一種基于嵌入式WindowsCE的GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：通過(guò)對(duì)FastraX公司生產(chǎn)的超低功耗iTrax02 GPS接收機(jī)模塊的分析，介紹將GPS接收機(jī)和聯(lián)想手持式PDA結(jié)合進(jìn)行空間定位的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)體積小、功耗低，能快速、精確的對(duì)所處空間進(jìn)行定位。 關(guān)鍵詞：GPS接收機(jī) 定位PDA

引言

GPS是“Global Positioning System”，即“全球定位系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱(chēng)。GPS系統(tǒng)具有定位精度高、全天候、實(shí)時(shí)性、測(cè)站無(wú)須通視、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并且所有結(jié)果均通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，便于數(shù)字化管理。所以GPS已被廣泛用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如工程、交通、氣象、國(guó)防、水利、環(huán)保、安全保衛(wèi)、定時(shí)等。

自1994年美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS)全部建成并投入運(yùn)行以來(lái)。這一技術(shù)在短短的四年中，發(fā)展極為迅速。各種檔次和型號(hào)的接收機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并投放市場(chǎng)。 GPS的應(yīng)用也進(jìn)入與定位有關(guān)的領(lǐng)域，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我國(guó)從20世紀(jì)80年代起開(kāi)始引進(jìn)GPS接收機(jī)及其技術(shù)，目前GPS在我國(guó)也得到了全面廣泛地應(yīng)用。 GPS全部建成以后，它將晝夜不停地發(fā)送導(dǎo)航定位信息，在地球的任何地方和任何時(shí)間實(shí)現(xiàn)定位，其中最重要的設(shè)備就是用戶(hù)接收機(jī)。GPS接收機(jī)是被動(dòng)式全天候系統(tǒng)，只收不發(fā)信號(hào)，故不受衛(wèi)星系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)的控制，用戶(hù)數(shù)量也不受限制。GPS接收可以按照不同的要求進(jìn)行分類(lèi)，但總體來(lái)說(shuō)分兩大類(lèi)：導(dǎo)航型和測(cè)地型。 導(dǎo)航型接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度低、耗電省、價(jià)格便宜。一般采用單頻C/A碼偽碼接收技術(shù)，定位精度幾十米，常用于航空、航海和陸地的實(shí)時(shí)導(dǎo)航中。

1 iTrax02 GPS接收機(jī)的性能特點(diǎn)

iTrax02 GPS接收機(jī)模塊是芬蘭FastraX公司生產(chǎn) 的超低功耗、極小體積的接收機(jī)模塊。它適宜于便攜式、手提式設(shè)備，只要求簡(jiǎn)單的外圍電路，占用空間小，工件時(shí)間長(zhǎng)。iTrax02 GPS接收機(jī)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其主要性能特點(diǎn)如下： *極小的PCB封裝體積(26mm%26;#215;26mm%26;#215;4.7mm，包括射頻部分和模塊系統(tǒng)對(duì)外接口); *超低功率損耗，在連續(xù)工作狀態(tài)下100mW@2.7V; *12信道并行接收機(jī); *集成了20針QLP封裝的射頻前端芯片UN8021和144針BGA封裝的基帶處理芯片NU8031; *0.35Ucmos技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)ASIS(Application Specific Integrated System)結(jié)構(gòu); *極快信號(hào)獲取的專(zhuān)門(mén)搜索引擎; 圖3 *獨(dú)有的、超低功耗、32MIPS、集成的16位DSP核; *實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制(VSDSP RTOS)下類(lèi)似于RISC的應(yīng)用編程; *通用小型系統(tǒng)連接器(包括射頻和I/O口); *片上存儲(chǔ)器(X/Y數(shù)據(jù)和程序SRAM); *低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘; *16位通用輸入輸出口(GPIO)，2個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)，擁有SPI總線(xiàn)接口; *雙脈沖檢測(cè)輸入。 iTrax02接收模塊共有40個(gè)引腳。

2 iTrax02 GPS接收機(jī)的接口信號(hào)

2.1 SPI接口 對(duì)iTrax02 GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō)，提供的SPI接口主要用于兩個(gè)目的：①可用于通過(guò)外部的EEPROM來(lái)啟動(dòng)接收機(jī);②控制射頻前端芯片uN8021。對(duì)iTrax02 來(lái)說(shuō)，基帶處理芯片uN8031永遠(yuǎn)是主設(shè)備，而其它有SPI接口的設(shè)備永遠(yuǎn)是從設(shè)備。 當(dāng)通過(guò)外部的EEPROM來(lái)啟動(dòng)接收機(jī)時(shí)，實(shí)際數(shù)據(jù)或命令的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。 2.2 UART接口 iTrax02接收芯片帶有2個(gè)UART接口，這2個(gè)接口支持不同的協(xié)議，均可用于串行通信。UART0口支持FastraX公司自行開(kāi)發(fā)的iTALK協(xié)議，數(shù)據(jù)率是115.2kbps;UART1口支持通用的無(wú)線(xiàn)電NMEA協(xié)議，數(shù)據(jù)率是4.8kbps。iTrax02接收芯片是早期版本支持iTALK 協(xié)議，新的版本統(tǒng)一改為支持NMEA協(xié)議。 2.3 GPIO接口信號(hào)

與外部接口有一個(gè)16bit的GPIO口可用，每一個(gè)GPIO信號(hào)都可以編程產(chǎn)生中斷。一些GPIO接口信號(hào)是iTrax02 GPS接收機(jī)內(nèi)部保留信號(hào)引腳，GPIO14和GPIO15內(nèi)部保留用于啟動(dòng)方式的選擇。 iTrax02 GPS接收機(jī)缺省啟動(dòng)方式是從內(nèi)部的Flash啟動(dòng)，其它的啟動(dòng)方式可以通過(guò)對(duì)外部的相應(yīng)配置來(lái)選擇。GPIO13保留，用來(lái)控制內(nèi)部LNA的開(kāi)啟;GPIO12保留，用來(lái)控制內(nèi)部Flash的開(kāi)啟，GPIO11保留，用來(lái)接收外部的喚醒信號(hào)。引腳電平由1到0或由0到1來(lái)作為喚醒命令。

3 iTrax02 GPS接收機(jī)的應(yīng)用電路

要使iTrax02 GPS模塊正常工作，外部天線(xiàn)、Reset及供電電路也是必不可少的。而其天線(xiàn)的接入和與外圍相關(guān)引腳的連接如圖3所示。請(qǐng)注意：無(wú)源天線(xiàn)和有源天線(xiàn)只接其中之一即可。

3.1 供電設(shè)置 對(duì)iTrax02芯片來(lái)說(shuō)，為讓接收達(dá)到最后的結(jié)果，對(duì)射頻部分和基帶部分要分開(kāi)供電，圖4是供電部分的參考電路。DC-DC電源片用的是TI公司的TPS77127DGK和TPS77027，這2個(gè)電源片均可將5V轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的2.7V，滿(mǎn)足iTrax02的低軾耗要求。在這里，用PS77127DGK還有一個(gè)好處就是可以提供RESET信號(hào)。此RESET信號(hào)和電源上電之間最少有200ms的延遲，可以完全滿(mǎn)足iTrax02 GPS接收機(jī)對(duì)復(fù)位信號(hào)的要求，這樣就大大簡(jiǎn)化了電路。有關(guān)TPS77127DGK和TPS77027更詳細(xì)的介紹可參閱其詳細(xì)的資料。

3.2 典型應(yīng)用 硬件連接框圖如圖5所示。上電復(fù)位后，iTrax02 GPS接收機(jī)開(kāi)始正常工作，通過(guò)UART0發(fā)數(shù)據(jù)。PDA接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)iTALK協(xié)議將有用數(shù)據(jù)解析出來(lái)，獲取定位信息。 3.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，要考慮到接收模塊和天線(xiàn)之間的阻抗匹配問(wèn)題，PCB板上，推薦在無(wú)源天線(xiàn)和接口之間接一個(gè)50Ω的PCB帶狀線(xiàn)，其連接方式如圖6所示。

這個(gè)50Ω帶狀線(xiàn)的寬度依靠PCB板的材料和厚度而定，以FR4板材(約1.5GHz)而言，

帶狀線(xiàn)的寬度應(yīng)是板厚的2倍。如板厚是0.8mm，那么帶狀線(xiàn)的寬度應(yīng)是1.6mm，依此類(lèi)推，如圖7所示。 ITrax02 GPS接收機(jī)還可以在38腳V_ANTENNA外接有源天線(xiàn)，有源天線(xiàn)的電壓依所用的天線(xiàn)類(lèi)型而定，而供應(yīng)電流最大不能超過(guò)100mA。 4 軟件實(shí)現(xiàn)方法 我們所用的手持式PDA是聯(lián)想公司的XP天璣100，它所采用的操作系統(tǒng)是Windows CE。Windows CE是32位的多線(xiàn)程操作系統(tǒng)，具有能夠使用各種設(shè)備的開(kāi)放性體系。它整體緊湊，在小內(nèi)存的情況下可提高性能，并具有伸縮性，能夠支持未來(lái)的嵌入式移動(dòng)或多媒體產(chǎn)品的開(kāi)展潮流。它是微軟公司的新成員，是基于掌上型電腦類(lèi)電子設(shè)備的操作系統(tǒng)。它是一個(gè)搶先式多任務(wù)并具有強(qiáng)大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng)。 iTrax02接收模塊可以支持兩種協(xié)議，在Windows CE的軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)支持iTALK協(xié)議(或NMEA協(xié)議)。軟件的基本流程如圖8所示。 結(jié)語(yǔ) 本系統(tǒng)在我們開(kāi)發(fā)的車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，有效解決了功耗問(wèn)題，操作方便，定位及時(shí)準(zhǔn)確，所占空間小，效果良好。