘是标准的输入设备，用以进行人机交互。嵌入式系统可以处理用户通过键盘输入的各种事件，完成指定的工作，如图4.12所示：图4.12 键盘电路4.2 GPS数据模块系统的数据源局部即GPS数据模块，产生的位置信息是整个系统采集、分析、存储等的对象，所以GPS数据模块是系统的核心部件之一，其组成原理如图4.13所示：图4.13 GPS数据模块组成原理根据GPS芯片

62、ALLSTAR的技术参数，可以通过OEM板上的MCX接口外接50欧姆的微带天线，这一局部不需要电路作支持。GPS芯片通过20 pin双列直插与数据源接口电路板相连，接口电路板外接电源给OEM板供电，并将OEM板的串口引出，串口1直接与主机电路板串口相连接，串口2那么可以与提供差分数据的数据链相连接。4.2.1 GPS数据模块电源电路本系统采用7.4V 4Ah 的锂电池供电，但OEM板、主机系统都是5V供电的，所以需要进行电源转换，另外，为了保证系统的稳定运行，需要提供稳定的、纯洁的电源系统，基于这些需求设计了电源局部的电路，如图4.14所示：图4.14 GPS数据模块电源电路为了增加使用时间，电路中设计了两路电源，可以根据需要选择使用哪一路，通常有两种模式，一种是优先使用第一路电源，当电压低于设定值后切换到第二路电源上；另一种是实时采集两路电源的电压值，进行比拟，优先使用电压较高的一路电源，当它的电压相比另一路电源的电压低于设定值后切换到另外一路电源上。如果两路电源电压都很低时报警，并采取相应措施，如保存现有数据及状态，适当时间自动关闭仪器。为了实现这些功能，将电池的引脚与单片机的引脚相连了。电路中还预留了一些接口，这是为了将来的一些应用设置的。4.2.2 OEM接口板OEM板直接插在接口电路板上，接口电路板需要把电源和两个串口引出来，这需要接口电路。接口电路板把由锂电池7.