基于ARM的GPS接收机解码系统设计

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2013 年 第19期 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 科技信息
0 引言
GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而
其中文简称为“球位系”。GPS 是20 世纪70 年代由美国陆海空三军联
合研制的新一代空间卫星导航定位系统。由于GPS 技术所具有的全
天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，
已经融入到国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用
于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时
所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时
变化）；以及GPS 系统信息。在GPS 观测量中包含了卫星和接收机的
钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星
广播星历误差的影响，但在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或
削弱，使定位精度将大大提高。
1 基于ARM 的GPS 接收机解码系统验证
1.1 系统总体设计
图1 为基于ARM7 的GPS 接收机解码系统验证框图， 该系统主
要由三部分组成，即ARM7 开发板、1602 液晶显示器、GPS 接收模块。
图1 基于ARM7 的GPS 系统验证框图
通过软硬件控制ARM7 开发板从GPS 模块中读取定位信息，并送
至1602 液晶显示出定位信息。
1.2 ARM7 芯片（LPC2114）及开发板资源介绍
1.2.1 LPC2000 系列ARM 硬件结构
LPC2000 系列微控制器基于ARM7TDMI-S CPU 内核。支持ARM
和Thumb 指令集， 芯片内集成丰富外设， 而且具有非常低的功率消
耗。使该系列微控制器特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和
POS 机等场合。其主要模块有系统时钟、晶振振荡器、锁相环（PLL）、
VPB 分频器、外部中断、向量中断控制器（VIC）、中断类型、GPIO、
UART0、定时器0 和定时器1 等。
1.2.2 开发板相关功能介绍
EasyARM2100 开发实验板是一款简单的32 位ARM 单片机实验
板， 采用的是PHILIPS 的ARM7TDMI-S 核单片机LPC2114， 具有
JTAG 调试，ISP 编程等功能。板上提供了一些键盘，LED，RS232 等常
用功能部件， 帮助用户从学习32 位单片机一步一步的过渡到32 位
ARM 嵌入式系统开发领域。使用CPU PACK 可以使用多种兼容芯片
（LPC2000 系列）等；可选CAN 接口板方便组装现场总线；所有I/O 全
部引出可以和用户的外部电路连接搭配；4 个独立LED，6 个独立键盘
控制；具有RS232 转换电路可与上位机进行通讯；可以与标准串行，
MODEM 直接接口方便远程通讯； 具有I2C 器件，SPI 器件接口器件；
具有滤波电路，PWM 输出可实，DAC 转换功能； 板上的功能部件可使
用跳线器连接或断开连接；提供基于PC 的人机界面方便调试实时时
钟串口通信等功能。
1.3 GPS 模块相关功能介绍
1.3.1 GPS 模块介绍
该GPS 模块采用瑞士u-blox 公司的NEO-5Q 主芯片， 此芯片为
多功能独立型GPS 模组，以ROM 为基础架构，成本低、体积小，并具
有众多特性。采用u-blox 最新的KickStart 微弱信号攫取技术，能确保
采用此模组的设备在任何可接收到信号的位置及任何天线尺寸都能
够有最佳的初始定位性能并进行快速定位。其主要特性：50 个通道卫
星接收功能；100 万个以上的相关系引擎； 可同步追踪GPS 及伽俐略
导航卫星信号；提供多种接口：UART、USB、IIC、SPI。
1.3.2 GPS 数据包解析
GPRMC 数据解析内容：1）时间，这个是格林威治时间，是世界时
间（UTC），我们需要把它转换成北京时间（BTC），BTC 和UTC 差了8
个小时，要在这个时间基础上加8 个小时。2）定位状态，在接收到有效
数据前，这个位是‘V’，后面的数据都为空，接到有效数据后，这个位
是‘A’，后面才开始有数据。3）纬度，我们需要把它转换成度分秒的格
式。
GPGGA 数据解析内容：第9，10 个字段，海平面高度和大地水准
面高度，单位是米。
2 基于ARM7 的GPS 接收机解码系统设计
2.1 硬件设计
2.1.1 系统电源电路
LPC2000 系列微控制1.8V 消耗电流的极限值为70mA。为了保证
可靠性并为以后升级留下余量， 则电源系统1.8V 能够提供的电流应
当大于300mA。整个系统在3.3V 上消耗的电流与外部条件有很大的
关系， 这里假设电流不超过200mA， 这样， 电源系统3.3V 能够提供
600mA 电流即可。分析得到以下参数：3.3V 电源设计最大电流：
600mA；1.8V 电源设计最大电流：300mA。
2.1.2 系统时钟电路
目前所有的微控制器均为时序电路， 需要一个时钟信号才能工
作，大多数微控制器具有晶体振荡器。使用12MHz 晶振和两个39p 电
容，C11、C12 容值由NXP 公司提供，其余三个元件可以提供基本模式
震荡。
2.1.3 系统复位电路
微控制器在上电时状态并不确定， 这造成微控制器不能正确工
作。为解决这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控
制器初始化为某个确定的状态。本系统复位模块电路由按键、电阻、电
容、二极管组成。其中电阻、电容组成阻容复位电路，二极管D2 用来
防止电极反接。
2.1.4 系统调试与测试接口电路
基于ARM 的GPS 接收机解码系统设计
陈磊李康
(西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048)
【摘要】本文讨论了基于ARM7 的GPS 接收机解码系统设计，提出了对GPS 全球定位系统定位信息的接收以及对各定位参数数据的提
取方法，并给出了系统的硬件电路及软件流程图。通过本设计方法，本系统由单片机控制GPS 模块较为精确地计算和显示日期、时间、经度、纬
度等卫星信息。详细地介绍了用单片机为主要核心电路设计GPS 的硬件设计全过程，并给出了GPS 软件设计的基本思路、整体电路的原理、
PCB 设计图和几个电路使用特殊芯片和使用软件资料，是实用性很强的设计方案。
【关键词】GPS；NEO-5Q GPS 芯片；ARM7 芯片；单片机
【Abstract】This article discussed the system design on the base of ARM7 chip, proposed the method of the GPS system's imformation's receiving
and withdrawing of the position parameter data. The article has provided the hardware circtuit and software struct. The system that the single chip
computer cotrolling the GPS module can precisely calculate and show the satellite information of date, time, longitude, latitude and so on. This paper
introduces chip microcomputer which is used to GPS and give the principle diagram of intelligent GPS. Gave the principle of the whole electric
circuit. It can be widely applied and is worthy of spreading.
【Key words】GPS；NEO-5Q GPS chip；ARM7 chip；Chip microcomputer
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LPC2000 有一个内置JTAG 调试接口，通过这个接口可以控制芯
片的运行并获取内部信息。根据LPC2000 系列芯片应用手册说明，在
RTCK 引脚接一个4.7K 的下拉电阻，使系统复位后ARM7 内部JTAG
接口使能，这样就可以直接进行JTAG 仿真了。
2.1.5 系统按键与LED 灯电路
LPC2000 系列的大多数GPIO 为真正的全双向I/O 口， 可以独立
控制每一根I/O 口线的状态是输入还是输出。虽然LPC2000 系列的I/
O 电压为3.3V，GPIO 的输出最高为I/O 口电源电压， 但大多数GPIO
能够承受5V 电压的输入， 且大多数GPIO 作为输入时是处于高阻状
态。本系统键盘与LED 控制模块电路主要由电阻、电容、按键、发光二
极管构成，按键用于产生中断，发光二极管用于指示系统现在的工作
状态。
2.1.6 系统UART 电路
UART 异步串行通信接口是嵌入式系统最常用的接口，可用来与
上位机或其它外部设备进行数据通信。LPC2000 系列ARM7 微控制器
均具有两个UART， 它们的结构及寄存器符合16C550 工业标准。
RS232 是一个全双工的通讯标准，它可以同时进行数据接收和发送的
工作。
2.1.7 系统USB 电路
USB 总线主要用于USB 设备与USB 主机之间的数据通信， 特别
为USB 设备与USB 主机之间大量数据的传输提供了高速、可靠的传
输协议。本模块电路原理图主要根据LPC2000 系列芯片应用手册。
2.1.8 系统液晶接口电路
液晶显示屏是平板显示器件中的一种，具有低工作电压、微功耗、
无辐射、体积小等特点，被广泛应用于各种各样嵌入式产品中，如手
机、PDA、数码相机等。本系统中12864 液晶模块为后续开发图形界面
所留的硬件接口。
2.1.9 系统GPS 模块电路
GPS 模块采用瑞士u-blox 公司的NEO-5Q 主芯片， 此芯片为多
功能独立型GPS 模组，以ROM 为基础架构，成本低、体积小，并具有
众多特性。采用u-blox 最新的KickStart 微弱信号攫取技术，能确保采
用此模组的设备在任何可接收到信号的位置及任何天线尺寸都能够
有最佳的初始定位性能并进行快速定位。
2.2 软件设计
系统软件主要由初始化模块、数据接收处理模块和显示模块组
成。初始化模块完成开机上电后对单片机、液晶显示器和GPS 模块的
初始化工作。数据接收处理模块负责处理从GPS 接收到的数据。在单
片机串口收到信息后，先判别是否为语句引导头“$”，再接收信息内
容，然后根据语句标识区分出信息类别以对收到ASCⅡ码进行处理显
示。若整个数据接收正确，便对数据进行处理；若接收不正确，则重新
进行接收。显示模块主要是对1602 液晶的控制，完成对数据如初始化
信息、当前日期、时间、定位状态、纬度、经度的显示。
3 总结
本文讨论了基于ARM7 的GPS 接收机解码系统设计， 提出了对
GPS 全球定位系统定位信息的接收以及对各定位参数数据的提取方
法，由单片机控制GPS 模块较为精确地计算和显示日期、时间、经度、
纬度等卫星信息，是实用性很强的设计方案。
【参考文献】
［1］ARM 公司．ARM Architecture Reference Manual[Z]．ARM 公司，2000.
［2］PHILIPS 公司.P89LPC932 User Manual[Z].2003.
［3］邱致和，王万义.GPS 原理与应用[M]．北京：电子工业出版社，2001.
［4］周润景，袁伟亭．基于Proteus 的ARM 虚拟开发技术[M].北京航空航天大学
出版社，2007，1.
［5］周立功等．ARM 微控制器基础与实战[M].北京航空航天大学出版社，2005.
［责任编辑：丁艳］
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2014-10-1 07:19 上传

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