一種基于嵌入式WindowsCE的GPS數據導航系統設計

摘要：通過(guò)對FastraX公司生產(chǎn)的超低功耗iTrax02 GPS接收機模塊的分析，介紹將GPS接收機和聯(lián)想手持式PDA結合進(jìn)行空間定位的硬件實(shí)現和軟件設計方法。該系統體積小、功耗低，能快速、精確的對所處空間進(jìn)行定位。 關(guān)鍵詞：GPS接收機 定位PDA

引言

GPS是“Global Positioning System”，即“全球定位系統”的簡(jiǎn)稱(chēng)。GPS系統具有定位精度高、全天候、實(shí)時(shí)性、測站無(wú)須通視、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并且所有結果均通過(guò)數據來(lái)實(shí)現，便于數字化管理。所以GPS已被廣泛用于社會(huì )生活的各個(gè)領(lǐng)域，如工程、交通、氣象、國防、水利、環(huán)保、安全保衛、定時(shí)等。

自1994年美國全球定位系統(GPS)全部建成并投入運行以來(lái)。這一技術(shù)在短短的四年中，發(fā)展極為迅速。各種檔次和型號的接收機應運而生，并投放市場(chǎng)。 GPS的應用也進(jìn)入與定位有關(guān)的領(lǐng)域，獲得了巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。我國從20世紀80年代起開(kāi)始引進(jìn)GPS接收機及其技術(shù)，目前GPS在我國也得到了全面廣泛地應用。 GPS全部建成以后，它將晝夜不停地發(fā)送導航定位信息，在地球的任何地方和任何時(shí)間實(shí)現定位，其中最重要的設備就是用戶(hù)接收機。GPS接收機是被動(dòng)式全天候系統，只收不發(fā)信號，故不受衛星系統和地面控制系統的控制，用戶(hù)數量也不受限制。GPS接收可以按照不同的要求進(jìn)行分類(lèi)，但總體來(lái)說(shuō)分兩大類(lèi)：導航型和測地型。 導航型接收機結構簡(jiǎn)單、體積小、精度低、耗電省、價(jià)格便宜。一般采用單頻C/A碼偽碼接收技術(shù)，定位精度幾十米，常用于航空、航海和陸地的實(shí)時(shí)導航中。

1 iTrax02 GPS接收機的性能特點(diǎn)

iTrax02 GPS接收機模塊是芬蘭FastraX公司生產(chǎn) 的超低功耗、極小體積的接收機模塊。它適宜于便攜式、手提式設備，只要求簡(jiǎn)單的外圍電路，占用空間小，工件時(shí)間長(cháng)。iTrax02 GPS接收機模塊的內部結構框圖如圖1所示。其主要性能特點(diǎn)如下： *極小的PCB封裝體積(26mm%26;#215;26mm%26;#215;4.7mm，包括射頻部分和模塊系統對外接口); *超低功率損耗，在連續工作狀態(tài)下100mW@2.7V; *12信道并行接收機; *集成了20針QLP封裝的射頻前端芯片UN8021和144針BGA封裝的基帶處理芯片NU8031; *0.35Ucmos技術(shù)的標準ASIS(Application Specific Integrated System)結構; *極快信號獲取的專(zhuān)門(mén)搜索引擎; 圖3 *獨有的、超低功耗、32MIPS、集成的16位DSP核; *實(shí)時(shí)操作系統控制(VSDSP RTOS)下類(lèi)似于RISC的應用編程; *通用小型系統連接器(包括射頻和I/O口); *片上存儲器(X/Y數據和程序SRAM); *低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘; *16位通用輸入輸出口(GPIO)，2個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)，擁有SPI總線(xiàn)接口; *雙脈沖檢測輸入。 iTrax02接收模塊共有40個(gè)引腳。

2 iTrax02 GPS接收機的接口信號

2.1 SPI接口 對iTrax02 GPS接收機來(lái)說(shuō)，提供的SPI接口主要用于兩個(gè)目的：①可用于通過(guò)外部的EEPROM來(lái)啟動(dòng)接收機;②控制射頻前端芯片uN8021。對iTrax02 來(lái)說(shuō)，基帶處理芯片uN8031永遠是主設備，而其它有SPI接口的設備永遠是從設備。 當通過(guò)外部的EEPROM來(lái)啟動(dòng)接收機時(shí)，實(shí)際數據或命令的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。 2.2 UART接口 iTrax02接收芯片帶有2個(gè)UART接口，這2個(gè)接口支持不同的協(xié)議，均可用于串行通信。UART0口支持FastraX公司自行開(kāi)發(fā)的iTALK協(xié)議，數據率是115.2kbps;UART1口支持通用的無(wú)線(xiàn)電NMEA協(xié)議，數據率是4.8kbps。iTrax02接收芯片是早期版本支持iTALK 協(xié)議，新的版本統一改為支持NMEA協(xié)議。 2.3 GPIO接口信號

與外部接口有一個(gè)16bit的GPIO口可用，每一個(gè)GPIO信號都可以編程產(chǎn)生中斷。一些GPIO接口信號是iTrax02 GPS接收機內部保留信號引腳，GPIO14和GPIO15內部保留用于啟動(dòng)方式的選擇。 iTrax02 GPS接收機缺省啟動(dòng)方式是從內部的Flash啟動(dòng)，其它的啟動(dòng)方式可以通過(guò)對外部的相應配置來(lái)選擇。GPIO13保留，用來(lái)控制內部LNA的開(kāi)啟;GPIO12保留，用來(lái)控制內部Flash的開(kāi)啟，GPIO11保留，用來(lái)接收外部的喚醒信號。引腳電平由1到0或由0到1來(lái)作為喚醒命令。

3 iTrax02 GPS接收機的應用電路

要使iTrax02 GPS模塊正常工作，外部天線(xiàn)、Reset及供電電路也是必不可少的。而其天線(xiàn)的接入和與外圍相關(guān)引腳的連接如圖3所示。請注意：無(wú)源天線(xiàn)和有源天線(xiàn)只接其中之一即可。

3.1 供電設置 對iTrax02芯片來(lái)說(shuō)，為讓接收達到最后的結果，對射頻部分和基帶部分要分開(kāi)供電，圖4是供電部分的參考電路。DC-DC電源片用的是TI公司的TPS77127DGK和TPS77027，這2個(gè)電源片均可將5V轉換為穩定的2.7V，滿(mǎn)足iTrax02的低軾耗要求。在這里，用PS77127DGK還有一個(gè)好處就是可以提供RESET信號。此RESET信號和電源上電之間最少有200ms的延遲，可以完全滿(mǎn)足iTrax02 GPS接收機對復位信號的要求，這樣就大大簡(jiǎn)化了電路。有關(guān)TPS77127DGK和TPS77027更詳細的介紹可參閱其詳細的資料。

3.2 典型應用 硬件連接框圖如圖5所示。上電復位后，iTrax02 GPS接收機開(kāi)始正常工作，通過(guò)UART0發(fā)數據。PDA接收到數據后，根據iTALK協(xié)議將有用數據解析出來(lái)，獲取定位信息。 3.3 設計要點(diǎn) 在設計PCB板時(shí)，要考慮到接收模塊和天線(xiàn)之間的阻抗匹配問(wèn)題，PCB板上，推薦在無(wú)源天線(xiàn)和接口之間接一個(gè)50Ω的PCB帶狀線(xiàn)，其連接方式如圖6所示。

這個(gè)50Ω帶狀線(xiàn)的寬度依靠PCB板的材料和厚度而定，以FR4板材(約1.5GHz)而言，

帶狀線(xiàn)的寬度應是板厚的2倍。如板厚是0.8mm，那么帶狀線(xiàn)的寬度應是1.6mm，依此類(lèi)推，如圖7所示。 ITrax02 GPS接收機還可以在38腳V_ANTENNA外接有源天線(xiàn)，有源天線(xiàn)的電壓依所用的天線(xiàn)類(lèi)型而定，而供應電流最大不能超過(guò)100mA。 4 軟件實(shí)現方法 我們所用的手持式PDA是聯(lián)想公司的XP天璣100，它所采用的操作系統是Windows CE。Windows CE是32位的多線(xiàn)程操作系統，具有能夠使用各種設備的開(kāi)放性體系。它整體緊湊，在小內存的情況下可提高性能，并具有伸縮性，能夠支持未來(lái)的嵌入式移動(dòng)或多媒體產(chǎn)品的開(kāi)展潮流。它是微軟公司的新成員，是基于掌上型電腦類(lèi)電子設備的操作系統。它是一個(gè)搶先式多任務(wù)并具有強大通信能力的嵌入式操作系統。 iTrax02接收模塊可以支持兩種協(xié)議，在Windows CE的軟件平臺上開(kāi)發(fā)支持iTALK協(xié)議(或NMEA協(xié)議)。軟件的基本流程如圖8所示。 結語(yǔ) 本系統在我們開(kāi)發(fā)的車(chē)載導航系統中得到了應用，有效解決了功耗問(wèn)題，操作方便，定位及時(shí)準確，所占空間小，效果良好。