基于ARM核的GPS接收机的设计与实现

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基于ARM 核的GP S接收机的设计与实现
引言
全球定位系统(GPS)作为一种成熟的
导航定位技术 以其全天候、高精度、自动
化、高效率等显著特点及所独具的定位导
航、授时授频、精密测量等多方面的强大
天线
前置 下变 A／D
放大器f频器f转换器
基准
振荡
频率
合成器
数字信号
处理器
防空兵指挥学院研究生1 6队张青苗防空兵指挥学院科研部刘永鸿
功能，使其用途越来越广泛。传统的使用8
位单片机设计的GPS接收机，在数据处
理、系统性能提升以及功能扩展等方面存
在较大的不足。随着嵌入式技术的发展，
以ARM 为代表的32位微处理器凭借其
微处理器
信号跟
踪环路
定位
导航
射频前端处理
f
I
l 基带数字信号处理 I 定位
用户
界面
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图1 GPS接收机组成框图
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天线
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图2 ATR06000的内部结构与电路应用表达式
屯子世界·2010．12
31～
高性能、低功耗、低成本、体积小等优点，
在现实中获得了广泛的应用。
本文介绍了～种GPS接收机的整体
设计方案，该方案采用Atmel公司生产的
ATR0600和ATR0620芯片。其中A—
TR0600芯片作为接收机的射频前端，内
嵌ARM7TDMI处理器核的ATR0620芯
片作为接收机的数字基带处理器。该方案
具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特
点。
GPS接收机的基本组成
GPS接收机的主要任务是跟踪可见
GPS卫星，对接收到的卫星无线电信号经
过数据处理后获得定位所需的测量值和
导航信息，最后完成对用户的定位运算和
可能的导航任务。GPS接收机的内部结构
沿其工作流程的先后顺序，通常分为射频
(RF)前端处理、基带数字信号处理(DSP)
和定位导航运算三大功能模块。其基本组
成如图1所示。
G PS接收机的硬件设计
卫星信号由天线接收，直接进入射频
前端。射频前端具有变频作用，将射频信
号转换为中频信号。中频信号经采样信号
采样、量化后，转换为数字中频信号。数字
中频信号进入基带数字处理器，基带数字
处理器完成卫星信号的处理后，解调出导
航电文，进行相应的处理后给出所需的定
位信息或提供特定的应用服务。
1．接收天线
接收天线是GPS接收机处理卫星信
号的首个器件，它将接收到的GPS卫星所
发射的电磁波信号转变成电压或电流信
号，以供接收机射频前端摄取与处理。因为
GPS接收机赖以定位的信息基本上全部
来自于天线接收到的GPS卫星信号，所
以接收天线的性能直接影响着整个接收
机的定位性能，它对接收机所起的作用与
· 工程师笔记·
SIGH SIGill
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图3 ATR0620与ATR06{}0信号连接图
贡献绝对不容忽视。
对GPS接收机天线的主要技术要求
是：接收频率为1575．42MHz的L1信号：
为了与接收到的GPS卫星信号的极化方
式相匹配，从而提高接收效率，接收天线
以右旋圆极化的方式工作：强度微弱的
GPS卫星信号应当尽可能地先在紧靠天
线的一端得到功率放大，以改善整个接收
系统的噪声性能，接收机采用内置低噪声
放大器(LAN)的有源天线；电线馈线的阻
抗为50Q。综上所述，本文采用灵敏度高
的竖直形状的四螺旋天线，且在工作时将
天线采用外置的形式。
2．基于ATR0600的射频前端电路设
计
射频(RF)前端模块位于接收机天线与
基带数字信号处理模块之间．它通过天线
接收所有可见GPS卫星信号，经前置滤波
器和前置放大器的滤波放大后，再与本机
振荡器产生的正弦波本振信号进行混频
而下变频成中频(1F)信号，最后经模数(A／D)
转换器将中频信号离散成包含GPS信号
成分的、频率较低的数字中频信号，并在
此过程中进行必要的滤波和增益控制。
本设计中射频前端主要由Atreel公
司生产的ATR0600芯片及外围滤波电路
构成．它是一个GPS接收机射频前端lC
芯片，采用单lF结构，芯片上包含有混频
器、JF放大器、2bit的模数转换器(ADC)、
晶体振荡器等电路，芯片具有极高的集成
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图4基于ATR06000与ATR0620的GPS接收机方框图
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· 工程师笔记·
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图5 HTAG电路连接图 图6 软件处理流程
度，很小的功耗(约50W o
ATR0600通过外部的天线接收
1575．42MHz的L1 GPS信号，经过低噪
声放大器LNA进行第1级滤波、放大后，
被外部SAW 滤波器进行镜像抑制和对
1 800MHz GSM 频带信号进行隔离。该信
号与基准频率为23．1 04 MHz的本振信号
进行混频，混频器将GPS信号下变频到
97 76MHz中频。混频后，该信号经过LC
带通滤波器和可变益放大器(VGA)，与片
上集成的中频带通滤波器组合，完成对
GSM 干扰信号的滤波。VGA输出驱动集
成的1．5bitA／D转换器，将中频信号转化
成4．35MHz的数字中频信号。
ATR0600的内部结构及其电路应用
形式如图2所示：
3．基于ATR0620的基带处理器电路
基带数字信号处理模块是GPS接收
机的核心部分，它通过处理射频前端所输
出的数字中频信号，复制出与接收到的卫
星信号相一致的本地载波和本地伪码信
号，从而实现对GPS信号的捕获与跟踪，
并且从中获得GPS伪距和载波相位等测
量值以及解调出导航电文。
基带数字信号处理模块通常是硬件
与软件相结合的有机体，其中载波解调和
C／A码解扩通常是由ASIC硬件形式的数
字信号处理器来完成的，而在微处理器中
运行的跟踪环路控制软件通过计算来调
节数字信号处理器的各种操作。由Atmel
公司生产的ATR0620芯片包含有一个基
于ARM7TDMI处理核的16通道相关器，
它具有高性能的32bit RISC结构，使用
1 6bit指令系统，能利用ARM7TDMI微控
制器核与片上RAM，完成GPS16通道相
关器和外围设备接口功能；利用芯片内部
大量的功能寄存器可以满足实时控制应
用。
ATR0620外部接口及与ATR0600的
信号连接如图3所示。
4．GPS接收机的电路设计
ATR0600射频前端为ATR0620提供
卫星信号，主时钟信号和其它一些控制信
号，而ATR0620为ATR0600提供采样信
号。图4为利用ATR0600和ATR0620芯
片设计的GPS接收机方框图。
5．存储模块及通信接口
选用Cypress 公司生产的
CY7C1 041，由片选信号NSCS[I]选通来扩
展SRAM，容量为4 Mb。FLASH则选用
ST公司的4Mb容量的SST39VF400芯
片，由片选信号NSCS[0]选通。
接收机中设计了两种通信接口：一种
是JTAG调试接口，连接JTAG仿真器进
行开发调试，下载用户程序；另一种是
RS232通信串口，用于与主机通信。其中
JTAG调试电路连接如图5所示。
GPS接收机的软件设计
GPS的用户设备主要由接收机硬件
和处理软件组成。用户通过用户设备接收
电子世界·2010．12
— 33一
GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位
置、速度等信息，最终达到利用GPS进行
导航和定位的目的。GPS接收机软件的结
构如图6所示。程序包含两部分：汇编语
言程序部分(用于引导和系统初始化)和C
语言应用程序《用于主要的导航定位计
算)。软件整体采用并行任务结构，由相关
器产生的累加数据IRQ中断信号进行任
务切换的驱动，在中断服务程序中更新伪
码、载波和数据解调环路。
GPS接收机的应用软件根据不同的
用途而不同，主要包括：数据采集与分析、
卫星位置计算、时间推算、差分定位和动
态定位等程序。本设计的GPS接收机上
的程序主要在ARM— u CLinux交叉编译
环境下用C语言进行编写，通过ARM7
JTAG接口连接JAG仿真器进行调试和
移植。
结束语
本设计的GPS接收机采用内嵌
ARM7核的GP4020芯片作为接收机的
数字基带处理器，通过实验调试，消除了
以往微处理器的瓶颈效应，具有体积小、
功耗低、性能高的特点。实验PCB板尺
寸：75 mm x 50 mm×12 mm；通道数：
16；功耗：小于0 1 W ：首次定位时间：小
于41 s(冷启动)，小于2．5s(热启动)：定位
精度：3 m。
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2014-9-29 20:03 上传

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