基于JP7-T的GPS接收機和定位系統設計

　　0引言

　　作為導航領域內一種全新的技術，GPS全球定位系統主要利用衛星進行定位。GPS最初由美國政府機構控制使用，是目前世界上最為成熟和完好的全球衛星導航系統。它由30顆(4顆為備份星)在軌衛星組成。早期的GPS系統對民用信號的定位精度限制為100米左右，2000年后則取消這一限制。目前，GPS可以提供的民用信號定位精度為10米左右。GPS現可應用于多領域(如民用航空，車輛調度管理，深海海運等整個海陸空范圍內的導航等)，特別是在目前的車載導航領域，GPS全球衛星定位技術更是具有廣泛的應用。隨著應用領域的日益擴大，中國衛星導航儀的市場規模已從2000年的不到10億元增長到了2005年的120億元。因此，對GPS進行研究和二次開發勢在必行。

　　1 JP7-T型GPS OEM板的組成

　　本設計根據實際項目需要將所調研的幾種GPS資料進行了比較權衡，最后選擇了德國FALCOM公司生產的JP7-T(SIRF2)GPS模塊。該模塊有12個信道GPS接收模塊、完整的溫度補償晶體振蕩器、SiRF2型芯片一低功率芯片集、高級TIFF頻率、3種不同供電模式、更小的體積、PIN腳與JP7-LP兼容并有記憶功能，同時內嵌Falcom記憶查詢軟件。利用此模塊作為核心部分，筆者還設計了一塊demo板進行測試。FAL-COM公司生產的JP7-T(SIRF2)GPS模塊的內部信號流的處理過程如圖1所示。

　　JP7-TX系列GPS定位系統采用的是L1信號頻率(1575.42 MHz)。該模塊可以分為四大塊：RF信號下轉換器、數字基帶解調、嵌入式ARM微處理器和用于存儲內置GPS軟件的8MBit Flash存儲器。其中前兩者用于硬件電路處理，而ARM微處理器則可采用內置GPS軟件來計算GPS的位置、速度、時間等。

　　系統中的射頻部分用作GPS信號(通常是一130 dBm)的補償和過濾，然后將其轉換成中頻信號并輸出到信號處理部分。數字基帶解調器的功能是載有量化了的GPS信號和檢測衛星的串行比特流數據和伴隨偽序列。這個過程通過擴展譜和信號多普勒頻率部分的移動來獲得串行數據。ARM微處理器用來監督信道的分配，并提取原始的衛星跟蹤數據，同時在計算出位置和時間后，將其采用串行方式發送到高層應用部分。支持微處理器處理過程的硬件電路包括RTC和復位脈沖產生器電路。內置的GPS軟件用來管理信道分配，并可采用衛星的偽序列來計算位置、速度和時間，并重定數據格式后輸出到串行口或用于本地決策。

　　2 JP7-T GPS接收機的Demo板設計

　　在了解了JP7-T GPS模塊的內部原理后，要知道是否適合產品的設計需要，還要再設計一塊demo板來進行性能測試。Demo板的基本硬件設計框圖如圖2所示。

　　通過分析GPS模塊的內部電路和引腳可知，其4、5引腳為第一組I／O口，分別是SDI1和SDO1，其中SDI1是主要的接收信道。用來接收GPS板的軟件命令，SDO1是主要的傳輸信道，用來將導航數據傳輸到用戶程序；6，7號引腳為第二組I／O口，分別是SDI2和SDO2；17號引腳是RF_IN，用于為GPS提供從天線接收到的信號；19號引腳用于為天線提供電源。其中SDI和SDO都是TTL電平，故在將其通過RS-232串口與PC機相連以進行測試前，必須將TTL標準信號轉換成232標準信號才能與PC機進行通信，本設計采用MAX3232電平轉換芯片，其轉換電路如圖3所示。鑒于GPS模塊的頻率和項目產品的設計需要，本設計選擇了5米GPS車用磁性吸盤天線，其中心頻率也是L1，它接收衛星定位信息的定位精度小于15米。

　　圖4所示是基于JP7-T的最小啟動電路而設計的GPS接收機電路。圖5給出了該電路的電源部分電路圖。

　　3軟件設計

　　本系統的軟件部分主要完成對經緯度、UTC時間、GPS定位有效性、移動端速度的采集、解碼和顯示。本設計將WGS-84坐標的經緯度都轉換成以度為單位，UTC時間轉換為北京時間，并將速度的knop單位轉化為以km／h為單位。

　　3.1 JP7-T的GPS數據格式

　　NMEA-0183協議是美國國家海洋電子協會(NationaIMarineElectronlcsAssociation)制定的GPS接口協議標準。NMEA-0183協議中定義了若干代表不同含義的語句，每個語句實際上就是一個ASCII碼串。這種碼比較直觀，易于識別和應用。其發送到計算機的數據主要由幀頭、幀尾和幀內數據組成，根據數據幀的不同，幀頭也不相同。幀頭主要有"$GPGGA"、"$GPGSA"、"$GPGSV"以及"$GPRMC"等。這些幀頭標識了后續幀內數據的組成結構，各幀均以回車符和換行符作為幀尾來標識一幀的結束。使用中不需要了解NMEA-0183通信協議的全部信息，僅需要從中挑選出需要的那部分定位數據即可，而將其余的信息忽略掉。

　　本項目中所使用的GPS導航數據可以在"$GPRMC"幀中獲得，其幀格式如下：

　　格式中各字段的解釋如下：
　　(1)當前位置的格林尼治時間，格式為hh-mmss；
　　(2)狀態，A為有效位置，V為非有效接收警告，即當前天線視野上方的衛星個數少于3顆；
　　(3)緯度，格式為ddmm.mmmm；
　　(4)用于標明南北半球，N為北半球、S為南半球；
　　(5)徑度，格式為dddmm.mmmm；
　　(6)用于標明東西半球，E為東半球、W為西半球；
　　(7)地面上的速度，范圍為0.0到999.9；
　　(8)方位角，范圍為000.0到359.9度；
　　(9)日期，格式為ddmmyy；
　　(10)地磁變化，從000.0到180.0度；
　　(11)地磁變化方向，為E或W

　　3.2定位信息系統設計流程

　　JP7-T手冊中提示該GPS的NMEA要使用的波特率為4800，所以，在軟件中可以將串口波特率設置成4800定值。

　　(1)時間轉換

　　GPS接收到的時間是UTC制時間，故應將它轉換為北京時間。其核心算法為：hour+8；year+2000；設計時，如hour大于24，則dav+1，hour-24；接著根據月份和是否閏年來判斷day處理后是否有相應月份要相繼處理；然后根據處理后的月份判斷年份是否要相繼處理等等。需要注意的是：不要忘記判斷平年和閏年。

　　(2) WGS-84經緯度單位轉換

　　本設計選用的電子地圖采用的是WGS84坐標系，而GPS測量得到的是WGS-84中的地心空間直角坐標系下的數據，所以，不用坐標轉換。但由于GPS接收到的經緯度是以度和分為單位的，而我們日常生活中都是以度為計量單位，所以要進行單位轉換。單位轉換的算法(以緯度為例)是將接收到的緯度格式(ddmm.mmmm)除以100，以得到dd.mmmmmm，然后再調用modf函數分離出度和分，最后將分乘100并除以60，從而將分化成度。

　　(3)速度單位轉換

　　本GPS獲得的速度是以knot為單位的。而通常除了航海采用knot單位之外，陸空一般都是采用km／h為單位(1knot=1.8519 km／h)，所以，設計時還要將獲得的速度乘以該單位轉換參數。

　　本系統的軟件設計流程圖如圖6所示。

　　3.3測試

　　軟件編寫完后，應先在PC機上用gcc編譯，編譯過程一般沒有什么大問題。然后，可以將做好的GPS接收機通過串口接在PC機上進行軟件和硬件的調試。本設計的GPS機經過連續幾天運行都沒有什么問題，非常穩定。但是，做這個demo板的最終目的是為設計一款基于ARM9處理器的手持機。所以，筆者又將該軟件交叉編譯。采用的編譯器是3.3.2版本的arm-linux-gcc。為了驗證測試板和軟件在嵌入式系統下的可行性，筆者還將其與廣州Friendly-arm生產的S3C2410實驗箱相連并進行了測試。測試結果十分穩定，定位非常精確。

　　4結束語

　　設計本硬件和軟件的主要目的是為一款手持導航儀的GPS選型作準備的。結果表明，選用該型號的GPS和本軟件設計的系統十分穩定．定位快，熱啟動條件下首次定位只要8 s；冷啟動時。首次定位時間也只要45 s，定位精度為10 m，是目前民用GPS中精度較高的了；而且可以在不影響功能的條件下設計出外觀精美的產品。設計的軟件可以將GPS定位信息通過GPS接收機完整接收，而且靈活性較大。如果換用其它坐標系的電子地圖，則可以在描點前一步加坐標系轉換模塊。所處理的數據對于高層決策且有重要作用，可廣泛用于導航、軌跡回放、中心車輛監控與調度等。