集成多媒體功能的GPS方案
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衛星定位概述
全球衛星導航的基本原理是：衛星發(fā)射導航電文，其中包括測距精度因子、開(kāi)普勒參數、軌道攝動(dòng)參數、衛星鐘差參數和大氣傳播遲延修正參數等。地面接收機根據碼分多址CDMA或頻分多址FDMA的特點(diǎn)區分各導航衛星，接收并識別相應的導航電文，測量發(fā)來(lái)信號的傳播時(shí)間，利用導航電文中的一系列參數逐步計算出衛星的位置。接收機只要能接收到至少4顆衛星信號，就可確定其位置和鐘差。在全球導航系統中，用戶(hù)接收機根據衛星導航電文不斷地核準其時(shí)鐘鐘差，可以得到很高的時(shí)鐘精度，這就是精確的衛星授時(shí)；根據導航電文的規律性的時(shí)序特征，通過(guò)計數器，可以得到高精度的同步秒脈沖信號，用于同/異地多通道數據采集與控制的同步操作。
②視頻播放功能：本機可選擇SD卡中的視頻文件即可實(shí)現觀(guān)賞影片功能，支持avi、mpg和wmv等視頻格式。
③音頻播放功能：選擇SD卡中的音樂(lè )即可欣賞，支持mp3/wma/ogg等音頻格式。
④圖片瀏覽功能：支持JPG（JPEG）/ GIF/ BMP等圖片格式的閱覽。
⑤文本閱讀功能：支持TXT文本格式的閱覽。
⑥PDA功能：帶有簡(jiǎn)便的OFFICE辦公套件，可以打開(kāi)日常電腦中編輯的word /excel/ ppt/ pdf 等文檔。
2 方案原理
方案原理框圖如圖1所示。
圖1 方案原理框圖
方案采用當前最流行的ARM920T內核的SAMSUNG S3C2440嵌入式芯片，S3C2440處理器是Samsung公司基于A(yíng)RM公司的ARM920T處理器核，主頻400MHz，最高可達533MHz，這是目前世界上主頻最快的嵌入式移動(dòng)CPU之一，內核電壓為1.3V，采用16/32位 ARM920T RISC核心，能提供豐富接口，如數碼攝像頭、TFT/STN液晶屏、USB、HOST/DEVICE、IIS音頻、NAND閃存、SD/MMC存儲卡以及觸摸屏，有8通道10位 ADC等。產(chǎn)品電源采用USB供電、車(chē)充供電、電充供電和電池供電四種供電方式。GPS接收模塊采用正原的ZYM-GM21_GUIDE，該模塊采用 SIRFstarIII, 內嵌高性能ARM7TDMI CPU，可以接收到20顆衛星的信號，不導航時(shí)可以關(guān)閉GPS模塊以省電，該模塊尺寸為 42 (L) 20 (W) 8 (H) (mm)，輸入電壓為直流+3.6～+4.2V，數據更新每秒一次，熱啟動(dòng)時(shí)間小于1s（在開(kāi)闊地點(diǎn)），冷啟動(dòng)時(shí)間小于35s(在開(kāi)闊地點(diǎn))。LCD屏采用三星3.5英寸數字屏,該屏分辨率為320240，16M色TFT 真彩LCD, 帶LED 背光觸摸屏。閃存存放已調試好的用戶(hù)應用程序、嵌入式操作系統和其他在系統掉電后需要保存的用戶(hù)數據等；SDRAM存儲器作為系統運行時(shí)的主要區域，系統和用戶(hù)數據及堆棧均位于SDRAM存儲器中；SD卡存放凱利德的電子地圖，用1Gb卡可以存放全國地圖。
首先，CPU完成對GPS和外圍接口的初始化工作；CPU還必須要周期性地對系統終端的當前狀態(tài)做出測試及判斷，并對各種實(shí)際情況做出相應的處理，以保證系統能正常而穩定地工作，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示客戶(hù)需要了解的各種信息和產(chǎn)品基本功能中要求的各種信息。
3 關(guān)鍵器件的選型原則
做數碼產(chǎn)品主要是選好CPU，CPU定好后，其他很多外圍電路就基本定了，因為有很多現成的參考電路和有關(guān)專(zhuān)題的應用電路。對于新手或經(jīng)驗不足的工程師，最好就用IC原廠(chǎng)或方案公司提供的參考電路，因為這是通過(guò)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員考慮和實(shí)驗過(guò)的。在通過(guò)以后自己實(shí)驗驗證基礎上，處于降低成本和提高性能的需要，再更換部分/個(gè)別元器件。
①CPU的選擇
選主CPU是關(guān)鍵，首先，要考慮到CPU的性能是否與你的設計規劃一致，這個(gè)CPU將來(lái)能否滿(mǎn)足你的需要，因為熟悉一個(gè)CPU不容易，將來(lái)?yè)Q一個(gè)CPU也不容易，會(huì )浪費時(shí)間，這個(gè)CPU要能滿(mǎn)足你的產(chǎn)品更新?lián)Q代需要。其次，CPU的價(jià)格是否能滿(mǎn)足你的需要，你要做高檔/中檔/低檔產(chǎn)品，你做的產(chǎn)品功能是否很多或單一，這些也決定你的選擇。再次，你的現有資源很大程度上決定你的選擇，如你和哪個(gè)CPU公司或技術(shù)支持公司比較熟悉，能夠給你提供最大的技術(shù)支持和價(jià)格支持及各種服務(wù)。最后，你以前熟悉哪些CPU，你以前的知識可以減少開(kāi)發(fā)時(shí)間并減少不成功的風(fēng)險。
由于三星具有性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn),可以做功能完善的產(chǎn)品線(xiàn)，便于將來(lái)升級加一些附加功能，如增加手機、移動(dòng)電視、攝像頭和PDA等功能，且很多通用性嵌入式產(chǎn)品都能用三星CPU來(lái)實(shí)現,所以我們選用三星的作為主CPU。
②衛星接收模塊的考慮
現在大都用SIRFⅢ的芯片做GPS產(chǎn)品，所以這點(diǎn)是定的。選擇哪個(gè)公司的GPS接收模塊呢？我們的原則是要用集成了天線(xiàn)的模塊，這樣的目的是這種GPS模塊做出來(lái)的產(chǎn)品接收性能穩定些；這種產(chǎn)品的GPS天線(xiàn)是內嵌的，不是外掛的，所以產(chǎn)品的體積小些；同時(shí)由于不用考慮天線(xiàn)的安裝和布局，使得設計簡(jiǎn)單，容易調試且容易保證產(chǎn)品性能一致。通過(guò)測試，我們選用正原的ZYM-GM21_GUIDE做為GPS接收模塊，該模塊20mm的寬度使我們的產(chǎn)品能做成超薄，使的產(chǎn)品外觀(guān)更好看。
4 主要模塊的硬件電路圖及說(shuō)明
①CPU和存儲器接口圖
如圖2所示，由于S3C2440有現成的SDRAM、FLASH、EEPROM、SD CARD和USB等接口，只要按S3C2440的說(shuō)明書(shū)和參考資料設計很容易實(shí)現圖２。其中FLASH用于保存程序，EEPROM用于保存靜態(tài)數據，SDRAM用于保存動(dòng)態(tài)數據，SD卡用于保存地圖數據資料和給用戶(hù)自己留用。一般省和區（如東北三省區）地圖容量要400Mb空間，全國地圖要800Mb空間，所以1Gb的SD卡可以夠用。
圖２ CPU和存儲器接口圖
②聲音處理電路
圖３為聲音處理電路圖，通過(guò)控制CPU寄存器，聲音通過(guò)CPU的IIS-BUS輸出給D/A轉換電路，再通過(guò)功放輸出。
圖３ 聲音處理電路圖
③顯示和視頻輸出
圖４為顯示和視頻輸出圖，由于S3C2440有LCD接口電路，所以實(shí)現起來(lái)很容易。通過(guò)視頻轉換D/A，可以輸出Y/C信號和CVBS信號，以方便外接顯示器顯示。
圖４ 顯示和視頻輸出圖
④CPU對GPS的控制
主要是通過(guò)串行口發(fā)送控制命令實(shí)現（GPS采樣周期的設置、GPS輸出數據選擇、通信波特率設置等），同時(shí)通過(guò)串行口接收GPS定位信息。由于GPS輸出數據采用NMEA-0183（V 3.01）格式，輸出數據為多組，在本系統中，僅選取其中的一組數據：GPRMC(推薦最小數據量的GPS具體內容/傳輸數據)，其格式舉例如下。其中，當且僅當GPS輸出數據為有效定位數據時(shí)，對應的UTC時(shí)間才為當前準確時(shí)間。
CPU和GPS模塊的接口電路如圖5所示。
圖5 CPU和GPS模塊的接口電路
通信控制線(xiàn)(CONTROL)包括: BOOT、GPS ON/OFF、TX/RX。BOOT高電平激活GPS模塊啟動(dòng)內部程序，GPS ON/OFF用于關(guān)閉和打開(kāi)GPS電源，當不用GPS功能時(shí)，關(guān)閉GPS 模塊可以省電，TX為GPS 模塊發(fā)送出來(lái)的導航數據，RX為給GPS模塊的命令。
5 系統軟件設計
程序采用了模塊化設計，軟件由一個(gè)主程序和若干個(gè)子程序構成，其中，子程序主要完成一些單一的基本功能，主程序則負責完成對各個(gè)功能模塊（即子程序）的調用。軟件主流程圖如圖6所示。
圖6 軟件主流程圖
BOOTLOADER完成硬件設備初始化，設置堆棧，檢測系統內存映射，將內存映像和根文件系統映像從FLASH讀到RAM空間中，為內核設置啟動(dòng)參數，啟動(dòng)內核。
應用程序主要包括：GPS啟動(dòng)和接收處理程序、顯示驅動(dòng)程序、按鍵處理程序、觸摸屏處理程序、視頻播放程序、音頻播放程序、圖片瀏覽處理程序、文本閱讀程序、PDA功能處理程序、待機和省電處理應用程序等。
6 多媒體功能等應用程序嵌入
WINDOWS CE.NET的GWES支持組成WINDOWS CE.NET圖形用戶(hù)界面的窗口、對話(huà)框、控件、菜單和資源,使用戶(hù)能夠控制應用程序。WINDOWS CE.NET將 MICROSOFT WIN32應用編程接口（API）、用戶(hù)界面（UI）和圖形設備接口(GDI)組合為圖形窗口事件子系統（GWES）模塊（GWES.EXE）,GWES是用戶(hù)、應用程序和操作系統之間的接口。同時(shí)GWES還包括驅動(dòng)程序的加載，主要包括顯示、鍵盤(pán)、鼠標和觸摸屏等的驅動(dòng)等。本機自帶播放器,也可用Windows media player 和 Beta player 播放器，選擇SD卡中的視頻文件即可實(shí)現觀(guān)賞影片功能，支持avi、mpg和wmv 等視頻格式。選擇音頻播放功能，可以播放SD卡中的音樂(lè )即可欣賞，支持mp3/wma/ogg等音頻格式。啟動(dòng)音頻或視頻播放功能后，消息循環(huán)接收系統傳送過(guò)來(lái)的消息，并把它發(fā)送到相應的窗口中進(jìn)行處理，啟動(dòng)相應的視頻或音頻播放應用程序。
7 設計注意事項
① 衛星信號的接收失步
為了使產(chǎn)品應用于山區、極地等不開(kāi)闊或易受太陽(yáng)風(fēng)暴等影響的地域時(shí)，在設計中加入防止衛星信號接收失步的軟硬件措施。具體做法常常是設計本地精密的PPS產(chǎn)生電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC電路。當從接收端取得的NMEA格式信息中識別出所傳定位/時(shí)鐘信息無(wú)效時(shí)，立即啟用本地PPS信號和RTC，并根據前面正常情況下物體的位置特征推斷當前物體的位置。衛星信號接收恢復正常時(shí)，轉而使用衛星定位時(shí)鐘同步，同時(shí)清除本地PPS發(fā)生計數器，校正RTC時(shí)鐘。圖7為這種典型的防失步方案。
圖7 衛星信號監測失步時(shí)的同步/時(shí)鐘處理
②系統電源管理
衛星信號定位授時(shí)同步體系，特別是嵌入式便攜設備，涉及到不同的電源供給，如液晶顯示模塊、主系統、CPU核，需要從電池得到各種供電電壓。電源管理設計時(shí)，不要直接從電池電壓同時(shí)變換得到1.8V、3.3V、5V，而應先升壓得到最大的供電電壓，再逐級降壓得到所需各級供電電壓，以保證系統正常工作，操作過(guò)程如圖8所示。
圖8 便攜式衛星信號定位儀器的系統電源規劃
③PCB制板
需要重點(diǎn)考慮的是衛星信號接收部分的設計。為減少干擾，獲得最好的接收效果，接收天線(xiàn)要盡可能靠近集成芯片的接收引腳；天線(xiàn)接口到芯片接收腳的微帶線(xiàn)要盡可能短，寬度要2倍于PCB板厚，走斜切線(xiàn)，避免銳角、直角。要有獨立的電源、地層。電源、地層要靠近頂/底層，大面積鋪地PCB邊緣處，電源層面積要小于地層；地層邊緣要加一圈密密的過(guò)孔，頂層要有大量過(guò)孔和大面積地，盡可能使用金屬罩屏蔽全部接收部分。
④高度定位
高架低的只有6m，GPS水平定位精度5～10m，垂直10～30m，GPS沒(méi)法確定在高架上或高架下。用加裝加速度計結合立體電子地圖的辦法來(lái)判斷上高架了還下高架，如果沒(méi)有立體電子地圖的配合，在特殊地形處（山坡上的高處，多層高架）也會(huì )判斷出錯。
方案測試與評估
方案已經(jīng)進(jìn)行初步的功能測試、衛星信號接收測試和可靠性測試。功能測試主要考察整機電流是否正確，按鍵功能是否正確，各端口功能是否正常等。結果顯示方案的功能正常，圖像，語(yǔ)音的輸出流暢，無(wú)噪聲或扭曲現象。在衛星信號測試方面，主要考察方案對定位信號的接收能力。結果顯示接收信號的信噪比都達到要求，在進(jìn)行定位時(shí)間測試中，在常溫、GPS信號覆蓋強度為-103dBm的環(huán)境下進(jìn)行測試，系統第一次定位時(shí)間小于1m，斷電1分鐘后重新定位時(shí)間小于3s?？煽啃詼y試主要考察方案在不同溫度、濕度、震動(dòng)下的性能，結果顯示方案在一般實(shí)際環(huán)境存在的變化范圍內工作情況良好。
結論
本文利用GPS定位和嵌入式系統理論實(shí)現GPS多媒體播放器,實(shí)際效果理想,在此基礎上,可以進(jìn)一步增加功能,如帶攝像功能、手機功能和移動(dòng)電視功能等,進(jìn)行產(chǎn)品升級和更新?lián)Q代。
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