基于北斗二代系統(tǒng)的嵌入式船用導航儀硬件設計

應士君，鄒緒平，劉 衛(wèi)，王 坤

（上海海事大學 上海 201306）

目前，隨著我國第十顆北斗衛(wèi)星的成功發(fā)射，北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)已完成基本系統(tǒng)建設。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本上能滿足測繪、漁業(yè)、交通運輸、氣象、電信、水利等行業(yè)，以及大眾用戶的應用需求。在加上北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的ICD的公布，那么對于北斗衛(wèi)星導航儀的研究勢在必行，而我國的北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)同時具備定位與通信功能、可同時解決“我在哪”和“你在哪”等應用優(yōu)勢。但是實際的應用并不理想，主要表現(xiàn)在：1）民用領域應用不充分，未形成產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀；2）用戶終端設備價格偏高，在市場上無法與GPS系統(tǒng)形成競爭；3）用戶終端設備研制開發(fā)滯后，跟不上應用需求。北斗導航在民用領域有著廣泛的前景，但影響、制約北斗系統(tǒng)在民用領域獲得廣泛應用的主要因素就是系統(tǒng)用戶終端。而現(xiàn)有的導航儀基本上都是基于FPGA、DSP或者是兩者相結(jié)合為硬件平臺的GPS導航儀[1]，也有比較先進GPS采用ARM作為處理器。在這樣的背景下，將ARM處理器運用到北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)上，研制一種超強信號靈敏度、出眾的多路徑抑制能力及抗干擾/防欺騙能力；支持多頻點、多種升級配置超越主流高端產(chǎn)品；完全自主知識產(chǎn)權(quán)；從基帶芯片到導航解算完全自主研發(fā)，技術支持、產(chǎn)品維護、軟件升級、非標定制等均有保障；體積小、功耗低、性能可靠的終端接收機具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)的硬件平臺為三星公司的S3C2440A微處理器。S3C2440A的核心處理器 （CPU）是一個由Advanced RISC Machines有限公司設計的16/32為ARM920T的RISC處理器。ARM920T實現(xiàn)了MMU、AMBA、BUS及Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。每個都是由8字節(jié)的行組成。通過提供一整套完整的通用系統(tǒng)外設，S3C2440A減少整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件[2]。

北斗導航接收機主要由射頻前端、A/D轉(zhuǎn)換器、基帶信號處理和導航解算部分組成。射頻前端接收衛(wèi)星的射頻信號，經(jīng)前置放大器放大后，將信號下變頻為中頻信號；A/D轉(zhuǎn)換器采樣中頻信號，把模擬信號量化編碼為數(shù)字信號；基帶數(shù)字信號處理部分主要功能為：衛(wèi)星信號的二維捕獲、載波相位和碼相位的跟蹤，并且測算出偽距；最后導航解算部分采用一定的算法消除模型誤差，求解偽距方程，解析出衛(wèi)星接收機天線的地理位置，從而實現(xiàn)衛(wèi)星定位[3]。整體設計框圖如圖1所示。

ARM處理器主要是負責對北斗基帶芯片數(shù)據(jù)的響應、處理和控制。北斗基帶芯片采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕獲北斗系統(tǒng)B1和B3頻點的精密測距碼和北斗/GPS衛(wèi)星的普通測距碼，具有較快的捕獲速度、極高的動態(tài)跟蹤范圍和測量精度。為降低開發(fā)難度，方便二次開發(fā)，系統(tǒng)采用的是“核心板+底板”的設計方案[4]，這樣可以在核心板不變動的情況下，更改底板的功能組成，以使用不同的功能。同時，由于核心板采用多層PCB板設計，而底板采用雙層板即可，從而大大的降低了系統(tǒng)的成本。系統(tǒng)硬件設計原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設計原理框圖Fig.2 Schematic diagram of system hardware design

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 核心板電路構(gòu)成

核心板采用ARM開發(fā)板最小系統(tǒng)設計，由S3C2440A處理器作CPU、內(nèi)存SDRAM、閃存FLASH（NOR FLASH和NAND FLASH）、晶振電路、復位電路和啟動配置電路組成[5-6]。

2.2 北斗基帶芯片處理模塊及電路

北斗基帶芯片采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕獲北斗系統(tǒng)B1和B3頻點的精密測距碼和北斗/GPS衛(wèi)星的普通測距碼，具有較快的捕獲速度、極高的動態(tài)跟蹤范圍和測量精度，通過串口輸出標準的二進制或NMEA-0183格式的信號，數(shù)據(jù)被傳送到解析程序進行驗證處理，計算出位置信息，并在液晶顯示器上進行顯示[7]。這部分電路的主要工作原理和過程是將射頻信號經(jīng)過下變頻成為模擬中頻信號再通過A/D轉(zhuǎn)換得到導航信號，這些信號經(jīng)過基帶處理模塊和導航信息處理模塊捕獲、跟蹤、解算得到輸出的導航信息[7]。A/D轉(zhuǎn)換和射頻前端電路分別如圖3、4所示，北斗基帶芯片部分電路如圖5所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.3 A/D conversion circuit

圖4 射頻前端Fig.4 RF front-end

2.3 底板硬件電路

2.3.1 彩色液晶屏接口及觸摸屏驅(qū)動電路

S3C2440A內(nèi)置有液晶控制器，可以支持最大256 k色TFT彩色液晶屏、最大4 k色STN彩色液晶屏。彩色屏上帶有觸摸屏（為四線電阻式觸摸屏），用于檢測屏幕觸摸輸入信號，有利于提高人機交互的友好性。在使用的時候，需要一套切換控制及ADC轉(zhuǎn)換電路，用于切換觸摸屏的X、Y軸輸入，并進行A/D轉(zhuǎn)換[8-9]。接口與觸摸屏驅(qū)動電路如圖6所示。

2.3.2 網(wǎng)絡接口電路

S3C2440A本身并沒有網(wǎng)絡接口，通過擴展網(wǎng)絡接口的模式可以為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入，是本系統(tǒng)的一個重要的功能模塊，主要用于電子海圖更新以及相關數(shù)據(jù)上傳下載。該電路的核心芯片是DM9000E 10/100M以太網(wǎng)控制器，電路使用16位總線方式進行控制，數(shù)據(jù)總線DATA0～DATA15與SD0～SD15連接，地址線也進行相對應的連接，片選線nGCS3與芯片的AEN相連[8-9]。模塊電路使用通用的網(wǎng)絡接口電路即可。

圖5 北斗基帶芯片電路Fig.5 Beidou baseband chip circuit

圖6 液晶屏接口與驅(qū)動電路Fig.6 LCD interface and driver circuit

2.3.3 USB接口電路

S3C2440A具2兩個USB Host控制器和1個USB Device控制器，本設計只使用了DN0、DP0引腳作為唯一的下行口，為此還設計了1個USB集線器電路，通過集線器可以方便對USB下行口進行擴展，USB集線器芯片采用的是MICRO公司的AU9254[8-9]。用于電子海圖、導航定位軟件更新，導航數(shù)據(jù)下載保存等。電路連接如圖7所示。

2.3.4 RS-422接口電路

目前船舶駕駛臺導航設備均采用RS-422接口進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS-232更強的驅(qū)動能力，允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，所以RS-422支持點對多的雙向通信，采用全雙工通信模式，差模傳輸，抗干擾能力強，能給ECDIS和雷達等導航設備提供實時北斗導航定位信息[10]。電路如圖8所示。

2.3.5 電源電路

本系統(tǒng)使用的電源電路圖9所示，5 V的電源經(jīng)過C46、C48和C49濾波后，由兩片低壓差電源芯片將電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V電源，分別給主板供電（電路圖中VDD33）和給核心板供電（電路圖中PVDD33）。

圖7 USB Host接口電路Fig.7 USB Host interface circuit

圖8 RS-422接口電路Fig.8 RS-422 interface circuit

圖9 系統(tǒng)電源電路Fig.9 System power supply circuit

3 硬件調(diào)試環(huán)境搭建及測試

在提出設計方案的基礎上，通過實驗來初步論證設計方案的可行性，本設計的系統(tǒng)硬件平臺搭建結(jié)果實物圖如圖10所示，北斗衛(wèi)星導航信號處理部分初步設計電路板如圖11所示。

圖10 硬件平臺搭建實物圖Fig.10 Physical map of hardware platforms

4 結(jié) 論

圖11 北斗衛(wèi)星導航信號處理電路板Fig.11 Circuit board of Beidou satellite navigation signal process

文中主要針對我國船用導航儀設計、應用完全自主方面考慮，采用處理能力強大的ARM處理器以及嵌入式WinCE作為系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，以計算機技術為基礎、軟硬件可剪裁設計。從實驗結(jié)果可以看出，核心板加底板的設計方法能實現(xiàn)我國北斗船用導航儀功能，本系統(tǒng)使用S3C2440A進行嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的搭建，為系統(tǒng)進一步開發(fā)做好了準備。這種設計方案也方便二次開發(fā)，只要更改底板設計即可實現(xiàn)不同領域的設計需求，降低了開發(fā)難度和成本，也縮短了開發(fā)周期。

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