AT91 SAM9261在GPS接收機中的應用

隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，GPS已經(jīng)不是一個(gè)陌生的名詞了，GPS在海灣戰爭中大顯身手并給人以深刻的印象。GPS是由美國國防部(U．S．Department of Dcfense，DOD)開(kāi)發(fā)的一套基于衛星的無(wú)線(xiàn)導航系統。GPS包括3個(gè)基本部分：太空部分、控制部分和用戶(hù)部分。GPS的工作概念是基于衛星的距離修正。用戶(hù)通過(guò)測量到太空各可視衛星的距離來(lái)計算它們的當前位置，衛星的左右相當于精確的已知參考點(diǎn)?？臻g衛星連續發(fā)射包含導航電文的雙頻無(wú)線(xiàn)電信號，用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)設備(即GPS接收機)接收的衛星信號，測定用戶(hù)至衛星距離或多普勒頻移等觀(guān)測量；根據導航電文，計算所觀(guān)測時(shí)刻的衛星位置和速度，從而0計算出用戶(hù)的位置和速度。本文以用戶(hù)部分為重點(diǎn)，說(shuō)明控制芯片的選擇，硬件電路的設汁及軟件模塊的設計。

1 AT91SAM9261控制芯片簡(jiǎn)介與比較
AT91SAM926l是Atmel公司新推出的ARM9 32位處理器。將它與常用的32位處理器S3C2410作一個(gè)簡(jiǎn)單比較，以說(shuō)明它的優(yōu)越性能。AT91SAM926l采用了ARM926EJ-S內核并外擴了DSP指令設備和JAZELLEJava加速器。在工作頻率為180 MHz的情況下，其運算速度為200MIPS。S3C24lO采用的是ARM920T內核，雖然它的主頻最高可達200 MHz，但在處理諸如乘加指令時(shí)沒(méi)有AT91SAM926l快，尤其在處理流媒體數據時(shí)更為明顯。
AT9lSAM9261具有32 KB的ROM和160 KB的SRAM，還有新增的2個(gè)16 KB的數據緩存和指令緩存，32個(gè)I／O口，支持LCD和USB設備以及I2C總線(xiàn)接口和多媒體通信接口，所以開(kāi)始的引導程序可以選擇放在內部ROM，從而提高運行速度。160 KB的內部SRAM在播放流媒體數據時(shí)起到了很好的幀緩沖作用。S3C2410采用的是NAND F1ash肩動(dòng)引導，內部無(wú)SRAM。另外，AT91SAM9261發(fā)揮了ARM926EJ-S緊密式耦合內存架構的優(yōu)勢，讓傳統(非高速緩存)SRAM直接連接到ARM處理器上而不會(huì )出現滯后情況。這樣強大的處理能力使其應用于GPS系統中游刃有余。
AT91SAM926l結構框圖如圖l所示，內部支持LCD控制器、串行通信口(包括USB從機模塊、UART、SPI以及I2C)和多媒體通信口；另外，還提供一個(gè)用于調試的JTAG接口。功耗方面，AT9lSAM926l待機電流儀為2．5μA；S3C2410為8～50μA，工作頻率為500Hz時(shí)，電流消耗為400μA。在工業(yè)級溫度范圍內，AT91SAM926l處理器性能達200 MIPS時(shí)，即使所有外設開(kāi)啟，其工作電流也僅僅是65mA，而此時(shí)S3C2410的電流約為200mA。

現在，雖然市面上ARM處理器品種眾多，如主流的PXA2XX系列，它們的處理速度比AT91SAM9261高；但是AT91SAM9261價(jià)格便宜，功耗低，又能滿(mǎn)足本身設計需要，所以選擇AT91SAM9261比較合適。

2 GPS接收機硬件設計
2．1 接收機系統原理和結構
如圖2所示，用戶(hù)設備部分由以下幾個(gè)模塊組成：核心硬件電路、GPS模塊、液晶屏和觸摸屏、PC主機和音頻設備等。

圖3所示核心硬件電路以AT91SAM9261應用處理器為核心，使用2片16位的SDRAM配置成32位寬度的高性能存儲器，這樣在讀取數據時(shí)就可以以4字節為1個(gè)單位，從而加快數據的讀取速度。選用16M16位閃存存儲器，用于存儲WinCE操作系統和電子地圖信息。引導程序的啟動(dòng)可以選擇從內部ROM或者外部ROM，采用外部引導程序啟動(dòng)時(shí)，可以外擴DataFlash通過(guò)串口或以太網(wǎng)下載引導程序啟動(dòng)。實(shí)際上，DataFlash是一個(gè)EEPROM結構的存儲器，將NPCS0片選信號連接到DataFlash的CS中，使系統一開(kāi)始時(shí)尋址到的0x00地址正好是DataFlash的0x00地址，從而啟動(dòng)Bootloader。

用戶(hù)設備的顯示部分是一個(gè)帶有3．5寸觸摸屏的LCD。LCD電路包括LCD時(shí)序電路、LCD電源、背光電源電路。電源輸出(這里以滿(mǎn)足SHAR LQ13351217DHOl為例)，需要+15V、+5V和-10V的直流電源電壓以及由PWM控制的+2lV～+25V背光電源。在調試這幾個(gè)電源電路時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：①由于輸出的電壓比較高，應避免輸出引腳和其他元件短接以免發(fā)生短路。充電泵整流器的帶負載能力有限，用于濾波的電容容抗不能太大。建議用陶瓷電容。③LCD部分的電流輸出不是很大(4mA)，PCB的布局可以盡量緊湊；但LED電源PCB要考慮散熱性能(因為輸出的電流大約為20 mA)，并且盡量遠離控制信號線(xiàn)。
2．2 GPS模塊介紹
GPS模塊是Atmel公司提供的。GPS模塊采用的是串行輸出，只要2個(gè)串行信號線(xiàn)就可以完成較精確的差分衛星定位。GPS模塊的支持電壓為2．7～3．3 V，功率小于100 mW／H。GPS模塊由變頻器模塊(ATR0600)、信號相關(guān)模塊(ATR06lO)、微處理器模塊(ATR0620)組成。圖4為GPS模塊結構框圖。

2．3 GPS模塊的PCB設計
GPS接收機前端為RF模塊。由于含有射頻信號，因此其PCB設計相對中低頻信號的PCB板來(lái)說(shuō)要困難得多?？偨Y筆者設計時(shí)遇到的困難及需要注意的事項，可以得到以下幾點(diǎn)啟示：
①射頻濾波器只有在位于天線(xiàn)與射頻濾波器之間的微波傳送帶的特征阻抗為50Ω的情況下才能正常工作。該傳送帶特征阻抗是PCB介質(zhì)層問(wèn)厚度為h、介電常數為εr、導線(xiàn)厚度為t，以及導線(xiàn)寬度為w的函數，所以在PCB板上放置該段導線(xiàn)時(shí)應根據相應的函數精確計算出微波傳送帶的寬度。該函數關(guān)系式為：

②布線(xiàn)時(shí)應將導線(xiàn)的電阻和電容效應都考慮在內，走線(xiàn)盡量短而直，不能走直角；元件布局時(shí)要防止產(chǎn)生寄生振蕩現象。特別是對于LC濾波電路，PCB板布線(xiàn)與電容和電感擺放所產(chǎn)生的分布參數都會(huì )直接影響這個(gè)濾波器，因而在布線(xiàn)過(guò)程中應注意：濾波器的元器件和引線(xiàn)與射頻信號線(xiàn)之間要保持良好的間隔，以防止互相之間的串擾；雙平衡信號的路徑要保持平行，并且長(cháng)度相仿，這樣可以加強二者之間的耦合而減弱與其他線(xiàn)之間的耦合；第l級濾波器和射頻信號輸入電路之間留有足夠的空間，以實(shí)現相互隔離，保證系統的穩定性。
③模擬電源與數字電源隔離；數字地與模擬地分開(kāi)，在兩者搭接處加入磁珠，防止互相干擾；連接電源和地的導線(xiàn)應盡量粗一些。
④應使用一個(gè)金屬罩將射頻部分電路屏蔽起來(lái)，防止與后面的數字電路發(fā)生互相干擾。

3 軟件模塊設計與開(kāi)發(fā)
如圖5所示，軟件以電子地圖分析模塊及數據庫為中心，包括GPS模塊、通信模塊以及顯示和聲音輸出模塊。數據庫中記錄了各種地理數據。使用者在行動(dòng)過(guò)程中，由GPS模塊接收，分析衛星信號，計算出當前的經(jīng)緯度、速度和方向等數值，就可以得到使用者在電子地圖上的確切位置。定時(shí)記錄位置移動(dòng)情況就可以在LCD上顯示直觀(guān)的路線(xiàn)圖?？梢栽诖嘶A上開(kāi)發(fā)車(chē)輛導航系統。

開(kāi)發(fā)過(guò)程中用到的工具主要有Platform Builder和EVC。Platforrrt Builder生成一個(gè)面向目標板的特定的WinCE操作系統。在生成Platform時(shí)，要選用正確的BSP?？梢酝ㄟ^(guò)修改AT9lSAM9261DK開(kāi)發(fā)板自帶的BSP包來(lái)滿(mǎn)足設計要求，使得BSP包的開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單而快速。BSP主要包括Bootloader、OAL和驅動(dòng)程序。
由于篇幅有限，在這里只作簡(jiǎn)單介紹：
①Bootloader是在操作系統內核運行之前運行的一段程序，用于初始化硬件設備，建立系統內存空間映射；而最重要的就是將操作系統內核映像加載列RAM中，并且把系統控制權交給它。在接收機手持設備系統中，這里可以不改。
②OAL(即OEM適配層)是邏輯上駐留在WinCE內核與目標設備之間的代碼，用于實(shí)現WinCE內核與目標設備之間的通信。這里，除了基本的初始化功能外，還另外添加了電源管理方面的函數OEMIdle和OEMPowerOff，使其基本滿(mǎn)足手持設備在功耗方面的要求。
③驅動(dòng)程序是BSP開(kāi)發(fā)的重要部分，是用戶(hù)模式的動(dòng)態(tài)鏈接庫(DII)，是一個(gè)抽象物理設備或虛擬設備的功能軟件。一般可分為內建驅動(dòng)程序(如鍵盤(pán)驅動(dòng)程序)和流驅動(dòng)程序(如串口驅動(dòng)、DataFlash驅動(dòng)、以太網(wǎng)驅動(dòng)等)。它們都是由設備管理器來(lái)加載的。
EVC開(kāi)發(fā)GPS系統的軟件部分類(lèi)似于VC中的項目開(kāi)發(fā)。程序編好以后可以通過(guò)USB口下載到目標板上進(jìn)行調試，并開(kāi)發(fā)新的功能。

結語(yǔ)
GPS是當前應用最廣泛的導航定位系統。在歐美等發(fā)達地區，利用GPS車(chē)載導航系統來(lái)改進(jìn)交通有廣闊的應用前景。AT915AM9261嵌入式處理器有較高的性能，在類(lèi)似方面的應用中大有可為。