摘 要: 介紹了一種基于ARM微處理器的GPS接收機的設(shè)計方案.該GPS接收機采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片作為接收機的射頻前端,內(nèi)嵌ARM7核的ATR0620芯片作為接收機的數(shù)字基帶處理器, 并闡述了外圍擴展電路及軟件設(shè)計。該GPS接收機具有體積小、功耗低、性能高的特點。
關(guān)鍵詞: GPS接收機；ATR0600芯片；ARM技術(shù)；ATR0620芯片
Design and implementation of a GPS Receiver Based on ARM
ZHANG Qing-miao1,LIU Yong-hong2
(1.No.16 Brigade of Graduate, Air Defense Force Command Academy, Zhengzhou 450052; 2. Dept. of Scientific Research, Air Defense Forces Command Academy, Zhengzhou 450052)
Abstract: This paper introduces the structure and design of the GPS receiver．
Taking ATR0600(made by Atmel) as its front—end and ATR0620 with an ARM7 as its microprocessor，GPS receiver is small in size and consumes less，which reduces the bottle—neck effect bound to other processor．
Key words: GPS receiver；ATR0600；ARM；ATR0620
0 引言
全球定位系統(tǒng)(GPS)作為一種成熟的導(dǎo)航定位技術(shù),以其全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及所獨具的定位導(dǎo)航、授時授頻、精密測量等多方面的強大功能，使其用途越來越廣泛。傳統(tǒng)的使用8位單片機設(shè)計的GPS接收機，在數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)性能提升以及功能擴展等方面存在較大的不足。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，以ARM為代表的32位微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點，在現(xiàn)實中獲得了廣泛的應(yīng)用。
本文介紹了一種GPS接收機的整體設(shè)計方案,該方案采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作為接收機的射頻前端，內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機的數(shù)字基帶處理器。該方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特點。
1 GPS接收機的基本組成
GPS接收機的主要任務(wù)是跟蹤可見GPS衛(wèi)星，對接收到的衛(wèi)星無線電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后獲得定位所需的測量值和導(dǎo)航信息，最后完成對用戶的定位運算和可能的導(dǎo)航任務(wù)。GPS接收機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿其工作流程的先后順序，通常分為射頻（RF）前端處理、基帶數(shù)字信號處理（DSP）和定位導(dǎo)航運算三大功能模塊。其基本組成如圖1所示：
2 GPS接收機的硬件設(shè)計
衛(wèi)星信號由天線接收,直接進入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號。中頻信號經(jīng)采樣信號采樣、量化后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號。數(shù)字中頻信號進入基帶數(shù)字處理器，基帶數(shù)字處理器完成衛(wèi)星信號的處理后，解調(diào)出導(dǎo)航電文，進行相應(yīng)的處理后給出所需的定位信息或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。
2.1 接收天線
接收天線是GPS接收機處理衛(wèi)星信號的首個器件,它將接收到的GPS衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號,以供接收機射頻前端攝取與處理。因為GPS接收機賴以定位的信息基本上全部來自于天線接收到的GPS衛(wèi)星信號，所以接收天線的性能直接影響著整個接收機的定位性能，它對接收機所起的作用與貢獻絕對不容忽視。
對GPS接收機天線的主要技術(shù)要求是：接收頻率為1575.42MHz的L1信號；為了與接收到的GPS衛(wèi)星信號的極化方式相匹配，從而提高接收效率，接收天線以右旋圓極化的方式工作；強度微弱的GPS衛(wèi)星信號應(yīng)當盡可能地先在緊靠天線的一端得到功率放大，以改善整個接收系統(tǒng)的噪聲性能，接收機采用內(nèi)置低噪聲放大器（LAN）的有源天線；電線饋線的阻抗為50 。綜上所述，本文采用靈敏度高的豎直形狀的四螺旋天線，且在工作時將天線采用外置的形式。
2.2 基于ATR0600的射頻前端電路設(shè)計
射頻(RF)前端模塊位于接收機天線與基帶數(shù)字信號處理模塊之間,它通過天線接收所有可見GPS衛(wèi)星信號,經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后,再與本機振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號進行混頻而下變頻成中頻(IF)信號,最后經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將中頻信號離散成包含GPS信號成分的、頻率較低的數(shù)字中頻信號，并在此過程中進行必要的濾波和增益控制。
本設(shè)計中射頻前端主要由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片及外圍濾波電路構(gòu)成，它是一個GPS接收機射頻前端IC芯片，采用單IF結(jié)構(gòu)，芯片上包含有混頻器、IF放大器、2bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集成度，很小的功耗（約50w）。
ATR0600通過外部的天線接收1575.42MHz的L1 GPS信號，經(jīng)過低噪聲放大器LNA進行第1級濾波、放大后，被外部SAW濾波器進行鏡像抑制和對1800MHz GSM頻帶信號進行隔離。該信號與基準頻率為23.104 MHz的本振信號進行混頻,混頻器將GPS信號下變頻到97.76MHz中頻。混頻后，該信號經(jīng)過LC帶通濾波器和可變益放大器（VGA），與片上集成的中頻帶通濾波器組合，完成對GSM干擾信號的濾波。VGA輸出驅(qū)動集成的1.5bitA/D轉(zhuǎn)換器，將中頻信號轉(zhuǎn)化成4.35MHz的數(shù)字中頻信號。
ATR0600的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其電路應(yīng)用形式如圖2所示:
2.3 基于ATR0620的基帶處理器電路
基帶數(shù)字信號處理模塊是GPS接收機的核心部分,它通過處理射頻前端所輸出的數(shù)字中頻信號,復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號,從而實現(xiàn)對GPS信號的捕獲與跟蹤,并且從中獲得GPS偽距和載波相位等測量值以及解調(diào)出導(dǎo)航電文。
基帶數(shù)字信號處理模塊通常是硬件與軟件相結(jié)合的有機體，其中載波解調(diào)和C/A碼解擴通常是由ASIC硬件形式的數(shù)字信號處理器來完成的，而在微處理器中運行的跟蹤環(huán)路控制軟件通過計算來調(diào)節(jié)數(shù)字信號處理器的各種操作。由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0620芯片包含有一個基于ARM7TDMI處理核的16通道相關(guān)器，它具有高性能的32bit RISC結(jié)構(gòu)，使用16bit指令系統(tǒng)，能利用ARM7TDMI微控制器核與片上RAM,完成GPS16通道相關(guān)器和外圍設(shè)備接口功能；利用芯片內(nèi)部大量的功能寄存器可以滿足實時控制應(yīng)用。
ATR0620外部接口及與ATR0600的信號連接如圖3所示。
2.4 GPS接收機的電路設(shè)計
ATR0600射頻前端為ATR0620提供衛(wèi)星信號,主時鐘信號和其它一些控制信號,而ATR0620為ATR0600提供采樣信號。圖4為利用ATR0600和ATR0620芯片設(shè)計的GPS接收機方框圖。
2.5 存儲模塊及通信接口
選用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C1041，由片選信號NSCS[I]選通來擴展SRAM，容量為4 Mb。FLASH則選用ST公司的4Mb容量的SST39VF400芯片，由片選信號NSCS[0]選通。
接收機中設(shè)計了兩種通信接口：一種是JTAG調(diào)試接口，連接JTAG仿真器進行開發(fā)調(diào)試，下載用戶程序；另一種是RS232通信串口，用于與主機通信。其中JTAG調(diào)試電路連接如圖5所示。
3 GPS接收機的軟件設(shè)計
GPS的用戶設(shè)備主要由接收機硬件和處理軟件組成。用戶通過用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終達到利用GPS進行導(dǎo)航和定位的目的。GPS接收機軟件的結(jié)構(gòu)如圖6所示。程序包含兩部分：匯編語言程序部分(用于引導(dǎo)和系統(tǒng)初始化)和C語言應(yīng)用程序(用于主要的導(dǎo)航定位計算)。軟件整體采用并行任務(wù)結(jié)構(gòu)，由相關(guān)器產(chǎn)生的累加數(shù)據(jù)IRQ中斷信號進行任務(wù)切換的驅(qū)動，在中斷服務(wù)程序中更新偽碼、載波和數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路。
GPS接收機的應(yīng)用軟件根據(jù)不同的用途而不同，主要包括：數(shù)據(jù)采集與分析、衛(wèi)星位置計算、時間推算、差分定位和動態(tài)定位等程序。本設(shè)計的GPS接收機上的程序主要在ARM— CLinux交叉編譯環(huán)境下用C語言進行編寫，通過ARM7 JTAG接口連接JAG仿真器進行調(diào)試和移植。
4 結(jié)束語
本設(shè)計的GPS接收機采用內(nèi)嵌ARM7核的GP4020芯片作為接收機的數(shù)字基帶處理器，通過實驗調(diào)試，消除了以往微處理器的瓶頸效應(yīng)，具有體積小、功耗低、性能高的特點。實驗PCB板尺寸：75 mmх50 mm xl2 mm；通道數(shù)：16；功耗：小于0.1 W；首次定位時間：小于41 s(冷啟動)，小于2.5s(熱啟動)；定位精度:3 m。
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作者簡介：
張青苗 （1985-），男，防空兵指揮學(xué)院在讀碩士研究生，
研究方向：防空兵技術(shù)裝備作戰(zhàn)運用
手機：15038318112 張青苗
E-mail: zhangqingmiaocom@sina.com.cn
通訊地址：河南省鄭州市防空兵指揮學(xué)院研究生16隊 郵編：450052
劉永鴻 （1963-），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為防空兵火控系統(tǒng)設(shè)計。