基于JP7-T的GPS接收机和定位系统设计

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基于JP7一T的GPS接收机和定位系统设计
黄春晖，许凯华
(华中师范大学物理学院，湖北 武汉430079)
摘 要：介绍了GPS OEM机的组成原理以及基于德国FALCOM JP7-T(SIRF2)系列GPS模块
接收机demo板的实际设计方法。给出了GPS输出数据的标准格式(NMEA一0l83通信标准)；
最后给出了Linux下用C语言设计的定位信息系统的程序流程和关键算法。利用该方法可对高
层决策的GPS定位信息进行处理。
关键词：GPS~ -：；demo~ ；坐标；NMEA一0183；交叉编译
0 引言
作为导航领域内一种全新的技术。GPS全球
定位系统主要利用卫星进行定位。GPS最初由美
国政府机构控制使用。是目前世界上最为成熟和
完好的全球卫星导航系统。它由30颗(4颗为备
份星)在轨卫星组成。早期的GPS系统对民用信
号的定位精度限制为100米左右，2000年后则取
消这一限制。目前，GPS可以提供的民用信号定
位精度为l0米左右。GPS现可应用于多领域(如
民用航空，车辆调度管理，深海海运等整个海陆
空范围内的导航等)，特别是在目前的车载导航
领域，GPS全球卫星定位技术更是具有广泛的应
用。随着应用领域的日益扩大，中国卫星导航仪
的市场规模已从2000年的不到l0亿元增长到了
2005年的120亿元。因此，对GPS进行研究和二次
开发势在必行。
1 JP7一T型GPS OEM板的组成
本设计根据实际项目需要将所调研的几种
GPS资料进行了比较权衡，最后选择了德国
FA OM公司生产的JP7一T(SIRF2)GPS模块。
该模块有l2个信道GPS接收模块、完整的温度补
偿晶体振荡器、SiRF2型芯片一低功率芯片集、高
级1-ITF频率、3种不同供电模式、更小的体积、
PIN脚与JP7一LP兼容并有记忆功能。同时内嵌
收稿日期：20o7—10—11
Falcom记忆查询软件。利用此模块作为核心部
分。笔者还设计了一块demo板进行测试。FAL,
COM公司生产的JP7-T(SIRF2)GPS模块的内部
信号流的处理过程如图l所示。
JP7一TX系列GPS定位系统采用的是Ll信号频
率(1575．42 MHz)。该模块可以分为四大块：RF
信号下转换器、数字基带解调、嵌入式ARM微处
理器和用于存储内置GPS软件的8MBit Flash存储
器。其中前两者用于硬件电路处理，而ARM微处
理器则可采用内置GPS软件来计算GPS的位置、
速度、时间等。
系统中的射频部分用作GPS信号(通常是一
130 dBm】的补偿和过滤，然后将其转换成中频
信号并输出到信号处理部分。数字基带解调器的
功能是载有量化了的GPS信号和检测卫星的串行
比特流数据和伴随伪序列。这个过程通过扩展谱
和信号多普勒频率部分的移动来获得串行数据。
ARM微处理器用来监督信道的分配，并提取原始
的卫星跟踪数据，同时在计算出位置和时间后，
将其采用串行方式发送到高层应用部分。支持微
处理器处理过程的硬件电路包括R rC和复位脉冲
产生器电路。内置的GPS软件用来管理信道分配，
并可采用卫星的伪序列来计算位置、速度和时
间．并重定数据格式后输出到串行H或用于本地
决策。
2 JP7一T GPS接收机的Demo板设计
在了解了JP7-T GPS模块的内部原理后，要
wwl,v．ecdo~cn 2008．4 电子无器件主明 11
第l0卷第4期
2008年4月
电子元器件盔用
Electronic Component＆Device Applications
VoI．10 No．4
Apr．2008
图l J}r7一T型GPS 0EM机的信号处理过程
知道是否适合产品的设计需要，还要再设计一块
demo板来进行性能测试。Demo板的基本硬件设
计框图如图2所示。
NCP1086ST
． 33T3
I．rrL TXD2l
1．rrL RXD2l
Jp7．TGPS I卜： rrL RXD1l MAx3232
J VCC l
DB9．2
l
DB9．1
V r
图2 Demo板硬件框图
通过分析GPs模块的内部电路和引脚可知．
其4、5引脚为第一组I／O口，分别是SDI1和SDO1。
其中SDI1是主要的接收信道，用来接收GPS板的
软件命令，SDO1是主要的传输信道，用来将导
航数据传输到用户程序；6，7号引脚为第二组I，
O口，分别是SDI2和SDO2；17号引脚是RF-IN，
用于为GPS提供从天线接收到的信号：19号引脚
用于为天线提供电源。其中SDI和SDO都是TrL电
平，故在将其通过RS一232串口与PC机相连以进
行测试前，必须将TI 标准信号转换成232标准信
号才能与PC机进行通信，本设计采用MAX3232
电平转换芯片，其转换电路如图3所示。鉴于GPs
模块的频率和项目产品的设计需要。本设计选择
了5米GPS车用磁性吸盘天线。其中心频率也是
Ll，它接收卫星定位信息的定位精度小于15米。
图4所示是基于JP7一T的最小启动电路而设计
的GPs接收机电路。图5给出了该电路的电源部分
电路图。
3 软件设计
本系统的软件部分主要完成对经纬度、UTC
时间、GPS定位有效性、移动端速度的采集、解
l2 电子元嚣件主用2008．4 ．ecdo~cll,
码和显示。本设计将WGS一84坐标的经纬度都转
换成以度为单位，UTC时间转换为北京时间，并
将速度的knop单位转化为以km／h为单位。
3．1 JP7一T的GPs数据格式
NMEA一0183协议是美国国家海洋电子协会
(NationalMarineElectronlcsAssociation)制定的GPs
接口协议标准。NMEA一0183协议中定义了若干
代表不同含义的语句。每个语句实际上就是一个
ASCII码串。这种码比较直观，易于识别和应用。
其发送到计算机的数据主要由帧头、帧尾和帧内
数据组成，根据数据帧的不同，帧头也不相同。
帧头主要有”$GPGGA”、”$GPGSA”、”$GPGSV”
以及”$GPRMC”等。这些帧头标识了后续帧内
数据的组成结构，各帧均以回车符和换行符作为
帧尾来标识一帧的结束。使用中不需要了解
NMEA一0183通信协议的全部信息，仅需要从中
挑选出需要的那部分定位数据即可，而将其余的
信息忽略掉。
本项目中所使用的GPs导航数据可以在
“$GPRMC”帧中获得，其帧格式如下：
$GPRMC，，，，，，，，，
，，*hh
格式中各字段的解释如下：
图3 RS一232电平转换电路
150pF
一
第21O0卷08年第4月4 期 黪厂霪缔瘗 Vo1．1O No．4
Apr．2008
图4 最小系统的GPS电路
1-r
图5 GPS的电源部分
(1)当前位置的格林尼治时间，格式为hh． (11)地磁变化方向，为E或W
mmss； 3
．2 定位信息系统设计流程
(2)状态，A为有效位置，V为非有效接收警
告，即当前天线视野上方的卫星个数少于3颗；
(3)纬度，格式为ddmm．mmmm；
(41用于标明南北半球，N为北半球、S为南
半球；
(5)径度，格式为dddmm．mmmm；
(61用于标明东西半球，E为东半球、W为西
半球；
(7)地面上的速度，范围为0．0到999．9；
(8)方位角，范围为000．0到359．9度；
(9)日期，格式为ddmmyy；
(1 0)地磁变化，从000．0到180．0度；
JP7一T手册中提示该GPs的NMEA要使用的波
特率为4800，所以，在软件中可以将串I=1波特率
设置成4800定值。
(1)时间转换
GPS接收到的时间是UTC制时间，故应将它
转换为北京时间。其核心算法为：hour+8；year+
2000；设计时，如hour大于24，则day+1，hour一
24：接着根据月份和是否闰年来判断day处理后
是否有相应月份要相继处理；然后根据处理后的
月份判断年份是否要相继处理等等。需要注意的
是：不要忘记判断平年和闰年。
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第1O卷第4期
20o8年4月
电子元嚣件主硐
Electronic Component&Device Applications
Vo1．1O No．4
Apr．2008
f21 WGS一84经纬度单位转换
本设计选用的电子地图采用的是WGS84坐标
系，而GPS测量得到的是WGS一84中的地心空间
直角坐标系下的数据，所以．不用坐标转换。但
由于GPS接收到的经纬度是以度和分为单位的，
而我们日常生活中都是以度为计量单位，所以要
进行单位转换。单位转换的算法(以纬度为例1
是将接收到的纬度格式fddmm．mmmm)除以100，
以得到dd．mmmmmm．然后再调用modf函数分离
出度和分，最后将分乘100并除以60，从而将分
化成度。
(3)速度单位转换
本GPS获得的速度是以knot为单位的。而通
常除了航海采用knot单位之外，陆空一般都是采
用krn／h为单位(1knot=1．8519 krn／h)，所以，设计
时还要将获得的速度乘以该单位转换参数。
本系统的软件设计流程图如图6所示。
3．3 测试
软件编写完后，应先在PC机上用gcc编译，
编译过程一般没有什么大问题。然后．可以将做
好的GPS接收机通过串口接在PC机上进行软件和
硬件的调试。本设计的GPS机经过连续几天运行
图6 系统流程图
l4 电予元嚣件主用 2008．4 ．ecd~crt
都没有什么问题，非常稳定。但是，做这个demo
板的最终目的是为设计一款基于ARM9处理器的
手持机。所以，笔者又将该软件交叉编译，采用
的编译器是3．3．2版本的arin—linux—gcc。为了验证
测试板和软件在嵌入式系统下的可行性，笔者还
将其与广州Friendly—arm生产的$3C2410实验箱相
连并进行了测试。测试结果十分稳定，定位非常
精确
4 结束语
设计本硬件和软件的主要目的是为一款手持
导航仪的GPS选型作准备的。结果表明，选用该
型号的GPS和本软件设计的系统十分稳定．定位
快，热启动条件下首次定位只要8 s；冷启动时，
首次定位时间也只要45 S，定位精度为10 m，是
目前民用GPS中精度较高的了；而且可以在不影
响功能的条件下设计出外观精美的产品。设计的
软件可以将GPS定位信息通过GPS接收机完整接
收，而且灵活性较大。如果换用其它坐标系的电
子地图，则可以在描点前一步加坐标系转换模
块。所处理的数据对于高层决策且有重要作用．
可广泛用于导航、轨迹回放、中心车辆监控与调
度等
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2014-9-30 06:28 上传

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