衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)與實(shí)踐

張萬威,王甫紅,郭斐,劉萬科

(武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079)

衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)與實(shí)踐

張萬威,王甫紅,郭斐,劉萬科

(武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079)

針對目前導(dǎo)航工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的對學(xué)生系統(tǒng)分析解決問題能力與創(chuàng)新能力等的培養(yǎng)不足問題,將衛(wèi)星導(dǎo)航與嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)相結(jié)合,設(shè)計(jì)建設(shè)了軟硬件相結(jié)合的衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。詳細(xì)介紹了該實(shí)驗(yàn)平臺的軟硬件構(gòu)建方案以及實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容建設(shè)。該實(shí)驗(yàn)平臺已投入實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中并取得了良好的教學(xué)效果。

衛(wèi)星導(dǎo)航;嵌入式;教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺;實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)

0 引 言

近年來,隨著GPS、GLONASS、BDS和GALILEO四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展十分迅猛,其應(yīng)用已經(jīng)廣泛滲透到國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的各部門、各領(lǐng)域和各行業(yè)中。而衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展需要大量的先進(jìn)技術(shù)和導(dǎo)航專業(yè)人才支撐,為了順應(yīng)這一新形勢,武漢大學(xué)充分利用在衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)科的優(yōu)勢,率先提出增設(shè)“導(dǎo)航工程”新專業(yè)并得到了教育部批準(zhǔn),于2012年正式開始招生導(dǎo)航工程專業(yè)的本科生[1]。

在開設(shè)的“導(dǎo)航工程”新專業(yè)的培養(yǎng)方案中,導(dǎo)航工程專業(yè)的學(xué)生不僅僅要掌握基本的衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理,更要具備導(dǎo)航定位技術(shù)研發(fā)及拓展應(yīng)用的能力。然而在衛(wèi)星導(dǎo)航定位實(shí)踐教學(xué)方面,傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)大多為演示性和驗(yàn)證性的,沒有形成綜合體系,相互之間關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性較差,學(xué)生獨(dú)立思考和自主訓(xùn)練的機(jī)會(huì)和空間很少,缺乏對學(xué)生分析問題、解決問題能力及動(dòng)手能力的培養(yǎng),更達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的要求[2]。

針對目前導(dǎo)航工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的對學(xué)生系統(tǒng)分析解決問題能力、與創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足等問題,并充分考慮到衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)品大多是在嵌入式系統(tǒng)之上的實(shí)際情況,將衛(wèi)星導(dǎo)航與嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)相結(jié)合,設(shè)計(jì)建設(shè)了軟硬件相結(jié)合的衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。本文詳細(xì)介紹了該實(shí)驗(yàn)平臺的軟硬件構(gòu)建方案以及實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的建設(shè)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建方案

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺硬件系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示,它主要包括GNSS天線、GNSS OEM板卡、嵌入式DSP開發(fā)板、PC機(jī)等硬件設(shè)備。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺硬件系統(tǒng)組成

1) GNSS天線:用于接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號的天線, GNSS天線可選取Novatel GPS-702-GG天線,該天線既能接收GPS和GLONASS組合信號,又能接收單GPS信號的天線。

2) GNSS OEM板卡:用于對GNSS信號進(jìn)行捕獲跟蹤,得到GNSS原始觀測量及廣播星歷等,導(dǎo)航型OEM板可選用Novatel OEMstar板卡,該板卡具有14個(gè)接收通道,可以跟蹤L1 GPS和GLONASS偽碼和載波相位信號。

3) 嵌入式DSP開發(fā)板:用于在嵌入式環(huán)境下接收GNSS OEM板卡輸出的數(shù)據(jù)并進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航定位解算,嵌入式開發(fā)板可選用合眾達(dá)SEED-DEC6713開發(fā)板,TMS320C6713為高性能32位浮點(diǎn)DSP,其主頻可達(dá)200 Mhz,片上共有264K×8位存儲器,并具有豐富的片上外設(shè)資源[3]。

4) PC機(jī): PC機(jī)用于設(shè)計(jì)上位機(jī)程序,實(shí)現(xiàn)通過串口實(shí)時(shí)接收嵌入式系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)并將解碼的觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航定位解算等結(jié)果,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的顯示在設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面上。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺軟件開發(fā)包括嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)和PC上位機(jī)軟件開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)包括串口中斷數(shù)據(jù)接收、GNSS子幀數(shù)據(jù)解碼、衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法設(shè)計(jì)、導(dǎo)航定位結(jié)果打包及串口發(fā)送等。GNSS子幀數(shù)據(jù)解碼及衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法設(shè)計(jì)具體參考文獻(xiàn)[4-5],這里重點(diǎn)詳細(xì)論述串口中斷數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)及嵌入式系統(tǒng)軟件后臺主程序設(shè)計(jì)。

1.2.1 串口中斷數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)

SEED-DEC6713開發(fā)板采用TL16C52B通用異步收發(fā)器UART,其上包含兩路相互獨(dú)立的異步接收器,接收和發(fā)送各帶64字節(jié)FIFO,并各自帶Modem接口信號,最高傳輸速率可達(dá)1.5 Mbps波特率。TL16C52B與DSP TMS320C6713的連接如圖2所示。

圖2 TL16C52B與DSP TMS320C6713的連接

TL16C52B提供兩個(gè)中斷請求信號INTA、INTB分別用于通道A和B申請C6713中斷,在SEED-DEC6713中, INTA、INTB和USB中斷一起復(fù)用C6713的EXT-INT6,下降沿有效[3]。EXT-INT6的中斷服務(wù)函數(shù)名稱為c-int6。

串口中斷數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 串口中斷數(shù)據(jù)接收程序流程圖

Novatel OEMstar板卡輸出無論哪種類型的數(shù)都是以一完整子幀發(fā)送的,每一個(gè)子幀由幀頭信息、有效數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)碼等組成,其中幀頭包括3個(gè)字節(jié)幀同步字0xAA4412以及子幀長度等信息組成[5]。根據(jù)上述二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式規(guī)律,可在c-int6串口中斷服務(wù)函數(shù)中設(shè)計(jì)接收程序,每次只接收一幀完整的數(shù)據(jù),即先進(jìn)行子幀幀頭同步,再判斷已接收數(shù)據(jù)長度是否等于子幀總長度,若該幀已接收完成,置子幀數(shù)據(jù)收齊標(biāo)記為已完成,另外,為了避免讀寫數(shù)據(jù)沖突,一定要進(jìn)行子幀數(shù)據(jù)的備份。

1.2.2 嵌入式系統(tǒng)軟件后臺主程序設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)軟件后臺主程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 后臺主程序程序流程圖

在后臺主程序里,初始化完成后,配置Novatel OEMstar板卡[5],使其輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)包括導(dǎo)航衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)、偽距多普勒觀測數(shù)據(jù)、電離層參數(shù)數(shù)據(jù)三種類型,再判斷串口中斷數(shù)據(jù)接收程序中的子幀數(shù)據(jù)收齊標(biāo)記是否為已收齊,若收齊則進(jìn)行子幀解碼,當(dāng)子幀為觀測數(shù)據(jù)時(shí),調(diào)用自編的衛(wèi)星導(dǎo)航定位解算主程序進(jìn)行定位解算,然后將解算結(jié)果按自己設(shè)計(jì)的二進(jìn)制格式進(jìn)行打包,最后通過串口將二進(jìn)制結(jié)果輸出去。

2 實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容建設(shè)

為了適應(yīng)導(dǎo)航工程本科專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng),除了需要掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本方法之外,還在綜合型實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了較多與導(dǎo)航理論相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程。實(shí)驗(yàn)課程主要涵蓋了成C/C++程序設(shè)計(jì)、DSP原理及應(yīng)用、衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理等理論知識。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中,可以由易到難、由淺到深、由基礎(chǔ)到綜合再到創(chuàng)新進(jìn)行實(shí)踐,符合漸進(jìn)性的教學(xué)規(guī)律。

2.1 基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要是為了讓學(xué)生掌握嵌入式軟件一般的開發(fā)流程以及嵌入式程序移植等基本技能,可為之后的綜合型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要有:

1) 程序下載燒寫實(shí)驗(yàn)。即用燒寫工具將可執(zhí)行文件固化到 DSP 的 FLASH 空間上。運(yùn)行時(shí)通過Bootloader 將 FLASH 空間固化的程序下載到 RAM 上運(yùn)行。

2) 嵌入式程序移植與軟仿真實(shí)驗(yàn)。將PC集成的導(dǎo)航定位程序移植到嵌入式系統(tǒng)中,在DSP軟仿真模式下,以讀文件方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位程序在嵌入式系統(tǒng)上正確運(yùn)行,學(xué)生可以與PC程序計(jì)算結(jié)果對比,以檢驗(yàn)程序移植的正確性。

2.2 綜合型實(shí)驗(yàn)

綜合型實(shí)驗(yàn)可以提高利用所學(xué)的一系列理論知識綜合解決實(shí)際問題的能力以及培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要有:

1) 嵌入式實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)GNSS OEM板卡輸出數(shù)據(jù)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)嵌入式串口中斷接收程序,在SEED-DEC6713開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位解算,最后將導(dǎo)航定位結(jié)果按自己設(shè)計(jì)的格式進(jìn)行打包并通過串口輸出。

2) PC上位機(jī)軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)。以MFC或LabVIEW等語言開發(fā)上位機(jī)軟件,在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)串口接收開發(fā)板輸出的二進(jìn)制導(dǎo)航定位結(jié)果,并將結(jié)果實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示在設(shè)計(jì)好的軟件界面上。

2.3 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)中教師可逐步放手,不提供實(shí)習(xí)指導(dǎo)書,通過適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考去開放自主的解決問題,著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)了一些創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn),比如:

1) 導(dǎo)航定位算法嵌入式耗時(shí)測算實(shí)驗(yàn)。例如可使用的CCS軟件的Clock工具、利用CPU定時(shí)器功能、用示波器捕抓測量對應(yīng)的GPIO管腳輸出的信號脈寬等方法來測算算法嵌入式耗時(shí)。

2) 導(dǎo)航定位結(jié)果地圖顯示實(shí)驗(yàn)。把計(jì)算輸出的導(dǎo)航定位結(jié)果制作成KML軟件,然后在google earth中顯示運(yùn)動(dòng)軌跡,也可調(diào)用百度或高德地圖SDK,實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)軌跡。

3) 相關(guān)開放性拓展實(shí)驗(yàn)。如可為相對定位、定姿、定軌等算法的工程化應(yīng)用提供了軟硬件平臺支撐,探索其工程化實(shí)踐的實(shí)用性與效率。

3 結(jié)束語

衛(wèi)星導(dǎo)航嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺,既能有助于學(xué)生更深刻的理解衛(wèi)星導(dǎo)航原理,又能使其扎實(shí)掌握嵌入式系統(tǒng)平臺下的衛(wèi)星導(dǎo)航定位程序設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn),該平臺貼近工程實(shí)際應(yīng)用,且綜合性很強(qiáng),非常有利于鍛煉和提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)理論知識解決實(shí)際問題的能力和實(shí)踐動(dòng)手能力,該平臺已投入實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中并取得了良好教學(xué)效果。

[1] 郭斐,劉萬科,樓益棟,等.導(dǎo)航工程專業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方法課程建設(shè)與思考[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2016,41(4):120-122.

[2] 劉萬科,張小紅,李征航.衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)課程建設(shè)[J].測繪地理信息,2016,41(5):89-92.

[3] 北京合眾達(dá)電子技術(shù)有限公司.SEED-DEC6713用戶指南(Rev.D)[R].2008.

[4] 李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2010.

[5] NovAtel.OEMStarTM firmware reference manual (OM-20000127 Rev.5)[R].2011.

Construction and Practice of Embedded Teaching Experiment Platform for Satellite Navigation

ZHANG Wanwei,WANG Fuhong,GUO Fei,LIU Wanke

(SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)

Aiming at the problems which lack of training students ability such as cultivation comprehensive analysis of problem solving ability and innovation ability in the satellite navigation experimental teaching of Navigation Engineering, based on satellite navigation and embedded system integrated development, an embedded teaching experiment platform of satellite navigation combining hardware and software is designed and constructed, The hardware and software of the experimental platform and the construction of the experimental course are introduced in detail. The experimental platform has been put into practical teaching and achieved good teaching effect.

Satellite navigation; embedded system; teaching experiment platform; experimental course construction

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.021

2017-04-18

武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)資助項(xiàng)目(編號:WHU-2015-SYJS-08)；武漢大學(xué)教學(xué)改革建設(shè)項(xiàng)目(編號:2015048)

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0099-04

張萬威 (1986-),男,碩士,助理實(shí)驗(yàn)師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作。

王甫紅 (1973-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位和衛(wèi)星定軌方法研究。

郭斐 (1984-),男,博士,講師,主要從事GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)及應(yīng)用的教學(xué)與研究工作。

劉萬科 (1978-),男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航定位方面的教學(xué)與科研工作。

聯(lián)系人: 張萬威E-mail:wwzhang@sgg.whu.edu.cn