（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm9的gps定位软件设计.pdf

摘要 摘要 汽车是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，据统计，目前 我国汽车保有量达到3 2 0 0 万辆，预计到2 0 1 0 年，汽车保有量将达到5 5 6 0 万辆。 然而目前使用车载g p s 接收机进行自主定位的车辆相对来说还比较少。因此车辆 导航将成为未来几年中全球卫星定位系统应用的最大的潜在市场之一。 本课题设计开发一个使用w i n d o w sc e 操作系统的基于a r m 9 的嵌入式g p s 导 航定位系统，分为3 个部分：硬件平台的开发设计、g p s 定位软件的设计、数字 娱乐功能的开发。本文的主要任务是g p s 定位软件的设计，已经顺利完成以下几 部分的内容： 1 w i n d o w sc e 操作系统的移植：本系统选用的是w i n c e4 2 操作系统。 2 软件开发平台的构建：采用的是e m b e d d e dv i s u a lc + + ( e v c ) 开发软件， 除了安装开发工具以外，还要按照一定规则安装一系列开发工具，以保证软件开 发、调试的顺利进行。 3 g p s 模块与开发板的串口通讯和g p s 模块供电电路设计。 4 使用m f c 库的g p s 模块与嵌入式系统的串口通讯编程：由于g p s 模块通 过串口发送它接收到的一系列地理信息，于是选择使用e v c 编写串口通讯程序， 通过串口a p i 编程完成对串口通讯的控制和数据的接收。 5 处理g p s 接收到的信息和实时显示定位信息的程序设计( 使用m f c 库) ： 同样使用e v c 的m f c 库编写处理信息的程序，并以数字和图形信息格式在用户界 面上显示地理信息。 6 使用标准c 接口的g p s 定位软件的设计：同样使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 编写一个使用标准c 接口的具有图形界面的g p s 定位软件，由于该软件不使用 m f c 库，所以它具有更好的可移植性。该软件的主要功能也包括g p s 模块与嵌入 式系统的串口通讯、g p s 接收到的信息的处理、定位信息的实时显示等部分。 7 对程序进行断点调试和在开发板上的调试，程序能正常运行，功能能达到 了预期目标。 关键词： e m b e d d e dv is u a lc + + ；g p s ；定位软件 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，a u t o m o b i l e sa c ta so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tv e h i c l e si ns o c i e t y a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h e r ea r e3 2 ，0 0 0 ，0 0 0c a r si nc h i n a , a n dt h en u m b e rw i l lr e a c h 5 5 ，6 0 0 ，0 0 0i n2 0 10 b u tt h en u m b e ro fc a r sw h i c hu s eg p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m ) f o rn a v i g a t i o ni s s t i l lr a t h e rl o w t h e r e f o r e ，t h en a v i g a t i o nf o rc a r sw i l l b e c o m eo n eo f t h e b i g g e s tp o t e n t i a lm a r k e t sf o rg p s t h i ss u b j e c td e s i g n sa l le m b e d d e dg p so r i e n t a t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e do n a r m9a n du s e dw i n d o w sc ea so p e r a t i n g s y s t e m t h i ss u b j e c ti sd i v i d e di n t ot h r e e p a r t s ：t h ed e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h ed e s i g no fg p so r i e n t a t i o ns o f t w a r e ，t h e d e s i g no fd i g i t a le n t e r t a i n m e n t t h i sp a p e r sm a i nt a s ki st od e s i g nag p so r i e n t a t i o n s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s ： 1 t h et r a n s p l a n t a t i o no fw i n d o w sc e ：w i n c e4 2 i ss e l e c t e di nt h i s p a p e r , t r a n s p l a n t i n gw i n c e t ot h ep l a t f o r mi sn e e d e d 2 c o n s t r u c tap l a t f o r mf o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ：s e l e c te v c ( e m b e d d e dv i s u a l c + + ) a sc o m p l i e rt od e v e l o ps o f t w a r e b e s i d e s i n s t a l l i n ge v c ，i n s t a l ls e v e r a l d e v e l o p m e n tt o o l si nap a r t i c u l a ro r d e rt oi n s u r et h a tt h es o f t w a r e sd e s i g na n d d e b u g g i n gc a nb ec a r r i e do u ts m o o t h l y 3 t h eh a r d w a r e d e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng p sm o d u l ea n d p l a t f o r m ，a n dt h eh a r d w a r ed e s i g no fp o w e rs u p p l yf o rg p sm o d u l e 4 t h es o f t w a r ed e s i g nf o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng p sm o d u l ea n d p l a t f o r m ( u s i n gm f c ) ：g p sm o d u l eu s e ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nt os e n dg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n ，t h e r e f o r eu s ee v ct od e s i g nas e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，a n dc o n t r o l s e r i a lp o r tb yu s i n gs e r i a la p i 5 t h es o f t w a r ed e s i g nf o rp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o nr e c e i v e df r o mg p s m o d u l e ，a n d d i s p l a y i n gr e a l - t i m eo r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o nb yu s i n gm f c ：u s ee v ct od e s i g na i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp r o g r a m ，a n dd i s p l a yo r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o ni nb o t hn u m e r i c a n dg r a p h i cf o r m a t 6 t h es o f t w a r ed e s i g nf o rg p so r i e n t a t i o np r o g r a m ( u s i n gs t a n d a r dc i n t e r f a c e ) ： u s ee v ct od e s i g nag p so r i e n t a t i o ns o f t w a r ew i t hg r a p h i c a l i n t e r f a c e a st h i sp r o g r a mu s e ss t a n d a r dci n t e r f a c er a t h e rt h a nm f c ，t h i sm a k e s t h ep r o g r a mm o r et r a n s p l a n t a b l e i t sm a i nf u n c t i o ni n c l u d e ：t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n 基于a r m 9 的g p s 定位软件设计 b e t w e e ng p sm o d u l ea n de m b e d d e ds y s t e m ，t h e p r o c e s s i n g o f g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o nr e c e i v e df r o mg p sm o d u l e ，t h e d i s p l a yo fr e a l - t i m e o r i e n t a t i o n i n f o r m a t i o n 7 b r e a k p o i n td e b u g g i n gt h ep r o g r a ma n dd e b u gt h ep r o g r a mi np l a t f o r mt om a k e s u r et h a tt h ep r o g r a mc a no p e r a t er e g u l a r l ya n da c h i e v ef u n c t i o ne x p e c t a b l y k e yw o r d s ：e m b e d d e dv i s u a lc + + ；g p s ；o r i e n t a t i o ns o f t w a r e 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：邛磊嘉 砂瞬厂月7 e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 乃 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：少旷旷缉厂月7 日 日期：纱捭 月哆日 形修 帐 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍课题的来源、研究目的和意义，并简要地介绍课题的主要研究 工作。 1 1 课题来源 本课题是和企业合作的横向课题，自主研发一个嵌入式g p s 定位导航系统， 该系统的主机部分使用的是基于s 3 c 2 4 4 0 a 芯片的开发平台y l s b c 2 4 4 0 ，人机交 互使用触摸屏，g p s 模块采用的是上海丽浪的g p s 模块r 3 6 。在软件部分，本系 统使用的是w i n c e4 2 嵌入式操作系统，并使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 作为g p s 定位软件的开发工具，这是一款由m i c r o s o f t 开发的针对嵌入式设备的开发软 件。 1 2g p s 导航定位系统的发展现状n 悯 卫星导航定位系统的应用产品主要以美国的全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，缩写g p s ) 和俄罗斯的全球导航卫星系统( g l o n a s s ) 为代表。 全球定位系统( g p s ) 具有全天候、高精度和自动测量的特点，是迄今为止最 好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用 领域正在不断地开拓。现在，人们越来越意识到g p s 作用的重大。g p s 的应用领 域很广泛，除军事应用外，它已被广泛应用于航天、航空、航海、测量、勘探等 诸多领域，随着g p s 接收机价格的不断下降和其性能的不断提高，g p s 系统的应 用越来越普遍。如今g p s 系统也应用到各种嵌入式便携式仪器中，如智能手机等 消费产品，可以说g p s 系统已经逐步进入人们的日常生活。 1 3 课题的研究意义 作为当今国际公认的八大无线产业之一的卫星导航应用，其近几年来向消费 市场发展的强劲势头表明，以g p s 为代表的卫星导航应用产品，由于g p s 技术所 基于a r m 9 的g p s 定位软件设计 具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力， 已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。g p s 技术已经 发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。 随着硬件的发展，嵌入式系统的处理能力已经上了一个台阶，一个嵌入式系 统可以处理多种数据、运行各种对硬件要求高的软件。同时，随着全球范围内的 通信、定位导航和计算机技术的不断融合，而且单一的定位导航功能已经不能够 引起消费者的关注，越来越多的g p s 接收机被嵌入到各种消费类电子产品中，如 手机、p d a 等。各种嵌入式g p s 设备除了定位导航功能之外，还有通话、数字娱 乐等功能。本系统除了g p s 定位导航系统之外，还集成了数字娱乐功能等。 g p s 定位导航系统是一种典型的嵌入式系统。本系统采用的是基于a r m9 的 嵌入式开发平台。a r m9 广泛地应用于数字媒体服务器、遥控系统、机顶盒、p o s 终端、工业控制系统、g p s 导航定位设备等领域。可以说基于a r m 系列c p u 的嵌 入式系统是学习嵌入式系统的一个很好的平台。 而且，由于本系统选用的硬件平台提供丰富的硬件接口，还有很多功能尚待 开发，该系统还有潜力尚待发掘；选用的w i n c e 操作系统，是m i c r o s o f t 为嵌入 式系统开发的3 2 位多任务多线程操作系统，它具有w i n d o w s 的g u i 、可r o m 化 整合电源管理标准的通讯协议，为软件开发提供了一个很好的平台。 由于本课题是作为本实验室a r m9 + w i n c e 的嵌入式系统的前期研究，有很多 以前没有遇到过的问题需要解决，在本论文中，先解决该平台研究的前期准备工 作和g p s 定位软件初步编写，更进一步的g p s 软件的导航功能和地图的导入还有 待后期的研究。 1 4 本课题的主要研究工作 1 w i n c e 操作系统的移植 在对w i n c e4 2 进行剪裁、选取需要的功能之后，将它移植到开发板上，为 开发环境提供一个图形化界面。w i n c e 是基于w i n 3 2a p i 重新开发的平台，它拥 有w i n 3 2 的应用程序接口，包含了w i n 3 2 的子集，也就是说w i n c e 无法实现 w i n d o w sn t 支持的全部函数。 2 软件开发平台的构建 2 第一章绪论 本课题采用的是e m b e d d e dv i s u a lc + + 开发软件，它是一款m i c r o s o f t 为嵌 入式系统开发的软件。除了安装开发工具以外，还要按照一定规则安装一系列开 发工具，以保证软件开发、调试的顺利进行。 3 g p s 模块与开发板的串口通讯和g p s 模块供电电路设计 由于该g p s 模块使用的是t t l 电平，而开发板上的串行接口使用的是e i a 电 平，所以需要进行电平转换。同时需要为该g p s 模块进行供电。 4 g p s 定位软件的设计( 使用m f c 库) 本课题使用e m b e d d e dv i s u a lc 抖( e v c ) 编写一个具有图形界面的g p s 定位 软件，使用m f c ( m i c r o s o f tf u n d a t i o nc l a s s e s ) 库，在e v c 中，大多数m f c 和 v i s u a lc + + 一样，其中有一些做了改动。 本程序的主要功能为：通过串口接收g p s 模块传来的信息，对信息进行处理， 并在在用户界面中显示实时的经纬度、时间、速度等信息，同时每隔一段时间， 对定位的窗口进行重绘，在用户不断接近目的地的过程中，不断放大路线图。 本系统使用的g p s 模块使用串口与主机进行通信。由于在e v c 的串口编程中， 不支持串口控件m s c o m m ，于是只能采用串口a p i 编程对串口通讯进行控制。该 g p s 定位软件的功能主要包括g p s 模块与嵌入式系统的串口通讯、g p s 接收到的 信息的处理、定位信息的实时显示等部分。 w i n c e 是基于w i n 3 2a p i 重新开发的平台，它拥有w i n 3 2 的应用程序接口， 包含了w i n 3 2 的子集，也就是说w i n c e 无法实现w i n d o w sn t 支持的全部函数。 由于w i n c e 不支持异步串口通讯、支持的字符集是u n i c o d e 码，而现今主流的 g p s 模块几乎都是使用异步串行通讯的方式来进行通讯、传输协议使用的字符集 是a s c i i 码。同时在编程中要注意e v c 与桌面软件编程不同的地方，比如：有些 w i n 3 2 提供的函数在w i n d o w sc e 函数库中完全不支持，或者w i n c e 会将一些函 数进行一些捆绑，构建一个新的a p i ；在w i n d o w sc e 中的w i n 3 2 函数多了一些 对参数的限制，如减少了参数个数或缩小了参数的可选范围。需要注意处理包括 以上两点在内的w i n c e 与桌面操作系统的不同点，才能保证g p s 定位软件在该嵌 入式平台上正常运行。 程序分为以下几个部分： ( 1 ) 串口设置对话框，以及目的地输入对话框设计； ( 2 ) 串口控制程序，控制串口的参数设置、打开、接收等； 3 基于a r m 9 的g p s 定位软件设计 ( 3 ) 对g p s 传来的信息进行分析处理：从一系列的g p s 信息中提取r m c 格式 的信息，并进行分析处理，并提取其中的经纬度信息、时间信息等； ( 4 ) 定位功能的实现：以数字和图形信息格式在用户界面上显示地理信息； 5 g p s 定位软件的设计( 使用标准c 接口) 同样使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 编写一个使用标准c 接口的具有图形界面的 g p s 定位软件，由于该软件不使用m f c 库，所以它具有更好的可移植性。该软件 的主要功能也包括g p s 模块与嵌入式系统的串口通讯、g p s 接收到的信息的处理、 定位信息的实时显示等部分。 6 程序的调试 为了测试程序的功能是否能够达到预期目标，需要对程序重点段落进行断点 调试，以保证程序代码的正确度。同时也需要在开发板上运行程序，测试程序是 否能在开发板上正常运行。 4 第二章6 h 定位系统和开发楹简介 第二章g p s 定位系统和开发板简介 本章介绍了g p s 系统的构成、原理等。山于本g p s 定位程序在现阶段主要是 在优龙公司丌发的a r m9 开发板y l s b c 2 4 4 0 上进行调试，所以在本章中也简要地 介绍了该开发板的一些主要硬件资源。 21g p s 定位系统的构成跚 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 是由美国政府历经2 0 多年，耗资1 2 0 亿美金f i 实旌的一项庞大的宇宙及航天t 程。该系统可咀在全球 范围内全天候地为地面目标提供信息，从而确定该目标在地面上的精确位置、速 度、运行方同等参数。 g p s 系统是美圈第一代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发 展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统 由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。 太空部分山2 l 颗卫星和3 颗各份卫星组成，卫星均匀分布在20 2 万k m 高 的6 个轨道平面上，其运行周期为i i 小时5 8 分钟，轨道倾角为5 5 ，使用的 坐标系统为啊s8 4 ，可完全覆盖全球。 ：。t ， 图2l 全球定位系统 基于a r m 9 的g p s 定位软件设计 该系统的控制系统由1 个主控站、1 个上行数据传输站和4 个监控站组成， 其任务是保证卫星导航数据的质量。监控站设有g p s 用户接收机、原子钟、收集 当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得 卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。 用户系统的设备由天线、接收机、带有软件的数据处理设备和“控n 显示 装置组成。g p s 信号接收机的主要任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所 选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变 换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出 g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速 度和时间。在地面的g p s 用户通过同时接收4 颗以上卫星信号来计算出地面目标 的各种信息，包括经纬度、速度、运行方向时间等精确的信息。 2 2g p s 接收机的结构5 删 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完整的g p s 用户 设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机 来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接 收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天 线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。 g p s 接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机 内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内 电池自动充电。关机后，机内电池为r a m 存储器供电，以防止丢失数据。 2 3g p s 定位原理7 儿町 g p s 的定位是利用卫星基本三角定位原理，g p s 接收装置以测量无线电信号 的传输时间来测量距离，以距离来判断卫星在太空中的位置，这是一种高轨道与 精密定位的观测方法。卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收 到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间 信息。 假设卫星在1 l 。0 0 0 英里高处，测量我们的距离，首先以1 1 ，0 0 0 英里为半径， 6 第二章g p $ 定位系统和开发板简介 以此卫星为圆心画一圆，而我们位置正处于球面上。再假设第二颗卫星距离我们 1 2 ，0 0 0 英里，而我们正处于这二颗球所交集的圆周上。现在我们再以第三颗卫 星做精密定位，假设高度1 3 ，0 0 0 英里，我们即可进一步缩小范围n - - 点位置上， 但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点，因此，我们舍弃这 一点参考点，选择另一点为位置参考点。 如果要获得更精确的定位，则必定要再测量第四个颗卫星，从基本物理的 观念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得 的距离称为虚拟距离。 卫星 卫星2卫星3 图2 - 2g p s 定位原理 4 ( ) ( 卑，y 舢z 4 ) ( x t x ) 2 + ( y l - y ) 2 + ( zl z ) 2 1 7 2 + c ( v - v t o ) = d i ( x 2 一x ) 2 + ( y 2 - y ) 2 + ( z 2 一z ) 2 2 + c ( v , 2 - v 。o ) = d 2 ( x 3 一x ) 2 + ( y 3 一y ) 2 + ( z 3 一z ) 2 2 + c ( v 。3 - v 。) = d 3 ( x 4 - x ) 2 + ( y 4 - y ) 2 + ( z 4 一z ) 2 1 2 + c ( v - v 。o ) = d 4 上述四个方程式中待测点坐标x 、y 、z 和v t o 为未知参数，其中d i = c x t i ( i = 1 、2 、3 、4 ) 。 d i ( i = 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机之间的 距离。 7 基于a r m 9 的g p s 定位软件设计 t i ( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信号到达接 收机所经历的时间。 c 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 四个方程式中各个参数意义如下： x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 x i 、y i 、z i ( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空间直角坐标。 可由卫星导航电文求得。 v t i ( i = l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钟 差，由卫星星历提供。 v t o 为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差v t o 。 一般而言，g p s 卫星传送两种频率的载波l 1 ( l i n k1 ) 载波的频率为1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 ( l i n k2 ) 载波的频率为1 2 2 7 6 0 m h z 。 这两种载波可修正电离层迟滞效应的误差，在载波上除了状态讯息之外，并 调制了2 个供定时的伪乱码( p r c ) ： 1 c a 码( c o a r s ea c q u i s i t i o nc o d e ) ，频率为1 0 2 3 删z ，仅在l l 载波 上作调变，每1 0 2 3 位重复一次，以1m h z 的资料作调度，提供给一般民间使用。 但基于国家安全的考量，美国国防部刻意以无线电讯号干扰卫星上的原子钟，并 宣告一些不准确的轨道参数来造成定位误差。这即是所谓的s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 效应。 2 p 码( p r e c i s ec o d e ) ，频率为1 0 2 3 j i 皿- i z ，每七天重复一次可同时采用l 1 及l 2 载波变，主要提供军事用途p 码的频率大约是c a 码的1 0 倍不但更为精确， 也更不易被干扰，另外美国国防部增加了一种a s 码( a n t i s p o o f i n g ) ，以 将p 码加密之后转换成y 码，一般用户无法译码，因此必须加装译码器，才可 取得较高精度的观测量，况使用p ( y ) 码必须经过相关单位的核准，因此，这种 伪乱码大部份只提供军方来使用，现在美国也发展展频技术，将可防止各种讯号 的干扰。 8 第二章g p s 定位系统和开发板简介 2 4g p s 的应用 由于g p s 系统能够全天候提供高精度的地理信息，g p s 广泛地应用在测量、 交通、救援、农业等领域中：可以为船舶、汽车、飞机等运动物体提供定位导航； 为电力、邮电、通讯等网络的时间同步：提供各种地理信息的测量信息等。而且 随着g p s 接收机的小型化和成本的降低，g p s 也逐渐走进人们的日常生活，成为 人们旅游、探险的好助手，在消费产品中也越来越多的见到g p s 的产品。g p s 不 仅可以使人们在陌生的地方迅速地找到目的地，而且可以提供最优的路径。 g p s 应用目前最大的市场是车辆导航、消费产品和跟踪监控。光是在车辆导 航应用上，g p s 就具有定位导航、防盗和通讯功能。在发达国家g p s 的运用非常 普遍，基于卫星导航和美国的全球定位系统的汽车自导航产品市场已相当成熟， 国外相当数量的汽车将汽车导航产品作为汽车的标准配置，并且得到很好的应 用。以日本为例，装有导航系统的车辆保有量超过了8 0 0 万台，安装率高达5 9 。在2 0 0 0 年，汽车导航产品的产值就已经达到3 0 6 7 亿美元，约占卫星导航 产品总值的3 1 左右。 与日本的g p s 安装率相比，中国的g p s 安装还存在着巨大的市场缺口。巨大 的市场缺口带来了巨大的市场潜力，尤其是随着中国私人汽车的普及加速，对于 g p s 的消费需求开始呈直线式上升。保守估计，2 0 0 7 年国内g p s 销售有望突破 4 0 万套，增幅超过3 0 0 。 总的来说，g p s 系统为人们提供定位和导航的功能。本课题作为实验室对a r m 9 + w i n c e 的嵌入式系统的前期研究，主要致力于摸清该平台，并且设计出一个g p s 定位系统，为后期的开发( g p s 的导航功能的实现) 奠定基础。 2 5 开发板的介绍 在本系统中采用的是优龙公司开发的a r m9 开发板y l s b c 2 4 4 0 叫1 0 1 。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是1 9 8 5 年在英国剑桥成立的半导体设计 公司，它是一家知识产权( i p ) 供应商，本身不生产芯片，通过转让设计方案由合 作伙伴生产各具特色的芯片。常见的a r m 处理器，实际上是半导体公司基于a r m 的处理器核或处理器为核心，针对某一应用领域的再开发的芯片。a r m 9 作为一 9 基于a r m 9 的g p $ 定位软件设计 种嵌入式系统处理器，具有高性能、低功耗、低成本等优点，并占领了大部分市 场1 “。 在该开发板中，使用的a r m9 处理器是三星公司的s 3 c 2 4 4 0 a ，丰频为4 0 0 f i z 。 除此以外，该开发板还提供丰富的硬件接口和一个触摸屏，如图23 ，符台本g p s 定位导航系统的硬件需求。 j t a g 接口 l 机白话筲 蜂鸣薯 ；o 卡接口 图2 - 3 开发板接口瓷源图 y l s b c 2 4 4 0 开发板的主要硬件资源如表2l 。 本丌发板可以支持w i n c e 和l i n u x 两种嵌入式操作系统。 其他与本系统相关不大的资源略过在此处不作介绍。 其中该开发板自带了两个已经编译好的w i n c e42 和w i n c e5 0 操作系统镜 像可供移植，它们支持以下设各资源：s d 卡、触摸屏、u s bh o s t 、音频、以太 嘲驱动。 悯 蝴 口 搬 联 哺，朝鼢一 第二章g p s 定位系统和开发板简介 表2 - 1y l s b c 2 4 4 0 开发板的主要硬件资源 中央处理器三星$ 3 c 2 4 4 0 a ，主频4 0 0 m h z 外部存储器s d r a m ：6 4 m 字节 n a n df l a s h ：6 4 m 字节( k 9 f 1 2 0 8 ，用户可自己更换为1 6 m ， 3 2 m 或1 2 8 m 的n a n d f l a s h ) 网络接口一个i o m 网口，采用c s 8 9 0 0 q 3 ，带联接和传输指示灯 u s b 接口一个u s b l 1 h o s t 接口 一个u s b l 1 d e v i c e 接口 存储接口一个s d 卡接口，可接2 5 6 ms d 卡 一个i d e 接口，可直接挂接硬盘 l c d 和触摸屏接口板上集成了4 线电阻式触摸屏接口的相关电路 复位电路一个复位按键，并采用专用复位芯片进行复位 调试及下载接口一个2 0 芯m u l t i i c e 标准j t a g 接口 电源接口5 v 电源供电，带电源开关和指示灯 串口标准r s 2 3 2 串口 i i c 接口一片i i c 接口的e e p r o m ，2 4 c 0 2 1 1 基于a r m 9 的g p $ 定位软件设计 第三章g p s 模块选择和相关硬件电路设计 在本设计中选择的g p s 接收模块为上海丽浪公司生产的r 3 6 ，该模块使用串 口与开发板进行通讯。由于该模块使用的t t l 电平，为了将g p s 模块与开发板的 串口相连，需要设计一个t t l 与e i a 电平的转换电路。同时还要设计一个为g p s 模块供电的供电电路。 3 1g p s 模块选择“” g p s 模块包含完整的g p s 功能允许开发工程师进行快速系统集成，而无需 面对在开发过程中r f 和c p s 设计缺陷的麻烦。开发工程师只需要具备基本的r f 知识，指定天线类型并将天线设计到模块的链路上。模块采用表面贴装焊盘，可 适用于自动贴装和焊接流水线，因而对于中等和大批量生产项目来说是种很有 吸引力的选择。从备料角度来看，使用模块比聚购数量众多的元件更为容易，同 时，由于供应商已经对g p s 模块做过全面测试，因此只需要进行相对简单的产品 测试。 现在市场上g p s 模块主要分为两种，一种是g p s 天线外置，另一种是g p s 芯 片和g p s 天线集成在一起。 本系统采用上海丽浪的g p s 模块r 3 5 ，它已将天线集成在整个模块中。 图3 - ir 3 6 - g p s 模块 它采用s i r fs t a ri i ic h i p s e t 芯片组。s i r f 是一家开发和销售半导体设 备和软件产品的公司，是世界上主流的g p s 芯片开发商。定位精度小于1 0 m ， 超高灵敏度达1 5 9 d b m ，冷暖热启动时间4 2 3 8 i s 。内建锂电池，方便快速 定位，体积小巧：3 0 * 2 7 * 7 0 唧，内建被动式天线( 模块和天线台一) 。g p s r 3 6 在 第三章g p s 模块选择和相关硬件电路设计 窗口里面弱信号环境下，卫星仰角只有7 度，卫星讯号只有1 4 的信号强度都可 以准确快速定位。 r 3 6 采用n m e a0 1 8 3 通讯协议。n m e a ( n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 是一个非营利组织，它由制造业、经销商、教育机构以及其他致力 于发展海运外围电子设备的人员组成。而n m e a0 1 8 3 通讯协议为航运电子设备之 间的通讯，制定了一个电子接口和数据协议，它是面向航运电子设备的标准。n m e a 0 1 8 3 于1 9 8 3 年发布，最新的版本发布于2 0 0 1 年，在这期间，它一直在根据时 代的需要进行不断地修改，以适应技术的发展和客户的需求n 。 n m e a0 1 8 3 协议不仅适用于信息发送端，而且适用于接收端。它也适用于一 个发送端、数个接收端同时接收的回路。 它使用的是异步的串行通讯，其串行通讯的参数如下： 波特率： 9 6 0 0 数据位：8b i t ( 第7 位为o ) 停止位： 1 奇偶校验：无 握手：无 在n m e a0 1 8 3 协议中，所有的数据都是以句子的格式传输的，采用的是a s c i i 码。每个句子以“$ 开头，以回车键一c r ( c a r r i a g er e t u r n ) 和换行键一l f ( 1 i n e f e e d ) 结尾。各个信息由“， 隔开，若其中有的信息在传送中被疏漏了，则用“木 代替。所有的句子的基本格式为： $ t t s s s ，d l ，d 2 ， 在该g p s 模块所传送的信息中，该协议有以下几种描述方式： g g a ( t i m e ，p o s i t i o na nf i xt y p ed a t a ) g l l ( l a t i t u d e ，l o n g i t u d e ，u t ct i m e o fp o s i t i o nf i xa n ds t a t u s ) g s a ( g p sr e c e i v e ro p e r a t i n gm o d e ，s a t e l l i t e su s e di nt h ep o s i t i o n s o l u ti o n ，a n dd o pv a l u e s ) g s v ( t h en u m b e ro fg p ss a t e l l i t e si nv i e ws a t e l l i t ei dn u m b e r s ， e l e v a t i o n ，a z i m u t h ，a n ds n rv a l u e s ) r m c ( t i m e ，d a t e ，p o s itio n ，c o u r s ea n ds p e e dd a t a ) v t g ( c o u r s eo v e rg r o u n da n dg r o u n ds p e e d ) 1 3 基f a r m 9 的g p s 定位软件设计 以上几种格式的信息，在g p s 模块上电之后就源源不断地按照一定顺序通过 串口传到主机上，开发人员可以从上面几种格式的信息中选择一种符合需求的信 息，对它进行处理。 g p s 模块通过串与主机通讯，它使用的电平是t t l 电平，为了把它与开发 板相连，需要进行电平转换将它转换为e i a 电平。同时也需要对g p s 模块进行 供电。为此设计了一个简单的g p s 供电和电平转换的电路。 3 2g p s 模块与主机的串口通讯的硬件电路 在本设计中，采用的是r s2 3 2c ( 又称e i ar s2 3 2 c ) 串口接口。r s2 3 2c 接口是1 9 7 0 年由美国电子工业联合会( e i a ) 联合贝尔系统、调制调解器厂家及 计算机终端生产厂家麸同制定的接口，争名是“数据终端设备( d t e ) 和数据通 讯设各( d e e ) 之间串行一进制数据交换接口技术标准。在实现上，究竟卟设 各足届于d c e 还是d t e 已经没有明显的界限。 它适合与数据传输速率在o 2 0 0 0 0 b i t s 范围内的通讯。如今，它作为一种 标准，如今已在微机通信接口中广泛应用。它的电器特性为： 在t x d 和r x d 上： 逻辑l ( m a r k ) ： 3 v 1 5 v 。 逻辑0 ( s p a c e ) ：+ 3 v 。+ 1 5 v 。 在控制线p t s 、c t s 、o s r 、d t r 、d c d 上： 信号有效：+ 3 v 十1 5 v 。 信号无效：一3 v | 1 5 v 。 r s2 3 2c 通常使用两类接插器与外界相连，分别成为d b 9 和d b 2 5 。在本设 计中，采用的接插器为d b 9 一f e m ，如图3 2 。 j 誊r 、多 圈$ - 2d b g - f e u 第三章g p $ 模块选择和相戈件电路设# d b 一9 的引脚说明如表3l “” 表3 - 1 针脚说明 针号名称功能 ld c d数据载波检测 2r x d 接收数据 3t x d 发送数据 4d t r 数据终端准备 5g n d 信号地 6d s r 数据设备准备好 7r t s请求发送 8c t s清除发送 9r i 振铃指示 g p s 模块中的引脚说明血【| 图33 图33g p s 模块的管脚说明 基于a r m 9 的g p s 定位软件设计 在电路连接中，只需要用到v c c ，t x a ，r x a ，g n d 管脚。 在电平转换中使用的是m a x2 3 2 芯片，它可以实现e i a 电平和t t l 电平的转 换n 力。 图3 - 4 t x 2 3 2 芯片管脚说明 电平转换和g p s 模块供电电路如图3 - 5 n 羽： d b 9 - f e m 图3 - 5 电平转换和g p s 模块供电电路图 1 6 啪确讯“珏弘姗 第三章g p $ 模块选择和相关硬件电路设计 以下是实际焊接出来的实物圈。经过串口调试助手的铡试，该i 乜路可毗正常 黪螭惑。公 图3 - 6 焊接结果实物图 以f 足将该电路接到p c 机卜时，串口调试助手所接收到的部分信息( 由于 实验宜在室内，而且所在地信号不是很好，所以有些信息会显示为零) ： $ g p g s v ，3 ，2