集成多媒體功能的GPS方案
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衛(wèi)星定位概述
全球衛(wèi)星導航的基本原理是：衛(wèi)星發(fā)射導航電文，其中包括測距精度因子、開普勒參數、軌道攝動參數、衛(wèi)星鐘差參數和大氣傳播遲延修正參數等。地面接收機根據碼分多址CDMA或頻分多址FDMA的特點區(qū)分各導航衛(wèi)星，接收并識別相應的導航電文，測量發(fā)來信號的傳播時間，利用導航電文中的一系列參數逐步計算出衛(wèi)星的位置。接收機只要能接收到至少4顆衛(wèi)星信號，就可確定其位置和鐘差。在全球導航系統(tǒng)中，用戶接收機根據衛(wèi)星導航電文不斷地核準其時鐘鐘差，可以得到很高的時鐘精度，這就是精確的衛(wèi)星授時；根據導航電文的規(guī)律性的時序特征，通過計數器，可以得到高精度的同步秒脈沖信號，用于同/異地多通道數據采集與控制的同步操作。
②視頻播放功能：本機可選擇SD卡中的視頻文件即可實現觀賞影片功能，支持avi、mpg和wmv等視頻格式。
③音頻播放功能：選擇SD卡中的音樂即可欣賞，支持mp3/wma/ogg等音頻格式。
④圖片瀏覽功能：支持JPG（JPEG）/ GIF/ BMP等圖片格式的閱覽。
⑤文本閱讀功能：支持TXT文本格式的閱覽。
⑥PDA功能：帶有簡便的OFFICE辦公套件，可以打開日常電腦中編輯的word /excel/ ppt/ pdf 等文檔。
2 方案原理
方案原理框圖如圖1所示。
圖1 方案原理框圖
方案采用當前最流行的ARM920T內核的SAMSUNG S3C2440嵌入式芯片，S3C2440處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，主頻400MHz，最高可達533MHz，這是目前世界上主頻最快的嵌入式移動CPU之一，內核電壓為1.3V，采用16/32位 ARM920T RISC核心，能提供豐富接口，如數碼攝像頭、TFT/STN液晶屏、USB、HOST/DEVICE、IIS音頻、NAND閃存、SD/MMC存儲卡以及觸摸屏，有8通道10位 ADC等。產品電源采用USB供電、車充供電、電充供電和電池供電四種供電方式。GPS接收模塊采用正原的ZYM-GM21_GUIDE，該模塊采用 SIRFstarIII, 內嵌高性能ARM7TDMI CPU，可以接收到20顆衛(wèi)星的信號，不導航時可以關閉GPS模塊以省電，該模塊尺寸為 42 (L) 20 (W) 8 (H) (mm)，輸入電壓為直流+3.6～+4.2V，數據更新每秒一次，熱啟動時間小于1s（在開闊地點），冷啟動時間小于35s(在開闊地點)。LCD屏采用三星3.5英寸數字屏,該屏分辨率為320240，16M色TFT 真彩LCD, 帶LED 背光觸摸屏。閃存存放已調試好的用戶應用程序、嵌入式操作系統(tǒng)和其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數據等；SDRAM存儲器作為系統(tǒng)運行時的主要區(qū)域，系統(tǒng)和用戶數據及堆棧均位于SDRAM存儲器中；SD卡存放凱利德的電子地圖，用1Gb卡可以存放全國地圖。
首先，CPU完成對GPS和外圍接口的初始化工作；CPU還必須要周期性地對系統(tǒng)終端的當前狀態(tài)做出測試及判斷，并對各種實際情況做出相應的處理，以保證系統(tǒng)能正常而穩(wěn)定地工作，同時實時顯示客戶需要了解的各種信息和產品基本功能中要求的各種信息。
3 關鍵器件的選型原則
做數碼產品主要是選好CPU，CPU定好后，其他很多外圍電路就基本定了，因為有很多現成的參考電路和有關專題的應用電路。對于新手或經驗不足的工程師，最好就用IC原廠或方案公司提供的參考電路，因為這是通過專業(yè)技術人員考慮和實驗過的。在通過以后自己實驗驗證基礎上，處于降低成本和提高性能的需要，再更換部分/個別元器件。
①CPU的選擇
選主CPU是關鍵，首先，要考慮到CPU的性能是否與你的設計規(guī)劃一致，這個CPU將來能否滿足你的需要，因為熟悉一個CPU不容易，將來換一個CPU也不容易，會浪費時間，這個CPU要能滿足你的產品更新換代需要。其次，CPU的價格是否能滿足你的需要，你要做高檔/中檔/低檔產品，你做的產品功能是否很多或單一，這些也決定你的選擇。再次，你的現有資源很大程度上決定你的選擇，如你和哪個CPU公司或技術支持公司比較熟悉，能夠給你提供最大的技術支持和價格支持及各種服務。最后，你以前熟悉哪些CPU，你以前的知識可以減少開發(fā)時間并減少不成功的風險。
由于三星具有性價比高的特點,可以做功能完善的產品線，便于將來升級加一些附加功能，如增加手機、移動電視、攝像頭和PDA等功能，且很多通用性嵌入式產品都能用三星CPU來實現,所以我們選用三星的作為主CPU。
②衛(wèi)星接收模塊的考慮
現在大都用SIRFⅢ的芯片做GPS產品，所以這點是定的。選擇哪個公司的GPS接收模塊呢？我們的原則是要用集成了天線的模塊，這樣的目的是這種GPS模塊做出來的產品接收性能穩(wěn)定些；這種產品的GPS天線是內嵌的，不是外掛的，所以產品的體積小些；同時由于不用考慮天線的安裝和布局，使得設計簡單，容易調試且容易保證產品性能一致。通過測試，我們選用正原的ZYM-GM21_GUIDE做為GPS接收模塊，該模塊20mm的寬度使我們的產品能做成超薄，使的產品外觀更好看。
4 主要模塊的硬件電路圖及說明
①CPU和存儲器接口圖
如圖2所示，由于S3C2440有現成的SDRAM、FLASH、EEPROM、SD CARD和USB等接口，只要按S3C2440的說明書和參考資料設計很容易實現圖２。其中FLASH用于保存程序，EEPROM用于保存靜態(tài)數據，SDRAM用于保存動態(tài)數據，SD卡用于保存地圖數據資料和給用戶自己留用。一般省和區(qū)（如東北三省區(qū)）地圖容量要400Mb空間，全國地圖要800Mb空間，所以1Gb的SD卡可以夠用。
圖２ CPU和存儲器接口圖
②聲音處理電路
圖３為聲音處理電路圖，通過控制CPU寄存器，聲音通過CPU的IIS-BUS輸出給D/A轉換電路，再通過功放輸出。
圖３ 聲音處理電路圖
③顯示和視頻輸出
圖４為顯示和視頻輸出圖，由于S3C2440有LCD接口電路，所以實現起來很容易。通過視頻轉換D/A，可以輸出Y/C信號和CVBS信號，以方便外接顯示器顯示。
圖４ 顯示和視頻輸出圖
④CPU對GPS的控制
主要是通過串行口發(fā)送控制命令實現（GPS采樣周期的設置、GPS輸出數據選擇、通信波特率設置等），同時通過串行口接收GPS定位信息。由于GPS輸出數據采用NMEA-0183（V 3.01）格式，輸出數據為多組，在本系統(tǒng)中，僅選取其中的一組數據：GPRMC(推薦最小數據量的GPS具體內容/傳輸數據)，其格式舉例如下。其中，當且僅當GPS輸出數據為有效定位數據時，對應的UTC時間才為當前準確時間。
CPU和GPS模塊的接口電路如圖5所示。
圖5 CPU和GPS模塊的接口電路
通信控制線(CONTROL)包括: BOOT、GPS ON/OFF、TX/RX。BOOT高電平激活GPS模塊啟動內部程序，GPS ON/OFF用于關閉和打開GPS電源，當不用GPS功能時，關閉GPS 模塊可以省電，TX為GPS 模塊發(fā)送出來的導航數據，RX為給GPS模塊的命令。
5 系統(tǒng)軟件設計
程序采用了模塊化設計，軟件由一個主程序和若干個子程序構成，其中，子程序主要完成一些單一的基本功能，主程序則負責完成對各個功能模塊（即子程序）的調用。軟件主流程圖如圖6所示。
圖6 軟件主流程圖
BOOTLOADER完成硬件設備初始化，設置堆棧，檢測系統(tǒng)內存映射，將內存映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH讀到RAM空間中，為內核設置啟動參數，啟動內核。
應用程序主要包括：GPS啟動和接收處理程序、顯示驅動程序、按鍵處理程序、觸摸屏處理程序、視頻播放程序、音頻播放程序、圖片瀏覽處理程序、文本閱讀程序、PDA功能處理程序、待機和省電處理應用程序等。
6 多媒體功能等應用程序嵌入
WINDOWS CE.NET的GWES支持組成WINDOWS CE.NET圖形用戶界面的窗口、對話框、控件、菜單和資源,使用戶能夠控制應用程序。WINDOWS CE.NET將 MICROSOFT WIN32應用編程接口（API）、用戶界面（UI）和圖形設備接口(GDI)組合為圖形窗口事件子系統(tǒng)（GWES）模塊（GWES.EXE）,GWES是用戶、應用程序和操作系統(tǒng)之間的接口。同時GWES還包括驅動程序的加載，主要包括顯示、鍵盤、鼠標和觸摸屏等的驅動等。本機自帶播放器,也可用Windows media player 和 Beta player 播放器，選擇SD卡中的視頻文件即可實現觀賞影片功能，支持avi、mpg和wmv 等視頻格式。選擇音頻播放功能，可以播放SD卡中的音樂即可欣賞，支持mp3/wma/ogg等音頻格式。啟動音頻或視頻播放功能后，消息循環(huán)接收系統(tǒng)傳送過來的消息，并把它發(fā)送到相應的窗口中進行處理，啟動相應的視頻或音頻播放應用程序。
7 設計注意事項
① 衛(wèi)星信號的接收失步
為了使產品應用于山區(qū)、極地等不開闊或易受太陽風暴等影響的地域時，在設計中加入防止衛(wèi)星信號接收失步的軟硬件措施。具體做法常常是設計本地精密的PPS產生電路、實時時鐘RTC電路。當從接收端取得的NMEA格式信息中識別出所傳定位/時鐘信息無效時，立即啟用本地PPS信號和RTC，并根據前面正常情況下物體的位置特征推斷當前物體的位置。衛(wèi)星信號接收恢復正常時，轉而使用衛(wèi)星定位時鐘同步，同時清除本地PPS發(fā)生計數器，校正RTC時鐘。圖7為這種典型的防失步方案。
圖7 衛(wèi)星信號監(jiān)測失步時的同步/時鐘處理
②系統(tǒng)電源管理
衛(wèi)星信號定位授時同步體系，特別是嵌入式便攜設備，涉及到不同的電源供給，如液晶顯示模塊、主系統(tǒng)、CPU核，需要從電池得到各種供電電壓。電源管理設計時，不要直接從電池電壓同時變換得到1.8V、3.3V、5V，而應先升壓得到最大的供電電壓，再逐級降壓得到所需各級供電電壓，以保證系統(tǒng)正常工作，操作過程如圖8所示。
圖8 便攜式衛(wèi)星信號定位儀器的系統(tǒng)電源規(guī)劃
③PCB制板
需要重點考慮的是衛(wèi)星信號接收部分的設計。為減少干擾，獲得最好的接收效果，接收天線要盡可能靠近集成芯片的接收引腳；天線接口到芯片接收腳的微帶線要盡可能短，寬度要2倍于PCB板厚，走斜切線，避免銳角、直角。要有獨立的電源、地層。電源、地層要靠近頂/底層，大面積鋪地PCB邊緣處，電源層面積要小于地層；地層邊緣要加一圈密密的過孔，頂層要有大量過孔和大面積地，盡可能使用金屬罩屏蔽全部接收部分。
④高度定位
高架低的只有6m，GPS水平定位精度5～10m，垂直10～30m，GPS沒法確定在高架上或高架下。用加裝加速度計結合立體電子地圖的辦法來判斷上高架了還下高架，如果沒有立體電子地圖的配合，在特殊地形處（山坡上的高處，多層高架）也會判斷出錯。
方案測試與評估
方案已經進行初步的功能測試、衛(wèi)星信號接收測試和可靠性測試。功能測試主要考察整機電流是否正確，按鍵功能是否正確，各端口功能是否正常等。結果顯示方案的功能正常，圖像，語音的輸出流暢，無噪聲或扭曲現象。在衛(wèi)星信號測試方面，主要考察方案對定位信號的接收能力。結果顯示接收信號的信噪比都達到要求，在進行定位時間測試中，在常溫、GPS信號覆蓋強度為-103dBm的環(huán)境下進行測試，系統(tǒng)第一次定位時間小于1m，斷電1分鐘后重新定位時間小于3s?？煽啃詼y試主要考察方案在不同溫度、濕度、震動下的性能，結果顯示方案在一般實際環(huán)境存在的變化范圍內工作情況良好。
結論
本文利用GPS定位和嵌入式系統(tǒng)理論實現GPS多媒體播放器,實際效果理想,在此基礎上,可以進一步增加功能,如帶攝像功能、手機功能和移動電視功能等,進行產品升級和更新換代。
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