基于北斗二代系統的嵌入式船用導航儀硬件設計

摘要：隨著(zhù)北斗二代系統的研制與建設，在導航領(lǐng)域我國將會(huì )從GPS主宰的局面轉向為以我國自主研發(fā)的北斗二代全球導航系統為主的局面。為了實(shí)現北斗船用導航儀更輕便、快捷、低功耗和低成本，提出了一種采用ARM9系列的S3C2440A為處理器的北斗船用導航儀硬件設計方案，詳細給出了系統的硬件體系結構和具體的硬件選型及接口電路設計。并對整個(gè)系統進(jìn)行了硬件平臺的搭建和測試，給出了北斗信號處理部分的硬件設計電路板，實(shí)驗表明這種硬件設計可行。
關(guān)鍵詞：嵌入式；北斗二代系統；導航儀；硬件設計

目前，隨著(zhù)我國第十顆北斗衛星的成功發(fā)射，北斗區域衛星導航系統已完成基本系統建設。北斗衛星導航系統基本上能滿(mǎn)足測繪、漁業(yè)、交通運輸、氣象、電信、水利等行業(yè)，以及大眾用戶(hù)的應用需求。在加上北斗導航衛星定位系統的ICD的公布，那么對于北斗衛星導航儀的研究勢在必行，而我國的北斗導航衛星定位系統同時(shí)具備定位與通信功能、可同時(shí)解決“我在哪”和“你在哪”等應用優(yōu)勢。但是實(shí)際的應用并不理想，主要表現在：1)民用領(lǐng)域應用不充分，未形成產(chǎn)業(yè)化的現狀；2)用戶(hù)終端設備價(jià)格偏高，在市場(chǎng)上無(wú)法與GPS系統形成競爭；3)用戶(hù)終端設備研制開(kāi)發(fā)滯后，跟不上應用需求。北斗導航在民用領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的前景，但影響、制約北斗系統在民用領(lǐng)域獲得廣泛應用的主要因素就是系統用戶(hù)終端。而現有的導航儀基本上都是基于FPGA、DSP或者是兩者相結合為硬件平臺的GPS導航儀，也有比較先進(jìn)GPS采用ARM作為處理器。在這樣的背景下，將ARM處理器運用到北斗衛星導航系統上，研制一種超強信號靈敏度、出眾的多路徑抑制能力及抗干擾／防欺騙能力；支持多頻點(diǎn)、多種升級配置超越主流高端產(chǎn)品；完全自主知識產(chǎn)權；從基帶芯片到導航解算完全自主研發(fā)，技術(shù)支持、產(chǎn)品維護、軟件升級、非標定制等均有保障；體積小、功耗低、性能可靠的終端接收機具有重要的意義。

1 系統總體設計方案
本系統的硬件平臺為三星公司的S3C2440A微處理器。S3C2440A的核心處理器(CPU)是一個(gè)由Advanced RISCMacllines有限公司設計的16／32為ARM920T的RISC處理器。ARM920T實(shí)現了MMU、AMBA、BUS及Harvard高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立的16KB指令Cache和16KB數據Cache。每個(gè)都是由8字節的行組成。通過(guò)提供一整套完整的通用系統外設，S3C2440A減少整體系統成本和無(wú)需配置額外的組件。
北斗導航接收機主要由射頻前端、A／D轉換器、基帶信號處理和導航解算部分組成。射頻前端接收衛星的射頻信號，經(jīng)前置放大器放大后，將信號下變頻為中頻信號；A／D轉換器采樣中頻信號，把模擬信號量化編碼為數字信號；基帶數字信號處理部分主要功能為；衛星信號的二維捕獲、載波相位和碼相位的跟蹤，并且測算出偽距；最后導航解算部分采用一定的算法消除模型誤差，求解偽距方程，解析出衛星接收機天線(xiàn)的地理位置，從而實(shí)現衛星定位。整體設計框圖如圖1所示。

ARM處理器主要是負責對北斗基帶芯片數據的響應、處理和控制。北斗基帶芯片采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕獲北斗系統B1和B3頻點(diǎn)的精密測距碼和北斗／GPS衛星的普通測距碼，具有較快的捕獲速度、極高的動(dòng)態(tài)跟蹤范圍和測量精度。為降低開(kāi)發(fā)難度，方便二次開(kāi)發(fā)，系統采用的是“核心板+底板”的設計方案，這樣可以在核心板不變動(dòng)的情況下，更改底板的功能組成，以使用不同的功能。同時(shí)，由于核心板采用多層PCB板設計，而底板采用雙層板即可，從而大大的降低了系統的成本。系統硬件設計原理框圖如圖2所示。

2 系統硬件電路設計
2．1 核心板電路構成
核心板采用ARM開(kāi)發(fā)板最小系統設計，由S3C2440A處理器作CPU、內存SDRAM、閃存FLASH(NOR FLASH和NANDFLASH)、晶振電路、復位電路和啟動(dòng)配置電路組成。