（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的gps定位系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 g p s ( 全球定位系统) 是一种全方位的实时定位技术。随着g p s 技术的发展， 基于p c 机的导航定位系统由于其价格及功耗较高已不能满足社会发展的需要，脱 离p c 端的嵌入式导航定位技术迅速发展起来。如今以a r m 处理器作为主c p u 的嵌入式硬件平台，几乎已经成为信息产业的硬件标准。一方面，它具有体积小、 性能强、功耗低、可靠性高等特点；另一方面，它为高速、稳定地运行嵌入式操 作系统提供了硬件基础。因此由基于鲥u 订处理器的硬件平台和嵌入式操作系统构 成的嵌入式系统已经被广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制 等各种领域。本文就对基于a r m 的g p s 定位系统的开发进行了研究与实现。 本文主要对以下三个方面的技术进行了研究：一是对( 巾s 技术进行了介绍， 介绍了g p s 技术的发展、原理、特点、系统组成和定位方式；二是搭建基于删 的硬件平台；三是对w i n d o w sc e 操作系统的开发进行了详细的描述。 硬件平台设计以三星公司的a i t m 9 2 0 t 核的s 3 c 2 4 j 4 0 a 为微处理器，根据系统 要求完成s 3 c 2 “0 a 外围器件的设计，包括6 4 mn 心f l a s h 、6 u 4 m s d r a m 、s d 卡以及u s b 和串口通信的电路设计。而g p s 模块使用了g p s 2 5 l v s1 2 通道的g p s 接收机，并对g p s 与a r m 的通信接口和数据格式进行了描述。硬件系统设计采 用了冗余设计，为以后系统的升级提供了空间。 在嵌入式操作系统上，我们选择的是w i n d o w sc e 操作系统。详细介绍了平台 移植过程中b o o tl o a d e r 开发，0 a l 层修改，以串口、键盘和l c d 驱动为例介绍 了驱动程序的开发，并详细介绍了内核的定制过程。在应用程序开发中，介绍了 从p b 中导出s d k 的过程以及e v c 应用程序的调试。 关键字：g p sa r mw m d o w sc e 操作系统 a b s l r a c t a b s t r a c t g p s ( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) i sa no m i l i d i r e c t i o n a lr e a l t i m en a v i g a t i o ns y s t e m w i mm cd e v e l o p m e n to fg p ss l ( i l l s ，m eh i g hp r i c ea 1 1 dp o w e rc o n s 岫p t i o no fp c p o s i t i o n i n gs y s t e mc 肌n o tm e e tt h en e e d so fm es o c i a ld e v e l o p m e n t ；h e l l c et l l e e m l ) e d d e dp o s i t i o n i n gt e c l l i l o 】o g ) r s e p a r a t e df i 啪p cp o ni sd e v e l o p i n gr 印i d l y n o w a d a y s ，t h e 锄b e d d e dh a r d w a r ep l a t f b i l n 研t l la r mp r o c e s s o ra sm a i nc p u h 船 a l 如o s tb e c o i i l e 山eh a r d w a r cc r i t e r i o nf o rt h ei i l f o 衄a t i o ni 1 1 d u s 由阱t h e r e f o r e ，e m b e d d e s y s t e mc o m p o s e do f 删p f o c e s s o r - b a s e dh a r d 、怵p l 鲥o 咖a 1 1 de m b e d d e do p e r a t i o n s y s t 锄h 罄b e 吼埘d e l y1 1 s e di 1 1l l l ef i e l d so fn a t i o n a ld e f e r i s e ，c o n s u r n j n gc l e c 仃d i l i c s ， i n t e m e tc o m i l l u i l i c a b o n ，i d u 矧a lc o n t r o l 锄ds o0 t i l i st l l e s i si st os t i j d y 赳l dr e a l i z e t h ed e v e l o p m e n to f g p s p o s i t i o n i n gb a s e d o na r m 1 1 l i st 1 1 e s i si st om l d yt 1 1 ef o l l o 惭n gt i 玳et e c l l n o l o 百e s ：f i r s y ，l ei n n o d u c t i o nt 0 g p st e c l m o l o g y ，w 1 1 i c he x p l a i n st h ed “e l o p m e m ，埘n c i p l e s ，c h 眦t e r i s t i c s ，s y s t e m c o m p o n e n t sa n dp o s i t i o l l i n gm e a i l so f g p st e c h n o l o g y s e c o n d l y ，m eb u i i d i n go f 也e 1 1 a r d w a r ep l a t f o r i ni sb a s e do na r m n l 砷l y ，d e t a i l e dd e s c r i 埘o nt o l ed e v e l o p m e m o f w i n d o w sc eo p e r a 瞳i o ns y s t e m 1 1 1 eh a r d w a r ep l 舶m啪sa r m 9 2 0 t c o r e ds 3 c 2 4 4 0 a舶ms 锄s l l l l g c o r p o r a t i o n a sm i c r o p r o c e s s o r ，a n dc o m p l e t et h ed c s i 弘o f 删p h e r a ld e v i c e sa c c o r m n g t ot h es y s t e mr e q u i r 锄砒i n c l u d i n gt h e 如s 谫o f6 4 mn a n df l a s h 、6 4 m s d r a m 、 s dc a r d ，c o m m l l i 】i c a t i o nc i r c l l i tb e 佃e e nu s b a 1 1 ds 甜a lp o r t w eg p sm o d l l l eu s e s g p sr e c e p t i o l l i s to fg p s 2 5 l v s1 2p a s s a g e ，d e s c r i b e st h ec o 姗u 血c a t i o np o r t 甜l d s t a t i s t i cp a n e mo fg p sa l l d 删t h el l a r d w a r es y s t e md e s i 鲫i sar e d l l l l d a l l c yd e s i 驰 w 1 1 i c hp r o v i d e sr o o mf o rt 1 1 e 如t u r eu p g r a d i n g w i n d o w sc eo p e r a t i o n 掣s t e mi sc h o s e i lf 矗t h ee m b e d d e d 哪e r a t i o ns y s t e m t h i s t h e s i si j l t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fb o o tl o a d e rd u r i n gt 1 1 ep i a t f o 肿缸铷1 s p l 趾t ，t l l e m o d i f i c a t i o no fo a ll a y e r ，t h ed r i v e rd e v e l o p m e n tw i t l ls e r i a lp o n s ，k e y b o 删sa r l d l c dd r i v e r 硒e x 锄p l e s ，a 1 1 dm ed e 协i l e dc l l s t o m i z a 上i o np r o c c d u r eo ft h ec o r e d 晡n g t l l ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o np r o c e d u r e s ，m es d kd e r i v i i l gp r o c e d u r ef 如mp b 觚d 把d e b u g g i n go f e v ca p p l i c a t i o np r o c e 辩i si n 呐d u c e d ，t o o k 巧w o r d s ：g p sa r m w i d o w sc e o p e 憎t i o ns y s t e m 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本入承担一切的法律责任。 本人签名：衄日期0 新， 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期工- 村， 日期纽笠：乜耸 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 1 1 1 嵌入式技术 随着计算机和通信技术的快速发展，嵌入式系统己经广泛渗透到人们的工作、 生活中，从家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表到汽车、航天航空、 军事装备、制造工业、过程控制等。尤其是随着嵌入式系统与i n t e m e t 的日益结合， 使得嵌入式应用项目越来越多样化，嵌入式电子产品的功能也日益强大【l j l 2 j 。 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，是嵌入式 系统的核心。而删处理器具有高性能低功耗、低成本等显著优点，已成为高性 能、低功耗嵌入式微处理器的代名词，是目前3 2 位、6 4 位嵌入式处理器中应用最 为广泛的一个系列。而英国先进i u s c 机器公司( a d v a n c e dl u s cm a c h i n e s ) 作为 f ；l b l e s s 、c 1 1 i p l e s s 这一生产模式最为成功的典范，既不生产芯片，也不销售芯片， 而是设计出高效的p 内核，授权给各半导体公司使用；半导体公司在删技术的基 础上，根据自己公司的产品定位，添加自己的设计并推出芯片产品；最后由o e m 客户采用这些芯片来构建基于a r m 技术的最终应用系统产品。经过l o 多年的发展， a i t m 公司己是业界领先的碑供应商p j 。 a r m 微处理器得到了众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，全球己有l o 多 家公司在采用删技术，2 0 家最大的半导体厂商中有1 9 家是a r m 的用户，包括t i 、 p l l i l i d s 和i n t e l 等公司。优良的性能和准确的市场定位极大地丰富了a 蹦资源，加速 了基于删核的、面向各种应用系统芯片的开发应用，使得删获得了更广泛的 应用，确立了a r m 技术的市场领先地位。舢l m 在高性能嵌入式应用领域获得了巨 大的成功，己在3 2 位嵌入式应用中稳居世界第一。在2 0 0 2 年，基于a r m 核的芯片 占据了整个3 2 、6 4 位嵌入式微处理器市场的7 9 ，5 ，全世界已使用了2 0 多亿个a r m 核。如今，a r m 公司已经成为业界的龙头老大，“每个人口袋中都装着a r m ”是 毫不夸张的，因为几乎所有的手机、移动设备、p d a 都是用基于a r m 核的系统芯 片开发的。 嵌入式操作系统是支持嵌入式系统工作的操作系统软件，一般用于比较复杂 的嵌入式系统软件开发中【。嵌入式操作系统一般具有实时特点，是嵌入式系统的 灵魂，它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量， 而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。目前常见的嵌入式操作系统有l i n u x 、 u c ，0 s i i 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p a l m0 s 等。其中w i n d o w sc e n e t 是微软推 2 基于a i t m 的g p s 定位系统的研究与实现 出的一款面向嵌入式应用的操作系统，它继承了w i n d o w s 家族优秀的图形用户界 面，是一款多任务、模块化、实时性能好、通信能力强大且支持多种c p u 的操作 系统。w i n d o w sc e n e t 是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品等领域 设计开发的操作系统产品，己开始广泛应用于数码相机、智能手机、p d a 、工业 控制等嵌入式领域。 1 1 2 g p s 技术 自从1 9 7 8 年2 月2 2 日第一颗g p s 试验卫星进入轨道以来，2 7 年间g p s 已经显示 了它巨大的社会、军事作用与经济、社会效益1 5 】。g p s 卫星发射的导航、定位信号， 作为一种时空信息资源，可在全球范围内向无数用户提供位置、速度和时间信息。 g p s 是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统，空间部 分由2 4 颗卫星组成，主要是用于军用，现在己经渐渐转变为军民两用系统。随着 g p s 向民用开放，它所蕴藏的巨大商机也被发掘出来。g p s 不仅用于导弹、飞船的 导航定位，更是广泛用于飞机、汽车、船舶的导航定位，公安、银行、医疗、消 防等用它建立监控、报警、救援系统，企业用它建立现代物流管理系统，农业、 林业、环保、资源调查、物理勘探、电信等都离不开导航定位，特别是随着卫星 导航接收机的集成微型化，出现各种融通信、计算机、g p s 于一体的个人信息终端， 使卫星导航技术从专业应用走向大众应用，成为继通信、互联网之后的i t 第二个 新的增长点。 随着嵌入式系统的高度发展和g p s 应用的逐渐广泛，尤其是我国北斗导航系统 的使用，现在车载导航系统和手持导航设备的开发已经成为嵌入式系统发展的一 个热门方面。g p s 主要功能有定位、测量及授时等，而动态( 即瞬间) 定位是g p s 民用的主要功能，g p s 车载导航是民用最广泛的项目之一。g p s 车载导航系统包括： g p s 接收机、控制系统、软件系统及显示器等几部分。目前，车载导航系统在美国、 日本已经商品化，在我国也早已展开了很多的研究和设计。中国是个g p s 应用大国， 车载导航监控系统的研制具有广泛的实用价值和市场前景，但是从系统的技术水 平和产品的质量和成熟程度来说，我们还处在往上发展时期。目前，城市建设发 展速度越来越快，道路变得也越来越复杂，在这种情况下，随着汽车的日益普及， 找到一种方式，使人们能够从容的面对错综复杂的交通网，己经迫在眉睫。利用 g p s 进行车辆定位导航是个不错的选择。而传统的基于p c 构架的定位系统显然已 无法适应市场的需求，因此，研究和开发基于嵌入式系统的g p s 定位系统具有现实 意义。 1 2 本课题的主要任务 本课题主要讨论了一种基于a r m 微处理器的g p s 定位系统的研究与实现的方 第一章绪论 3 法。系统的主要功能是：建立g p s 接收机的硬件平台，以w i n d o w sc e 为嵌入式操 作系统，使其通过g p s 接收机接收来自g p s 定位卫星的定位信息，并将位置信息实 时的以坐标形式或者电子地图形式显示在l c d 上。 本文中主要论述了在以基于a 州核微处理器的嵌入式系统的g p s 定位系统的 设计中，对软硬件平台设计的过程，主要包括下面三部分内容： 1 对g p s 技术的组成和原理进行了研究 2 以s 3 c 2 4 4 0 为核心处理器，选择合适的存储器以及需要的各个接口设备等， 完成了的g p s 定位系统的硬件设计。 3 对嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的开发进行了分析，完成了w i n d o w sc e 操 作系统的b o o tl o a d e r 开发，底层o a l 的开发和驱动程序的开发，还包括对 w i n d o w sc e 操作系统内核的定制和应用程序的开发。 1 3 论文的组织 论文一共分为六章： 第一章为绪论，介绍了本论文的研究背景、研究意义和本论文的主要内容。 第二章介绍了g p s 技术的定位原理和定位方式等。 第三章对嵌入式系统进行了概述，介绍了j 墟m 技术和w i n d o w sc e 操作系统。 第四章介绍了硬件平台的设计。主要说明了s 3 c 2 4 4 0 的基本结构，并对硬件平 台的存储系统，通讯接口的设计等做了详细的介绍。 第五章介绍了w i i l d o w sc e 操作系统的开发，主要包括b o o tl o a d e r 开发，底层 o a l 的开发和驱动程序的开发，还包括对w i n d o w sc e 操作系统内核的定制和应用 程序的开发。 第六章是对本论文的总结和展望。 第二章g p s 技术基本原理 5 第二章g p s 技术基本原理 2 1g p s 系统的产生与发展 1 9 5 7 年l o 月4 日，世界上第一颗人造地球卫星( s p u t n 1 ) 的发射成功，标 志着空间科学技术的发展进入一个崭新的时代【6 儿”。第一代卫星导航系统是美国海 军实验室与霍布金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统( n a w n a v i g a t i o ns a _ t e l 】i t es y s t e m ，n n s s ) 。该系统的卫星轨道都通过地极，故也称为“子 午( t r a n s i t ) 卫星导航系统”，1 9 6 4 年建成后，随即由美国军方启用，并于1 9 6 7 年解密星历，提供民用服务。实践证明，子午卫星导航系统具有精读均匀、不受 天气和时间限制等优点，只要能观测到子午卫星，就可以对地球表面的任何地方 进行定位，从而获得测量点的三维空间坐标。该系统自投入民用以来，除了为远 洋船舶提供导航定位外，还相继用于海上石油勘探、钻井定位、海底电缆铺设、 海洋调查与测绘、海岛联测以及大地控制网的建立等方面，充分显示了卫星导航 定位的巨大潜力。 子午卫星系统被称为第一代卫星导航系统，但是该系统仍有许多明显的缺点。 主要表现为：卫星颗数少，不能实现连续实时导航定位；卫星轨道高度低，难以 实现精密定轨；信号频率低，难以补偿电离层效应的影响。以上这些缺点使得子 午卫星导航系统难以充分满足军事用户和某些民用用户的定位要求，尤其是高动 态、高精度用户的定位要求，因此使其应用受到了很大的限制。 为了突破子午卫星导航系统的局限性，实现全天候、全球性和高精度的连续 导航与定位，1 9 7 3 年美国国防部批准其陆、海、空三军联合研制新的军用卫星导 航系统n a v s t a rg p s ( n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i r 培粕dm g i i l g 出o b a lp o s i t i o i l i n g s y s t e m ) ，即卫星测时与测距全球定位系统，简称g p s 卫星全球定位系统。 2 2g p s 系统的组成 2 2 1 空间部分g p s 卫星星座 g p s 空间部分由2 4 颗卫星组成，其中2 l 颗工作卫星、3 颗在轨备用卫星【引。2 4 颗卫星均匀分布在距离地面大约2 0 1 8 3 k m 的6 个轨道平面内，每条轨道与赤道面的 交角为5 5 度，各个轨道平面之间相距6 0 度( 即轨道的升交点赤经相差6 0 度) ，每 条轨道上有4 颗卫星。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 度。位于地 平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可以见 到1 1 颗。在用g p s 信号导航定位时，为了结算观测点的三维坐标，必须观测4 颗0 p s 6 基于a r m 的g p s 定位系统的研究与实现 卫星，称为定位星座。这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定 的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间歇 段”。但这种时间间歇段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高 精度、连续实时的导航定位测量。 图2 1g p s 工作卫星星座图 在g p s 系统中，g p s 卫星的基本功能如下： ( 1 ) 执行地面监控站的指令，接收和存储由地面监控站发来的导航信息； ( 2 ) 向g p s 用户播送导航电文，提供导航和定位信息； ( 3 ) 通过高精度卫星钟( 铯钟和铷钟) 向用户提供精密的时间校准。 2 2 - 2 地面监控部分 g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个地面天线站和五个监测 站。 主控站设在美国本土科罗拉多斯普林斯的联合空间执行中心，主要是进行协 调、管理所有地面监控网络的工作。地面天线站的主要任务是在主控站的控制下， 将由主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入到相 应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。监测站的主要任务是为主控站编 算导航电文提供观测数据。 2 2 3 用户接收部分 用户接收部分主要由以无线电传感和计算机技术支撑的g p s 卫星接收机和g p s 数据处理软件构成。微处理器是g p s 接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和 实时数据处理工作。视屏监控器是接收机与操作者进行人机交流的部件。 1 g p s 接收机 g p s 卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。 天线单元 第二章g p s 技术基本原理7 天线单元的主要作用：当g p s 卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收 放大g p s 信号。 接收单元 接收单元的主要作用是：g p s 接收机对接收到的卫星信号，进行解码或采用其它 技术，将调制在载波上的信息进行滤波处理，还原出g p s 卫星发送的导航电文，解 出信号的传播时间和载波相位差，实时地获得位置、速度、时间等数据。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 测量点上，接收单元置于测量点附近的适当地方，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量点上。 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，防止数据丢失。目前各种类型 的g p s 接收机体积越来越小。重量越来越轻，以便于野外观测。 2 g p s 数据处理软件 g p s 数据处理软件是g p s 用户系统的重要部分，其主要功能是对g p s 接收机获 取的卫星测量记录数据进行处理，并对处理结果进行坐标转换及分析综合处理。 解出测量点的三维坐标，载体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。 2 3 g p s 基本原理 g p s 的基本定位原理是：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【叭。 2 3 1 卫星的位置 g p s 卫星的位置信息包括在卫星发射的信号中。卫星信号包括三种信号分量： 载波、测距码和数据码。内容有： ( 1 ) 卫星星历及星钟校正参数； ( 2 ) 测距距时间标记； ( 3 ) 大气附加延迟校正参数； ( 4 ) 与导航有关的信息。 一般的g p s 接收机只能接收l l 信号。接收机根据特定的算法，能够从u 信 号中提取出数据码d ( t ) ，即导航电文。 导航电文的具体内容包括遥测码、转换码、第一数据块、第二数据块和第三 数据块五部分。 遥测码( t l m ) 位于每个子帧的第一个子码，作为捕获导航电文的前导。其 8 基于a r m 的g p s 定位系统的研究与实现 中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解释电文数据。 转换码( h o w ) 是各子帧的第二个子码，它的主要作用是帮助用户从已捕获 的c a 码转换到p 码的捕获。 第一数据块的主要内容是：卫星时钟校正参量及其数据龄期、星期的周数编 号和大气校正参量及卫星工作状态等。 第二数据块包括第二和第三子帧，它载有卫星的星历。这是g p s 定位中最常 用的基本数据。 第三数据块由第四子帧和第五子帧构成，它的内容为系统内所有卫星的粗略 星历、粗略时钟校正量、卫星识别及卫星工作正常与否的字符。每颗卫星的数据 需要占用一个子帧，该数据块的目的是使用户只要收到一颗卫星的信号就可以粗 略知道其他卫星的情况。 当g p s 接收机接收到信号后，就可以根据这个编排格式提取出计算所需的数 据。 2 3 2 卫星与用户间的相对距离 g p s 使用单向测距方法来测定某颗卫星与用户的相对距离。它使用两台时钟， 一台在用户接收设备上，一台在卫星上。计算卫星与用户之间的距离，实质上是 通过比较g p s 接收机中恢复的卫星钟和用户本身的时钟之间的差，即测量卫星钟 传播到用户所花的时间即传播时延得以实现。如果两时间精确同步，即两时钟信 号同频同相，那么，利用距离等于时问乘以光速的原理，得到卫星和用户间的真 实距离r = c t 。 但是卫星钟和用户钟往往不能精确同步，当两者存在钟差t 时，这样测得的 距离并不是用户和卫星问的真实距离，而是伪距( p s e u d o 瑚g e ) ，简称p r ，表示 为p i 净r + c t ，t 取值是有正负的，用户钟慢于卫星钟取正，反之取负。 2 3 3 卫星信号的解算 用户接收机在接收到卫星发出后的无线电信号后，如果它有与卫星钟准确同步 的时钟，便能测量出信号到达的时间，从而算出信号的空间传播时间。再用这个 时间乘以信号在空间的传播速度，便能求出接收机与卫星问的距离r ， r = ( 五一工) 2 + ( r 一) ) 2 + ( z j z ) 2 ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中r 为观测量，( ) ( i ，y i ，z i ) 为卫星的坐标，( x ，y ，z ) 为接收机坐标。其 中卫星坐标为己知量，接收机坐标待求。这样，理想情况下，如果测得观测点与 三颗卫星的距离，便可确定三个未知数，即可完成定位。 实际上，一般接收机上的时钟不可能十分准确，因此由它测出的卫星信号在 空间的传播时间是不准确的。因而测出的距离也不准确，而是伪距。设接收机在 第二章g p s 技术基本原理9 接收卫星信号的瞬l 司，接收机与卫星导航系统的钟差为定值t ，j j ! i j 上述公式就要 改写成： r = ( 置一j ) 2 + ( z _ ) ，) 2 + ( z j z ) 2 + f c ( 2 2 ) 式中，c 为卫星信号传播速度常数，未知数t e 式( 2 1 ) 多了个t ， 这时，只要测出接收机距四颗卫星的伪距便得到4 个这样的方程，如下： r = ( 墨一x ) 2 + ( k y ) 2 + ( 五一z ) 2 + 址c ( 2 3 ) r = ( 置一x ) 2 + ( 丘一y ) 2 + ( z ；一z ) 2 + r c 置= ( 墨一x ) 2 + ( e y ) 2 + ( z j z ) 2 + ，x c r = ( 五一工) 2 + ( 一) ，) 2 + ( 2 j z ) 2 + 出c 以上四个方程联立便可以解出四个未知量x ，y ，z 和t ，即求出了接收机的 位置，并可将接收机的时间进行修正。g p s 卫星定位原理示意图如图2 2 所示； 1 ，垦卫晨，下量2卫量l 图2 2 g p s 卫星定位原理 2 3 4g p s 的定位方式 用g p s 进行定位有许多定位方式，按照参考点的位置不同，定位方式可分为 以下几种1 1o j ： 1 静态定位和动态定位 如果在定位过程中，用户接收天线处于静止状态，或者明确的说，待定点在 协议地球坐标系中的位置，被认为是固定不动的，那么这些待定点的位置的定位 测量被称为静态定位。由于待定点固定不动，因此可通过大量重复观测提高定位 精度。正因如此，静态定位在大地测量、地球动力学研究等方面获得广泛的应用。 相反，在定位过程中，用户接收天线处于运动状态：这是待定点位置随时间 l o基于a r m 的g p s 定位系统的研究与实现 变化。确定这些待定点的位置，被称为动态定位。 2 绝对定位和相对定位 绝对定位是以地球质心为参考点，测定接收天线( 即待定点) 在协议地球左 边系中的绝对位置，又称为单点定位。单点定位工作和数据处理都比较简单，其 定位结果受卫星星历误差和信号传播误差影响显著，所以定位精度较低，适用于 低精度测量领域。 如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相位中心相对参考点的 位置，称为相对定位。由于相对定位至少适用两台以上的接收及，同步跟测4 颗 以上的g p s 卫星，因此所获得的观测量和误差都具有相关性。采用适当的数学模型， 即可消除或者削弱观测量所含的误差，使定位结果达到相当高的精度。 在动态相对定位技术中，差分定位即d g p s 定位( d i 行e r e n t i a l 出o b a lp o s m o n i n g s v s t 哪) 受到了普遍重视。在进行d g p s 定位时，一台接收机被安置在参考点上固 定不动，其余接收机则分别安置在需要定位的运动载体上。固定接收机和流动接 收机可分别跟踪4 颗以上g p s 卫星的信号，并以伪距作为观测量。根据参考点的已 知坐标，可计算出定位结果的坐标改正数或距离改正数，并可通过数据传输电台 发射个流动用户，以改进流动站定位结果的精度。 2 3 5g p s 系统的优点 1 提供全天候、全球性的导航、定位服务； g p s 卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上的任何地方均可同时观测到至 少4 颗卫星，从而保障了全球、全天候连续地三维定位。 2 可进行高精度、高速度的精密导航和定位； 目前，g p s 单点实时定位观测为几秒钟，定位精度可达1 0 1 5 m ；近期发展起 来的g p s 差分动态定位技术和相位差分动态定位技术，进一步缩短了观测时间，提 高了定位精度，实现了厘米级实时导航和定位。 3 可实现实时定位； 利用g p s ，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可以保障运动 载体沿预定航线运行，也可以实时地监视和修正航向路线，并可以选择最佳航线。 2 4g p s 发展现状和前景 在我国，g p s 在导航、授时校频和高精度测量三个领域应用的比较广泛，涵盖 军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土 地管理、金融、公安等部门和行业。在g p s 应用领域中，车辆应用所占的比重在 各项应用中最大，约占总数的5 0 左右1 3 4 】【3 5 1 。 但是目前市场上的g p s 车载终端基本上仅具有定位跟踪及监控管理功能，而 第二章g p s 技术基本原理 集定位、导航与多媒体信息的网络即时传输于一身的车载定位导航智能管理系统， 由于受到许多综合因素的制约，特别是受到我国汽车工业发展现状、电子地图配 套限制以及人均g d p 水平的整体制约，还没有形成较大的市场。 就国际上的发展情况而言，g p s 应用产品产业己经是当前国际上八大无线通 信产业之一，也是目前世界上发展的最快的三大信息产业之一，g p s 与3 g 无线通 信网络的结合已成为全球通信导航界的热点。在国际市场上，汽车类g p s 设备销 售额雄居各类g p s 市场之首。据业内人士预计，未来几年，国际上对g p s 导航系 统的需求量，将以每年5 0 以上的速度递增。到2 0 0 6 年为止，已有近5 0 的新车 型和9 0 的豪华车型将具备部分互联网功能，这意味着这些车都已经应用了车载 电脑系统，汽车定位及监控、甚至导航产品市场份额达到百亿美元。 1 定位精度的提高：由于近年来g p s 设备的广泛应用，美国也在进一步开放 全球定位系统的应用权限，提高其定位精度，适应全球发展的需要，不仅于2 0 0 0 年5 月2 日4 时取消了s a 政策，而且正在陆续发射改进后的g p s 卫星来替代原 有卫星，这些措施都将有助于提升导航精度。 2 高速数据传输：日前g p r s 网络已经取代g s m 网络作为车载终端与监控中 心传输数据的无线通信媒介，随着c d m a 尤其是3 g 网络的发展，无线通信网络 的数据通信能力将进一步加大，这将为车载终端的发展提供广阔的空间，如实时 大流量数据的传输、图像的传输及应用程序的空中升级等等。 3 附加功能增加：可以附加多媒体功能、无线上网功能、关键点的语音播报 功能及增加大容量的历史纪录功能等等。的短消息作为卫星定位信息的传输数据 链。 随着市场的发展，当前g p s 接收机向着小型化、智能化方向发展。以前的g p s 接收机由于受到处理器速度的限制，无论在体积上，在处理速度上都无法满足实 时性较高的要求。因此，采用嵌入式系统为框架，以高性能的处理器来处理定位 信息，成为目前g p s 定位系统的发展趋势。从下章开始我们将详细介绍基于a r m 处理器的g p s 定位系统的开发。 第三章嵌入式系统设计概述 1 3 第三章嵌入式系统设计概述 3 1 嵌入式系统概述 3 1 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统【】1 1 。 嵌入式系统由包括嵌入式处理器、存储器、传感器和输入输出设备等一系列 微电子芯片与器件构成的硬件部分，和嵌入在存储器中的嵌入式操作系统、控制 应用软件的软件部分组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数 据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制 技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与 硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。嵌入式系统开发流 程如图3 1 所示1 1 2 j ： 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能 价格比高；实时性强，支持多任务：占用空间小，效率高；面向特定应用，可根 据需要灵活定制。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择 更具有竞争力。因此，我们可以看出嵌入式系统主要有以下几个重要特征： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用与小型电子装置，系统的资源有 限，所以内核比传统的操作系统要小的多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常 紧密，一般要针对不同的硬件平台进行移植。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件之分，不要求其功能 的设计及实现过于复杂，这样一方面有利于控制成本，另一方面也有利于实现系 统的安全。 ( 4 ) 需要专门的开发环境和工具。由于嵌入式系统本身不具备自主开发的能力， 所以必须有专门的开发环境和工具。 未来嵌入式系统的发展，往更低的功耗、更小的尺寸和更低的成本方向发展， 而随着网络化、信息化的发展，嵌入式芯片将集成更多的功能，提供更丰富的接 口；而嵌入式系统的开发也需要强大的开发工具和操作系统的支持，提供更为精 巧的人机交互界面。 1 4基于a 砌“的g p s 定位系统的研究与实现 图3 1 嵌入式系统开发祈e 程圈 3 1 2 嵌入式处理器分类 1 嵌入式微处理器( e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小 系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能 上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一 般都做了各种增强。目前主要的嵌入式处理器类型有x 8 6 ，p o w e r p c ，a i t m s t r o n g a r m 系列等。 2 嵌入式微控制器( m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌 入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m ，e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、d 、d a 、f l a s h r a m 、 第三章嵌入式系统设计概述1 5 e e p r o m 等各种必要功能模块。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是 单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前 嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上资源一般比较丰富，适合于控制，因此 称为微控制器。由于m c u 低廉的价格和优良的功能，所以拥有的品种和数量最多， 其中比较有代表性就是8 0 5 l 系列单片机。 3 嵌入式d s p ( e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算 法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。目前最为广泛应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 c 6 0 0 0 系列。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc l l i p ) 随着v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一 个更为复杂的系统，这就是s y s t e m0 nc 1 l i p ( s o c ) 。各种通用处理器内核将作为 s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一 种标准的器件，用标准的v 玎) l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出 整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个 别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去， 应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 3 2 删概述 3 2 1a r m 简介 删( a d v a l l c c d s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。a r m 公司自1 9 9 0 年1 1 月在英国剑桥成立以来，在3 2 位i u s c ( r e d u c e d1 1 1 s n l l c t i o ns e tc o m d u t e r 精简指令集计算机) c p u 开发领域不断取得突破。目前，删公司提供七个处理 器核系列：a r m 7 、a i t m 9 、a r m 9 e 、a 】l m l o e 、a i t m l l 、s e c u 正o r e 以及c o n e x 。 a r m 技术已遍及工业控制、消费类电子产品、通讯系统、网络系统、无线系统等 各类市场，并逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司一直以m ( i n t e i l i g e n c ep m p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制造 商出售只是产权， 而自己不介入芯片的生产和销售，加上其设计的芯核具有低功 耗、成本低、高性能、高效率等显著优点，因此获得众多半导体厂家和整机厂商 的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域取得了巨大的成功，目前已经占有7 5 以上 的3 2 位砒s c 嵌入式市场。世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a 蹦 1 6 基于a 砌的g p s 定位系统的研究与实现 微处理器核，根据各自不同的应用领域，假如适当的外围电路，从而形成自己的 a r m 微处理器芯片进入市场【13 l 。 3 2 2a i t m 处理器的体系结构 1 i u s c 体系结构 r j c s 体系结构是针对传统的c i s c ( c o m p l e xh l s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 复杂指令 计算机) 固有的缺点提出来的【1