基于GPS-OEM的GPS定位终端系统设计
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基于GPS-OEM的GPS定位终端系统设计摘要:本文对基于GPS-OEM板的GPS定位系统整个硬件电路的设计作了详细的描述。
硬件系统主要包括以下几个模块:S3C44B0X基本工作电路,串口电路,存储器电路,JTAG调试电路和GPS接口电路。
论文首先进行了总体方案介绍,然后分别对主要电路模块进行详细介绍,包括模块功能、芯片选择以及管脚连接方式,并分别给出实际的电路原理图。
最后对整个硬件调试过程做了概述。
关键词:GPS－OEM GPS 定位终端本文采用GPS-OEM板代替传统的GPS接收机接收卫星导航信号。
首先根据需要对OEM板进行初始化设计,即让OEM板工作在设定工作模式下,捕获并跟踪待测卫星,对接收到的信号进行变换、放大和处理,测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间并解译出GPS 卫星所发送的导航电文,最后实时解算出测量站的三维位置、速度和时间等数据信息。
再经OEM板标准I/O口输出该串行定位数据(NMEA-0183格式)。
然后由微处理器ARM单片机串行口对前向通道传送来的串行信号(经度、纬度)进行接收、校验、显示、存储等。
即通过所编制的单片机软件程序实现对所接收的数据进行读取、判断、运算等一系列处理,以及对本身工作参数的设定,最后将最终处理数据送到输出端口、控制外围驱动电路及上位PC机通讯。
上位机信息处理系统用于人机交互,存储数据形成历史记录,以供需要时调用参考或其它高端处理等。
本系统硬件接口元件包括:THALES(泰雷兹)公司生产的AC12 GPS-OEM板、ARM7为核心技术的微处理器三星S3C44B0X、、RS232接口芯片MAX232、电源专用芯片、大功率驱动芯片、FLASH ROM、SRAM扩展芯片及其他外围辅助芯片等。
整个系统硬件包含以下几个部分:S3C44B0X基本工作电路,串口电路,存储器电路,GPS接口电路。
此外该硬件系统还预留了USB接口,A/D转换接口及网卡口,这些接口是留给以后按需要作功能扩展时用。
以下分别对各个电路模块的设计与实现进行详细阐述。
1 S3C44B0X基本工作电路与存储模式选择本系统的核心控制单片机芯片,采用的是ARM7TDMI系列三星S3C44BOX。
以下简称44B0。
44B0共160只引脚,采用LQFP封装,尽管引脚较多,但根据各自的功能,分布很有规律,主要有电源、地、地址总线、数据总线和通用I/O口,以及一些专用模块的接口,如LCD,UART,IIC,IIS,DMA,JTAG等;S3C44BOX的引脚类型分为三类,即输入(I)、输出(O)、输入/输出(I/0),输出类型的引脚主要用于对外设的控制或通讯,由S3C44BOX主动发出,这些引脚的连接不会对S3C44BOX自身的运行有太大的影响,输入/输出类型的引脚主要是S3C44BOX与外设的双向数据传输通道,输入类型的引脚用于外设信号的输入,某些输入类型的引脚,其电平信号的设置是S3C44BOX本身正常工作的前提,在系统设计是必须小心处理。
S3C44BOX的主要控制信号如下:ENDIAN:大、小端模式选择引脚。
高电平=大端模式,低电平=小端模式;OM[1:0]:在生产时设置S3C44BOX的测试模式,在工作时确定nGCS0的总线宽度,其逻辑电平在复位期间由其管脚上拉和下拉电阻确定,其中:00:8 bit;01:16 bit;10:32 bit;11:Test modeOM[3:2]:确定时钟模式,模式为:00:Crystal(连XTALO,EXTALO),PLL(锁相环)ON;01:连EXTCLK,接外部时钟,PLLON;10,11:系统测试模式;在系统硬件电路设计中,以上OM[3:0]这几个控制引脚的具体连接方式如图1所示。
按图1的电路连接方式,则OM[1:0」为01,表示nGCS0总线宽度为16 bit,OM[3:2]为00,表示接系统时钟,且PLL打开;XTALO,EXTALO 接系统时钟晶振,XTAL1,EXTALI接32KHz的RTC(实时时钟)。
在实际系统中在系统中S3C44BOX使用两个无源晶振,一个用于实时时钟,频率为32MHz,另一个用于PLL电路,频率为10MHz,经PLL电路倍频后,最高可以达到66MHz。
2 串口电路几乎所有的微控制器、PC都提供串行接口,使用电子工业协会(EIA)推荐的RS-232C标准,这是一种很常用的串行数据传输总线标准。
RS-232C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头,9芯D型插头较常用。
要完成最基本的串行通信功能,实际上只需要RXD,TXD 和GND即可,但由于RS-232C标准所定义的高、低电平信号与ARM 单片机的TTL电路所定义的高、低电平信号完全不同,TTL的标准逻辑“1”对应2V～3.3V电平,标准逻辑“0”对应0V～0.4V电平,而RS-232C标准采用负逻辑方式,标准逻辑“1”对应-5V～-15V电平,标准逻辑“0”对应+5V～+15V电平,显然,两者间要进行通信必须经过信号电平的转换,目前常使用的电平转换电路。
由于本电路硬件系统所用的芯片均为贴片式,顾将双列直插式MAX232芯片换成相对应的贴片式芯片MAX3232。
考虑系统的轻巧便捷,采用9芯的D型插头,同时设计数据发送与接收的状态指示LED,当有数据通过串行口传输时,LED闪烁,便于掌握其工作状态以及进行软、硬件的调试。
本系统有两个串口,一个用于和GPS模块通讯,接收GPS数据信号;另一个和PC机通讯,用于系统调试、状态设置及存储数据等。
3 存储器电路存储器电路主要存储芯片采用了FLASH ROM和SDRAM。
与FLASH存储器相比较,SDRAM不具有掉电保持数据的特性,但其存储速度大大高于FLASH存储器,且具有读/写的属性。
因此,SDRAM在系统中的作用主要用作程序的运行空间、数据及堆栈。
当系统启动时,CPU首先从复位地址0X0处读取启动代码,在完成系统的初始化后,将程序代码调入SDRAM中运行,以提高系统的运行速度。
同时,系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。
FLASH存储器是一种可在系统(In-System)进行电擦写,掉电后信息不丢失的存储器。
它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点,并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作,因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用,作为一种非易失性存储器,FALSH在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。
常用的FLASH为8位或16位的数据宽度,编程电压为单 3.3V,主要厂商为ATMEL,AMD,HYUNDAI等,他们生产的同型器件一般具有相同电气特性和封装形式,可通用。
本系统选用一片FLASH存储器芯片己足够,其容量为2M。
FLASH存储器在系统中用于存放程序代码,系统上电或复位后要从此获取指令并开始执行,我们将它配置到S3C44BOX的BANK0,即将S3C44BOX的nRCS0接至HY29LV160的CE片选端。
OE端接S3C44BOX的nOE;WE端接S3C44BOX的nWBE;地址总线[A19-A0]与S3C44BOX的地址总线[ADDR20-ADDR1]相连;16位数据总线[DQ15-DQ0]与S3C44BOX的数据总线[DATA15-DATA0]相连。
4 GPS接口电路4.1 OEM板AC12基本描述GPS电路的目标主要是获得GPS数据信息,系统中通过GPS模块实现该功能。
GPS模块采用THALES(泰雷兹)导航定位公司的AC12 GPS-OEM板。
如图2所示。
该型号OEM板为12通道,C/A码,L1频段的GPS信号接收模块,尺寸(mm(英寸))为40×61.2×13.3(1.58×2.41×0.52),重量(包括屏蔽盒)1.6盎司(45.4g),具有高性能低功耗等众多优点,其技术指标如下:(1)电气指标供电电压:3.3到5.0VDC;电流消耗:55～70mA;功率(典型):230到250mW,3.3～5.0 VDC;备份电压:2.7～3.6VDC,6μA;接收机通道:12通道GPS接收机带有高达2通道的SBAS;(2)定位时间:典型捕获时间:热启动<10s;温启动<45s;冷启动<150s 典型重捕时间:所有卫星被遮挡<20s:12s;所有卫星被遮挡<180s:35s;更新率:1Hz(3)精度:实时定位自主模式:-水平CEP:3.0m-水平95%:5.0mSBAS(W AAS/EGNOS/MSAS)星基增强模式-水平CEP:1.0m-水平95%:3.0m当地DGPS差分模式:-水平CEP:0.8m-水平95%:1.5m载波相位测量精度:3mm(RMS)(4)接口特性RS-232输出,输入可为RS-232或者具有RS-232极性的TTL电平。
可选波特率为300,600,1200,2400,4800,9600,19200,38400。
串口1接口协议:输出:NMEA0183版本2.00或3.00(可选)的ASCII码语句,包括GPALM,GPGGA,GPGLL,GPGSA,GPGSV,GPRMC,GPVTG(NMEA标准语句);PGRMB,PGRME,PGRMF,PGRMM,PGRMT,PGRMV(GARMIN定义的语句)。
还可以将串口1设置为输出包括GPS载波相位数据的二进制数据。
输入:初始位置、时间、秒脉冲状态、差分模式、NMEA输出间隔等设置信息。
串口2接口协议:输入:实时差分改正数据(RTCM SC-104信息类型1,2,3,7,9)秒脉冲PPS特性:1Hz,脉宽可调,精度±1微秒。
(5)环境特性操作温度:30°C～+70°C;存储温度:40°C～+85°C;4.2 AC12接口设计AC12的GPS－OEM板从硬件和软件上都十分易于使用,非常适合做系统集成。
与GPS系统的通讯可以通过RS232或CMOS电平的串行口来实现,本系统采用RS232串行通讯。
该模块(GARMIN15L)外有8根裸线提供给用户,用户可按照自己的开发意向集成使用。
其中主要管脚是电源、地和串口引脚,电源采用5V,数据通过串口传输,在系统中我按照规定的引脚定义和使用规则下共焊接了两个串口,串口1用于和CPU通讯(S3C44B0X单片机或PC机)串口2连线方式与串口1一样,用于差分DGPS定位时接收通讯链(本文采用Trimble公司的Trimmark3数传电台)传过来的差分校正信息。
参考文献[1] 王惠南.GPS导航原理与应用.北京:科学出版社,2003,8.[2] Jorgensen P S.An Access of Ionospheric Effects on the User.Journal of the Institute of Navigation,2009,1(2):45～48.[3] 何光林,马宝华.计算机与GPS-OEM板之间的通讯研究.探测与控制学报,2010,24(2):54～57.。
