基于高性能DSP的GPS導(dǎo)航解算模塊設(shè)計與實現(xiàn)

吳 瑋，陳小惠，潘樹國

（1 南京郵電大學(xué) 南京中國 210096； 2 南京郵電大學(xué) 南京 中國 210096；3 東南大學(xué) 南京中國 210096）

0 引言

GPS的導(dǎo)航解算是GPS軟件接收機(jī)重要的組成部分，其性能一直受到硬件以及軟件功能的影響和制約。TI公司的TMS320C6747，以其突出的運算性能，再配合上TI專業(yè)的軟件支持，將其應(yīng)用于GPS軟件接收機(jī)，使得GPS導(dǎo)航解算模塊的性能有了進(jìn)一步的提升。

本文著重討論了GPS導(dǎo)航解算模塊在新型DSP芯片支持下的設(shè)計和在軟件模式下的優(yōu)化。

1 模塊的硬件設(shè)計

本模塊的硬件核心就在于TMS320C6747 DSP芯片，其與FPGA芯片Altera CycloneⅢ進(jìn)行交互以獲得基帶處理后的數(shù)據(jù)，在獲得數(shù)據(jù)以后進(jìn)入導(dǎo)航解算程序，解算出的數(shù)據(jù)送入LCD顯示。為了盡可能的使用少的管腳接口和獲得較快的傳輸速率，我們采用SPI實現(xiàn)DSP和FPGA的交互，在實際操作中我們有3條線、4條線和5條線3種選擇，本模塊我們選擇了4線傳輸，這4條線分 別 為 SPI-SCS、SPI-CLK、SPI-SOMI、SPISIMO，若為了簡化接口和管腳，可以把SPI-SOMI這條線去掉，及DSP作為主模式線去掉，其大體框圖和時序如圖1所示。

在對DSP上的SPI完成初始化后，把SPI設(shè)定成從模式，并確定時鐘的傳輸速率。每16位為一個浮點數(shù)，逐個把基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)搬入SDRAM中。在進(jìn)行數(shù)據(jù)搬入的過程中便可執(zhí)行導(dǎo)航解算程序。由模塊框圖所示，本模塊還外擴(kuò)了一個LCD顯示屏，DSP解算出的數(shù)據(jù)可以送入LCD顯示，由此可以建立一個人機(jī)交互界面，用戶可以根據(jù)自身情況選擇性的觀察解算數(shù)據(jù)。

圖1 模塊框圖與時序圖

2 模塊的軟件設(shè)計

2.1 軟件整體流程

軟件整體流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

軟件模塊主要實現(xiàn)以下幾個功能：

1）當(dāng)軟件流程開始后，首先要對軟件進(jìn)行初始化設(shè)置，它包括設(shè)置SPI傳輸速率，DSP上何處SPI接口進(jìn)行通信以及SPI接口的使能；它還接收LCD用戶反饋信息，用來適時改變顯示程序，方便用戶獲取信息。

2) 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸開始后，接口通信程序便開始工作，根據(jù)傳輸時序和傳輸速率，按照每16位為一個浮點數(shù)的原則將數(shù)據(jù)搬入存儲器之中。

3) 在獲得所需數(shù)據(jù)后便開始導(dǎo)航解算程序，期間可根據(jù)用戶需求改變解算過程中所需參數(shù)，并將其送入LCD顯示。

2.2 導(dǎo)航解算程序

圖3顯示的是導(dǎo)航解算流程圖，首先接收外部送入的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，通過原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)位，來對導(dǎo)航數(shù)據(jù)的前同步位進(jìn)行校驗，然后經(jīng)過導(dǎo)航電文的奇偶校驗，尋找到導(dǎo)航數(shù)據(jù)的起始點；由導(dǎo)航數(shù)據(jù)計算得到的星歷數(shù)據(jù)，存到存儲器中，并可不斷更新；通過偽碼起始點采樣值計算出偽距值；再由星歷數(shù)據(jù)和偽距值計算得到衛(wèi)星坐標(biāo)和糾正衛(wèi)星發(fā)射起始時間的時鐘偏差值；最后若衛(wèi)星數(shù)大于4顆，采用最小二乘法計算用戶位置等信息。

圖3 導(dǎo)航解算流程圖

2.3 軟件代碼優(yōu)化

由于此DSP的編譯運行軟件為CCS3.3，TI官方提供了多種用于提升代碼運行速度的優(yōu)化方法，以下列舉出在實行軟件代碼優(yōu)化所采取的方法以及注意事項：

1)首先要編寫好cmd文件，特別是L1，L2高速緩存的應(yīng)用，其中堆和棧的大小需要根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小來開辟，要盡量遵循使用少的內(nèi)存的原則。

2)對編寫的代碼中的變量在內(nèi)存允許的情況下，可多設(shè)為全局變量，這可以減少變量在堆棧中開辟和釋放內(nèi)存的時間。

3) 注意內(nèi)聯(lián)函數(shù)的調(diào)用，TMS320C6000系列提供了許多內(nèi)聯(lián)函數(shù)，此方法可大大提升運行速度和簡化代碼，具體運用參看數(shù)據(jù)手冊。

4)編寫代碼是盡量減少函數(shù)調(diào)用和循環(huán)嵌套，在代碼空間可操作的情況下，可鋪展開代碼來方便CCS軟件自行實行軟件流水。

5)參看反匯編文件，采用線性匯編優(yōu)化的方法優(yōu)化代碼。

3 解算實驗

本模塊的硬件實物圖如圖4所示。

圖4 硬件實物圖

我們采用5個通道37 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，期間FPGA和DSP高速傳輸了37萬個浮點數(shù)，解算出來的結(jié)果基本符合要求（如圖5所示，經(jīng)度：118°47′38.8164″，維度：32°3′14.9575″，高程：-71.2）。

圖5 解算結(jié)果

4 結(jié)論

本設(shè)計并實現(xiàn)了基于新型高性能DSP芯片的導(dǎo)航解算模塊，硬件連接簡單且便于調(diào)試，在現(xiàn)有算法的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了進(jìn)一步軟件代碼的優(yōu)化，在保證解算速度的前提下解算精度也得到了保證。不僅如此，此模塊還設(shè)計了人機(jī)交互的LCD模塊，為發(fā)展人機(jī)交互界面以及實現(xiàn)融合北斗或伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

[1]Manandhar D,Suh Y,Shibasaki R.GPS Signal Acquisition and Tracking-An Approach towards Development of Software-based Receiver[C].Technical Report of IEICE,2004.

[2]B.M.Ledvina,M.L.Psiaki,S.P.Powell,et al.A 12-Channel Real-Time GPS L1 Software Receiver [C].Proceedings of the 2003 Navigation National Technical Meeting,ION GNSS, Long Beach:947-955.

[3]B.M.Ledvina,M.L.Psiaki,S.P.Powell,et al.Bit-Wise Parallel Algorithms for Efficient Software Correlation Applied to a GPS Software Receiver [EB/OL].IEEE Transactions on Wireless Communications,2004,3(5).

[4]Thomas Pany,Frank Frster,Bernd Eissfeller.Real-Time Processing and Multipath Mitigation of Highbandwith L1/L2 GPS Signals with a PC-based software receiver[C].ION GNSS 17th International Technical Meeting of the Satellite Division.Long Beach, CA:2004:971-985.

[5]Kai Borre,Dennis Akos.A Software Defined GPS and Galileo Receiver Single Frequency Approch[C].ION GNSS 2005,Long Beach,2005:1632-1637.

[6]Jiangping Deng,Ruizhi Chen,Jianyu Wang.An enhanced bit-wise parallel algorithm for realtime GPS software receiver[C].GPS Solut DOI 10.1007/s10291-009-0125-4 26 March 29.

[7]Mark L.Psiaki.Real-Time Generation of Bit-Wise Parallel Representations of Over-Sampled PRN Codes [EB/OL].IEEE Transaction ON wireless communications,vol.5,NO.3,march 2006.

[8]徐敏.實時GPS軟件接收機(jī)研究與實現(xiàn)[D].上海:上海交通大學(xué),2007.

[9]田黎育,何佩琨.TMS320C6000 系列DSP編程工具與指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[10]曾慶喜,王慶.基于DSP的GPS軟件接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué),2009.

[11]劉志強(qiáng).GPS接收機(jī)基帶信號處理與導(dǎo)航解算[D]. 保定:河北大學(xué),2005.

[12]唐斌,喻夏瓊,董緒榮.智能GPS軟件接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路設(shè)計[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2007,33(7):807-810.