一種多系統(tǒng)兼容導(dǎo)航接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

王康，李欣

（哈爾濱理工大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150076）

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立，我國衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)面臨著巨大變化[1-2]，傳統(tǒng)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)其高精度、全天候、多功能、操作簡單、應(yīng)用廣泛將受到劇烈的沖擊，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了能夠提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，還保留了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的短報(bào)文通信、差分服務(wù)和完好性服務(wù)特色其開放性的服務(wù)將為大眾提供高可靠性的定位、測速和受時(shí)服務(wù)，定位精度10 m，測速精度0.2 m/s，授時(shí)精度10 ns；授權(quán)服務(wù)面向?qū)I(yè)用戶提供更高精度的定位、測速、授時(shí)、短報(bào)文通信、差分服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息服務(wù)。針對(duì)目前GPS導(dǎo)航系統(tǒng)仍舊占據(jù)主流市場的狀態(tài)，而北斗系統(tǒng)又面臨重大發(fā)展機(jī)遇的情況，文中提出解決多導(dǎo)航系統(tǒng)兼容性接收機(jī)的解決方案，而其關(guān)鍵在于兼容性導(dǎo)航芯片的選擇，文中以北京東方聯(lián)星科技有限公司出產(chǎn)的OTrack-32多系統(tǒng)兼容衛(wèi)星導(dǎo)航芯片為例，提出一種同時(shí)可以接受北斗二號(hào)、GPS、GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，顯示多系統(tǒng)聯(lián)合導(dǎo)航精度定位、測速和授時(shí)。OTrack-32作為國內(nèi)首款成熟的多系統(tǒng)兼容高性能衛(wèi)星導(dǎo)航芯片，采用高速信號(hào)處理引擎技術(shù)，滿足高性能應(yīng)用各項(xiàng)指標(biāo)，并且配以控制芯片，搭配相關(guān)顯示及控制電路，從而實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)系統(tǒng)兼容的導(dǎo)航接收機(jī)。

1 整體分析

多系統(tǒng)兼容導(dǎo)航接收機(jī)的設(shè)計(jì)主要在于硬件部分兼容導(dǎo)航芯片的選擇和軟件部分系統(tǒng)兼容性設(shè)計(jì)。針對(duì)當(dāng)前導(dǎo)航接收機(jī)的主流市場，仍然采用嵌入式處理器，并且搭配以操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種智能控制和良好的用戶界面[3]。

嵌入式系統(tǒng)包含了硬件和軟件2個(gè)方面，其中硬件主要由嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、I/O端口以及相關(guān)外圍器件和電路組成，軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)及相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成。 應(yīng)用程序（包括某些第3方軟件包）控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)對(duì)各個(gè)任務(wù)（應(yīng)用程序）進(jìn)行調(diào)度，協(xié)調(diào)各個(gè)任務(wù)同步地對(duì)硬件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合，達(dá)到預(yù)定的各項(xiàng)功能。

文中以嵌入式平臺(tái)STM-32為平臺(tái)，搭配前端多系統(tǒng)兼容性導(dǎo)航OTrack-32，用于控制提取相關(guān)衛(wèi)星導(dǎo)航信息，監(jiān)測GPS和北斗二號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，對(duì)2個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)分別進(jìn)行檢測、識(shí)別、處理、比較并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航的關(guān)鍵處理。而通過嵌入式處理器，配以操作系統(tǒng)，對(duì)前方采集到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和運(yùn)算，完成用戶和系統(tǒng)的交互式處理，并由LCD顯示到當(dāng)前屏幕中給予導(dǎo)航的相關(guān)指導(dǎo)信息，從而實(shí)現(xiàn)一種多功能兼容性導(dǎo)航接收機(jī)。

2 總體設(shè)計(jì)

多系統(tǒng)兼容維系導(dǎo)航機(jī)主要考慮整個(gè)系統(tǒng)的兼容問題，選擇相關(guān)接收都系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星的芯片[3]，通過傳統(tǒng)接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)，在軟件上再進(jìn)行相關(guān)處理。

在本系統(tǒng)中主要采用國產(chǎn)導(dǎo)航芯片OTrack-32多系統(tǒng)導(dǎo)航芯片實(shí)現(xiàn)的接收多顆衛(wèi)星系統(tǒng)，由于此芯片對(duì)北斗和GPS信號(hào)能進(jìn)行高效的信號(hào)處理，配以高效嵌入式處理平臺(tái)及LCD顯示模塊和無線通信模塊實(shí)現(xiàn)接收機(jī)現(xiàn)場顯示和無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。系統(tǒng)的整體原理硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 整體硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

聯(lián)星公司OTrack-32多系統(tǒng)兼容衛(wèi)星導(dǎo)航芯片，采用Host-Base架構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要，配合不同性能的CPU組成適應(yīng)多種載體應(yīng)用的接收機(jī)。OTrack-32可兼容支持ARM、MIPS等多種處理器類型，支持高達(dá)4路的RF信號(hào)輸入，目前可兼容接收北斗二號(hào)/GPS/GLONASS信號(hào)，未來可擴(kuò)展支持Galileo信號(hào)。OTrack-32芯片采用了一種新的基于匹配濾波器的捕獲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在功耗和面積方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)對(duì)多顆衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行快速捕獲。OTrack-32芯片的跟蹤模塊具有32個(gè)獨(dú)立的跟蹤通道，能夠分別對(duì)BD2、GPS或LONASS進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，通道之間完全獨(dú)立，互不影響，具有很好的靈活性，在不同的應(yīng)用背景下可以通過不同的參數(shù)配置來實(shí)現(xiàn)不同的跟蹤策略，從而保證即便在弱信號(hào)的情況下依然穩(wěn)定的跟蹤。

聯(lián)星公司基于OTrack-32的優(yōu)異性能[3]，配合在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的深厚積淀，突破了一批關(guān)鍵技術(shù)，形成了成熟、系統(tǒng)的高性能衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)方案，可適應(yīng)具有不同運(yùn)動(dòng)特性的各類載體的應(yīng)用要求?；贠Track-32芯片的多模接收機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用解決方案具有較好的接口適應(yīng)性，可靈活接駁外部存儲(chǔ)、通信、顯示等接口，可經(jīng)簡單集成形成多種衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用終端。

OTrack-32應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 OTrack-32應(yīng)用配置電路Fig.2 OTrack-32 application configuration circuit

3.1 電平轉(zhuǎn)換電路

由于多系統(tǒng)導(dǎo)航芯片接收并處理相關(guān)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)[4]，將處理結(jié)果要傳送到相關(guān)微處理器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和實(shí)現(xiàn)交互通信，因此從硬件上實(shí)現(xiàn)芯片通信引腳間的電平轉(zhuǎn)換。

圖3為通信電平轉(zhuǎn)換的工作原理圖。

首先，通過數(shù)據(jù)傳送引腳TXD將串行數(shù)據(jù)通過TTL電平傳送到專用電平轉(zhuǎn)換芯片SP3232接收端RXD引腳上，通過相關(guān)內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS232電平間的轉(zhuǎn)換，再由其輸出端引腳將其電平轉(zhuǎn)換為232輸出到串口平臺(tái)。

圖3 電平轉(zhuǎn)換工作原理圖Fig.3 Level conversion working principle diagram

3.2 LCD顯示電路

實(shí)時(shí)顯示控制領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示是非常重要的，用戶對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的要求和智能性的要求，一般采用LCD12864顯示屏通過平行總線方式實(shí)時(shí)顯示，由于IO口存余量較大因此，并行IO可以通過相關(guān)實(shí)現(xiàn)采用總線控制方式實(shí)時(shí)顯示，相比較串行實(shí)現(xiàn)方式，并行顯示方式能夠?qū)Υ笠?guī)模、高速率的數(shù)據(jù)快速顯示而不影響其通信速度，而串行顯示，往往需要在軟件中考慮實(shí)時(shí)和通信速率的因素其優(yōu)勢正逐漸減少。

3.3 無線數(shù)據(jù)傳輸電路

STM32-110作為一種32位高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器。普遍應(yīng)用于工業(yè)控制[5]、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等產(chǎn)品，內(nèi)部集成了DMA控制器。本文采用嵌入式主板ARM自帶的DMA控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，控制芯片GPRS通信芯片，對(duì)于那些需要將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通過已經(jīng)有的3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)路中去，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化功能[6]，對(duì)于一個(gè)智能化的產(chǎn)品更加具有通用性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文的軟件設(shè)計(jì)主要是與系統(tǒng)相關(guān)的任務(wù)設(shè)計(jì)以及輸入輸出顯示任務(wù)設(shè)計(jì)，包括GPS導(dǎo)航任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、圖形顯示任務(wù)和鍵盤動(dòng)作處理任務(wù)。系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

對(duì)輸入的導(dǎo)航數(shù)據(jù)首先進(jìn)行預(yù)處理，使輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部處理包括采樣、濾波、運(yùn)算、分析，而后進(jìn)行兩個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)相互兼容性數(shù)據(jù)的處理功能。數(shù)據(jù)的處理功能是將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)據(jù)后一方面用于顯示，另一方面用于發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)，為了防止過多占用平臺(tái)內(nèi)存，選擇將數(shù)據(jù)寫入到文件保存方式，保存到ARMSTM32自帶的NAND Flash中。從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的顯示和處理。

5 結(jié) 論

圖4 整體軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 The whole software design flow chart

文中采用片內(nèi)集成了大量外設(shè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多系統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)的電路，該硬件設(shè)計(jì)包含了導(dǎo)航電路、電平轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路、無線數(shù)據(jù)收發(fā)、電源電路、復(fù)位電路等硬件電路，因此是一種成本的設(shè)計(jì)方案。

由于OTrack-32集成芯片具有多導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容信號(hào)處理能力并且實(shí)時(shí)嵌入式處理器和操作系統(tǒng)的高效性，使得該導(dǎo)航系統(tǒng)具有性能高、擴(kuò)展性能好、兼容性能好等優(yōu)勢。

[1]楊希銳.車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)Vehicle location and navigation system[J].汽車與配件，2010，9（5）：26-27.

YANG Xi-rui.Vehicle location and navigation system[J].Automotive&Electronics，2010，9（5）：26-27.

[2]曹穎鵬.基于嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序的研究與設(shè)計(jì) [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[3]付超，郭松齡.基于GPS的低成本車載導(dǎo)航設(shè)備的研究和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2007，14（2）：249-251.

FU Chao，GUO Song-ling.GPS based low cost vehicle navigation equipmentresearch and implementation[J].Computer Application Technology，2007，14（2）：349-251.

[4]王黎明，陳雙橋.ARM9嵌入式開發(fā)系統(tǒng)與實(shí)踐[M].南京：江南大學(xué)，2008.

[5]王黎明，陳雙橋，李東明，等.基于ARM的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2007，30（12）：66-69.

WANG Li-ming，CHEN Shuang-qiao，LI Dong-ming，et al.Design for multi-channel high speed data acquisition system basedon Labwindows/CVI[J].ElectronicMeasurement Technology，2007，30（12）：66-69.

[6]關(guān)萍萍，翟正軍，姜紅梅，等.基于GPS測控系統(tǒng)通用報(bào)表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)， 2010，31（1）：196-198.

GUAN Ping-ping，ZHAI Zheng-jun，JIANG Hong-mei，et al.Design and implementation of universal control system report based on GPS[J].Computer Engineering and Design，2010，31（1）：196-198.