基于ARM的GPS测量数据接收系统的设计与实现硕士学位论文(50页).doc

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1、-基于ARM的GPS测量数据接收系统的设计与实现硕士学位论文-第 43 页毕业设计论文基于ARM的GPS测量数据接收系统的设计与实现中文摘要目前GPS已经在生产、生活等领域得到广泛地应用。GPS不仅能够提供接收机的三维位置信息，而且随着电子技术的发展其测量的精度得到很大的提高，使得GPS在现代测绘工作中发挥着重要作用。本文研究的设备用于高精度地理位置信息的测量，设备要求测量时间45分钟以上，测量距离10公里以内的两个点之间相对精度能够达到毫米级，该设备可应用于地质勘探、测绘等方面。GPS经过多年的发展，已向多媒体、高精度、实时性等方向发展。嵌入式ARM具有功能强、功耗低、先进的嵌入式操作系统等

2、优点，能够满足GPS的发展要求，因此ARM与GPS相结合成为现代GPS设备的发展趋势。本课题基于地质勘探与测绘对地理位置信息的需要，分析了当前基于单片机系统的GPS在测绘工作中的局限性，分析了ARM的功能及特点，设计了基于ARM的GPS测量数据接收系统。本文从系统组成、前端数据采集原理、方法到采集数据后的数据分析、计算、结果评定等方面进行了详细的阐述，给出了系统各组成部分的电路原理图及系统控制软件说明等，为测试的工程化做了有益的尝试。本文以高性能32位ARM9处理器S3C2440A为核心，以ALLSTAR测量型GPS芯片为数据来源，搭建了适用于GPS数据采集的硬件系统。详细分析了系统的工作原理

3、及其具体电路。在这个硬件系统的基础上采用Wince.NET 5作为操作系统，进行了系统软件工作流程的设计工作。本文使用Visual Studio 2008软件开发工具，根据数据编码、通信及存储原理编写了主机数据采集程序，然后根据GPS定位原理及计算技术编写了数据分析软件。该系统的研究开发工作是在实践的基础上完成的，充分利用了S3C2440A芯片提供的资源，具有高性能、高可靠性、低功耗、低成本的优点，在数据采集速度、稳定性、存储空间等方面都有较大提高，对提高测绘工作的质量具有较高的实用价值，可广泛应用于高精度地理位置信息的测量。关键词：ARM, GPS, 测绘, 导航, 静态测量Design a

4、nd Realization of the GPS Measurement Data Rece-iving System Based on ARM AbstractGPS is widely applied in the fields of production and daily life at the moment. It can not only provide three-dimensional position of the receiver, but also improve the accuracy of measuring with the development of ele

5、ctronic technology. Therefore GPS is playing an important role in modern surveying and mapping work. This paper presents an electronic instrument which could be used in high precision location information survey. It requires the relative accuracy in millimeters of the measurement between the 2 point

6、s which have a 10-km distance or a more than 45-meter measuring time. The device can be used in geological prospecting, mapping and so on.After years of developing, GPS has tendencies of multi-media, high-precision, real-time direction, etc. Embedded ARM with powerful functions, low power consumptio

7、n, advanced embedded operating system can meet the requirements of GPS. Therefore, the combination of ARM and GPS has become the trend of modern GPS device.On the basis of the geological exploration and mapping needs to the location information, the essay analyses the limitations of the current GPS

8、based on SCM systems in the mapping work and the functions and features of ARM. On which it designs the GPS measurement data rece-iving system. The paper explains in details the system components, method and principle of front-end data collection, data analysis, calculation, assessment of results of

9、 GPS. In addition, it presents the parts of system schematic diagram and system control software instructions and so on, which takes a useful attempt for test engineering. With the high-performance 32-bit ARM9 processor S3C2440A at the core, ALLSTAR measurement-GPS chip as data sources and the hardw

10、are system suitable to GPS data acquisition. The paper analyses the working principle of the system and its specific circuit. Based on the hardware, the system designs the workflow of the system software with Wince.NET 5 operating system.With Visual Studio 2008, the author writes the host data acqui

11、sition program according to data coding, communication and storage principles, and then under the principle of GPS positioning and calculation of technical, writes data analysis software.The research and development of the system is based on practice, which makes full use of the S3C2440A chip, has b

12、een proved advantages of high reliability, high stability, low consumption and low cost. It improves considerably in the speed of data acquisition, stability, storage space and so on. Furthermore, it plays an important role in improving the quality of mapping work, which can be widely used in high-p

13、recision location information measurements.Keywords：ARM, GPS, Surveying and Mapping, Navigation, Static Measurement目 录第一章 概述11.1 选题依据及研究意义11.2 国内外研究现状及发展11.3 主要研究内容3第二章 嵌入式系统与全球定位系统42.1 ARM硬件开发平台42.1.1 ARM处理器的体系和结构42.1.2 基于三星S3C2440A处理器的开发平台52.2 ARM操作系统82.2.1 常见的ARM操作系统82.2.2 Wince.NET 592.3 全球定位系统（

14、GPS）简介112.4 GPS接收机接收部分等核心部件132.4.1 GPS接收天线132.4.2 GPS芯片（OEM板）142.4.3 GPS芯片数据协议15第三章 GPS测量数据接收系统设计方案173.1 总体设计173.2 测量原理183.2.1 系统硬件设计概述183.2.2 系统软件设计概述22第四章 系统硬件设计244.1 核心处理模块244.1.1底板电源电路254.1.2 CPU控制264.1.3 存储电路274.1.4 接口转换电路294.1.5 显示电路304.1.6 键盘324.2 GPS数据模块334.2.1 GPS数据模块电源电路334.2.2 OEM接口板34第五章

15、 系统软件设计365.1 下位机软件设计365.2 上位机软件设计37第六章 数据处理及分析446.1 数据处理原理446.2 动态数据处理456.2.1 动态数据计算原理456.2.2 动态数据计算流程476.3 静态数据处理486.3.1 静态数据处理原理506.3.2 GPS相对定位516.3.3 静态数据计算案例52第七章 结论与展望577.1 全文研究工作总结577.2 进一步工作的方向57参考文献59攻读硕士学位期间公开发表的学术论文61致 谢62第一章 概述1.1 选题依据及研究意义测绘工作在国民经济建设、科学研究、国防建设及社会发展中都发挥着重要的作用，它是利用测量仪器测定地球

16、表面自然形态的地理要素和地表人工设施的形状、大小、空间位置及属性等，对空间数据进行分析、管理、存储和显示等的综合应用1。在测绘工作中，测绘工作与测量仪器的发展息息相关。随着电子技术的快速发展，GPS（Global Positioning System 全球定位系统）的发展趋势是：精度高、功耗低、重量轻、操作简单、集成多种功能、海量数据存储与处理。自从GPS引入到测绘工作中后，给整个测绘系统带来了一场变革。本系统的主要功能是获取地理位置坐标数据，经处理和存储，实现实时导航定位，而存储的包含原始测量信息的数据，可以用来进行数据后处理。GPS定位技术在测绘工作中的使用十分广泛，例如，我国为了对整个版

17、图的多种信息进行全面的掌握，需要建立一整套统一的坐标系，包括坐标点位置信息、高程控制方法等，由于测量区域广、面积大、精度要求高，使用传统的测绘方式无论是野外工作还是测量数据后处理的工作量都是很大的，现在使用GPS后，改善了传统测量存在的效率低、劳动强度大、误差积累明显等问题；对于较大的区域，例如苏州市轻轨的建设，根据测绘工作的要求，需要对工作区域进行整体控制，GPS使用“静态测量”的工作方式可以快速而准确的完成工作；对于一般的导航，GPS的使用更加的广泛，并已经由专业测绘工作扩展到日常生活，如汽车导航设备。尽管GPS应用领域各不相同，但就测量设备本身而言，其实质都是一样的，即获取地理位置信息数

18、据。因此，对GPS测量数据接收系统的研究有着现实的意义。1.2 国内外研究现状及发展GPS设备基本上是纯粹的电子设备，其发展规律与一般的电子产品相似。在整合性上，GPS设备的集成度越来越高。早期的GPS设备其GPS天线、电源与处理数据的主机是分开的，靠电缆进行连接，分别提供电力和数据传输。采用分离元件、低集成度器件来设计的，器件体积大、功耗高、使用复杂，相对应的软件功能弱，调试不方便，可移植性不好。而现在，已经发展成为GPS天线、大容量锂电池、处理芯片、外部接口、用户界面等高度紧密的整合在一起，可靠性上得到了很大的提高。在采用的元器件及功能应用上，早先的GPS设备是由8位单片机作为CPU，随着

19、电子技术的进步，新器件、新技术不断出现，也不断被用来制造新的设备。嵌入式系统的发展为GPS设备的发展提供了良好的契机。由于GPS设备的大量应用，特别是在个人消费方面，汽车导航、智能手机、手持式导航仪等得到大力的发展，这些设备要求低功耗、多功能，例如智能手机就包含了电话、GPS、高分辨率大屏幕、声音等多媒体功能，要在一个设备中实现众多的功能，目前使用的是32位ARM（Advanced RISC Machine）CPU。ARM CPU由原来的ARM7发展到ARM9，主频由原来的几十兆变为200兆、400兆、533兆等，性能越来越好；在新的CPU通常会增加新的功能，随着CPU的更新，对它起支撑作用的

20、整体系统构架也会随之升级，这会带来系统的集成度越来越高，功能越来越强。GPS产品也是这样。还有，GPS需要强大的后续软件来体现其应用的价值，可以这么说，没有软件的GPS仅仅是一个传感器，所以，软件功能上的更新也是必要的，在GIS（Geographic Information System 地理信息系统）方面，这得到了很好的体现。而对于专业测量GPS而言，多个行业的专业应用，如铁路、远洋、GIS采集等，是其发展的方向。在软件上的发展，配套ARM CPU使用的软件操作系统可以选择的也很多，代表性的有ucOS、Linux、Windows CE等，这样，GPS设备终端就变得可以实现许多的功能，除了GP

21、S定位外还可以进行大容量数据存储、播放多种声音文件、播放视频、进行高分辨率摄影等，与用户的交互也变得多样化起来，原来只能通过键盘输入信息，现在可以使用触摸屏甚至是语音识别。对于工业化的测量专用的GPS设备而言，对多媒体的追求是其次的。工业测量GPS追求的是测量结果高精度、数据结果高可靠、位置更新高速度、对外界恶劣环境高防备、软件使用专业化等，目前国内参加生产的专业测量GPS基本都是沿着这些方向发展的。1.3 主要研究内容本文是在研究目前国内外现有的GPS测量数据接收系统的基础上，借鉴和使用了最新的研究成果，根据实际需求设计了硬件和软件构架。研究的主要内容是基于ARM的GPS测量数据接收系统的实

22、现方法及其关键技术，其中：主要研究内容包括：1）、GPS接收机的一般组成，包括器件、组成和结构；2）、专业测量GPS芯片的具体研究；3）、GPS芯片配合电路的设计、开发与调试；4）、ARM芯片的使用及与GPS的结合；5）、在ARM上运行的软件操作系统及应用程序的编写。关键技术包括：1）、电路设计上，采用了高性能32位ARM9处理器S3C2440A为核心，以ALLSTAR测量型GPS芯片为数据来源，搭建了适用于GPS数据采集的硬件系统；2）、采集了GPS定位数据，利用Visual Studio软件工具编写了嵌入式数据处理软件；3）、使用GPS通用数据格式文件RINEX进行采集数据的处理，并通过后

23、处理软件达到了毫米级精度。第二章 嵌入式系统与全球定位系统2.1 ARM硬件开发平台ARM是全球微处理器行业中一家知名的企业，该公司于1990年在剑桥大学成立，它是由苹果电脑、Acorn Computer Group和VLSI Technology联合成立的一家设计32位嵌入式RISC芯片内核的公司。如今，“ARM嵌入式内核”已经被全球各大芯片厂商采用，基于ARM的开发技术也席卷了全球嵌入式产品的市场，并成为嵌入式系统的主流技术之一2。2.1.1 ARM处理器的体系和结构ARM构架诞生至今已经有过多次变革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前ARM的架构有：(1) V1构架（ARM1）：具有

24、基本的数据处理指令（无乘法）；字节、半字节、字的Load/Store指令；转移指令；软件中断指令；64MB的寻址空间。(2) V2构架（ARM2、ARM3）：增加乘法指令；增加支持协处理器的操作；增加快速中断模式；增加SWP/SWPB的存储器和寄存器交换指令。(3) V3构架（ARM6）：增加MRS/MSR指令，可以访问新增加的CPSR/SPSR寄存器。增加了异常处理返回；寻址空间扩展到4GB。(4) V4构架（ARM7、ARM9）：低功耗的32位RISC处理器，包括32位地址线和数据线，具有ICE逻辑，调试开发方便；具有16位的Thumb指令集；主频高达130MIPS；完善了软件中断SWI指

25、令。(5) V5构架（ARM10）：具有带链接和交换的转移BLX指令；计数前导零CLZ指令；BRK中断指令；增加了一些信号处理指令。(6) V6构架（ARM11）：增加了SIMD功能，为多媒体处理的应用系统提供优化功能。其中，ARM7、ARM9、ARM10，Intel的StrongARM系列、Xscale系列等属于通用处理器系列，已经在很多领域大量应用。ARM是基于RISC（Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机）3而设计的，它有着与CISC（Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机）在一些地方有着很大的区别

26、。传统的CISC计算机随着计算机技术的发展不断地引入新的复杂指令集，为了支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，但在这些指令中，只有约20%的指令会被反复调用，占程序代码的80%；余下的80%指令不经常使用，在程序代码中占20%，这就造成了浪费，显得设计不合理，而RISC则可以避免这些问题。RISC指令系统相对简单，能够满足大部分的功能需求，只要求硬件执行有限的最常用的那部分指令，大部分复杂的操作使用成熟的编译技术由简单指令合成，这使得计算机的执行效率得到提高。目前中高端的服务器普遍使用RISC指令集，把重点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度。CISC和RISC架构各

27、有其侧重点，现在出现了超长指令集计算机，融合了两只指令集的优势，成为未来CPU发展的趋势之一。2.1.2 基于三星S3C2440A处理器的开发平台三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A采用了ARM920T的内核4，0.13um 的CMOS 标准宏单元和存储器单元, 它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)，提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。其低功耗，简单，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结

28、构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A减少整体系统成本和无需配置额外的组件。S3C2440A有如下的功能和特性：为手持设备和通用嵌入式应用提供片上集成系统解决方案；16/32位RISC体系结构和ARM920T内核强大的指令集；指令高速存储缓冲器（I-Cache），数据高速存储缓冲器（D-Cache）；采用ARM920T CPU内核支持ARM调试体系结构；其内部结构图如图2.1所示：图2.1 S3C2440A内部结构图其AHB总线（Advanced High-performance Bu

29、s）图如图2.2所示：图2.2 AHB总线图其APB（Advanced Peripheral Bus）总线图如图2.3所示：图2.3 APB总线图正由于S3C2440A的强大功能，在它上面开发新功能是很有意义的一件事。为了更好的使用S3C2440A，将CPU及部分核心部件封装为一块尺寸较小、通用性较强的部件，称之为核心板。板上配备了两片32M的三星SDRAM,一片64M的NAND FLASH,开发板采用两片半字（half-word）SDRAM 器件共同组成一个32位数据宽度的SDRAM系统，提高了其与CPU的通信效率。更好的发挥S3C2440A芯片的潜能。核心板尺寸图如图2.4所示：图2.4

30、S3C2440A核心板尺寸图其实物图如图2.5所示：图2.5 S3C2440A核心板实物图有了核心板还需要一块开发底板来进行接口的扩展，使核心板能够与外设通过开发板进行通信。开发底板可以扩展许多功能，包括标准的串口、USB、液晶、音频等，也可以增加其他功能，如红外接收器、温度传感器、摄像头等。总之，核心板插在开发板上使用，形成一套完整的、丰富接口的ARM嵌入式系统。2.2 ARM操作系统2.2.1 常见的ARM操作系统在嵌入式应用中嵌入式操作系统已经大量存在，尤其在功能复杂、系统庞大、要求较高的方案中显得越来越重要，可以说没有操作系统的计算机是没有用的，这点在普通的台式电脑上大家都有深刻体会。

31、操作系统管理整个硬件系统的运行，负责各种资源的调配，充分发挥了32位CPU的多任务能力，是整个嵌入式系统的灵魂。目前有多种嵌入式操作系统，它们使得开发实时应用程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能，把应用程序分割为若干独立运行的模块，使得程序的设计变得简化许多；对于实时性要求高的应用做到了快速响应和可靠处理；使得整个系统的资源得到很好的管理和应用。常见的嵌入式操作系统有：(1) 嵌入式LinuxClinux是一个完全遵循GNU/GPL公约的嵌入式操作系统，其代码完全开放，内核由专业公司进行维护。Clinux是从Linux2.x5内核中派生的，沿袭了Linux的大部分特性，通

32、常应用在仅具有很少内存的嵌入式系统上，系统的CPU可以没有虚拟内存或者内存管理单元。在GNU通用公共许可证的保证下，几乎可以使用所有的Linux API函数。由于Clinux是在标准的Linux上进行适当的裁剪和针对性的优化，所以尽管Clinux体积小但仍保留了Linux的大部分优点，如稳定、易于移植，网络功能强大、良好的文件系统支持等。(2) Windows CEWinCE是微软公司设计开发的一个开放的，易于使用的，基于掌上电脑的操作系统。WinCE的图形界面十分出色，非常平易近人，加上微软公司在台式电脑操作系统上的高普及率，WinCE一开始就很得人心。WinCE使用了精简的Windows

33、API，这使得系统开发上与Windows开发基本相同，但又有细微差别。WinCE系统还有一个非常吸引人的地方就是WinCE的开发工具，如Visual C+，与台式电脑上的基本一致，使得大多数软件只需要简单的修改和移植就可以在WinCE平台上使用。为了推广Windows CE，微软甚至开放了定制操作系统的工具PowerBuilder，开发工具也可免费使用，如embedded Visual C+等。在程序开发工具上，一些老牌的公司如宝蓝公司等现在实力都无法与微软抗衡，使得WinCE的市场占有率十分高。(3) C/OS IIC/OS II6是一个源代码开放，移植性良好、可固化、可裁剪的占先式实时多任

34、务操作系统，其大部分源代码是用ANSIC写的，C/OS II通过了美国联邦航空局商用航行器认证，证明了其性能的优异。还有其他一些较有特色的嵌入式操作系统，如VxWorks、Nucleus、eCos等，它们在某些方面都有其特长，限于篇幅在此不再赘述。2.2.2 Wince.NET 5Microsoft WindowsCE7是为各种嵌入式系统和产品设计的一种压缩的、具有高效的、可升级的操作系统(OS）。其多线性、多任务、全优先的操作系统环境是专门针对资源有限而设计的。Windows CE .NET是Windows CE 3.0的后继产品。Windows CE.NET具备完整的操作系统特性，它包括了

35、创建一个基于Windows CE的定制设备所需的一切，例如：强大的联网能力、强劲的实时性和小内存体积占用以及丰富的多媒体和Web浏览功能。 （1）操作系统体系结构Windows CE是由若干独立模块所建，每一个模块提供特定的功能。其中有几个模块又被分成几个组件。组件能使WindowsCE变得较为紧凑（小于200兆ROM），仅需要使用最小的ROM、RAM和其它硬件资源就可运行设备。如图2.6所示：图2.6 Windows CE系统架构（2）WinCE.NET新增特性 嵌入式系统的开发人员会在Windows CE.NET中发现大量的新增特性和改进特性，其中包括：无线技术，例如蓝牙（Bluetoot

36、h）；设备仿真，该特性可以对完整的设备环境进行仿真而无需任何额外的硬件投资；平台向导，可以从众多的预置设备设计中进行选择，以便跳跃式地开始开发流程；此外，还有丰富的多媒体和Web浏览功能，例如Microsoft Internet Explorer 5.5 和Windows Media编解码器（Codec）和控件。（3）扩展设备驱动程序支持高级技术附加数据包接口（Advanced technology Attachment Packet Interface，ATAPI）磁盘驱动程序，提供了CD和DVD的“读”支持。新的统一音频模型和示例驱动程序：UAM实现了对WAV和Microsoft Dire

37、ctSound音频API的高效支持。它还使得编写一个能有效支持WAV和DirectSound的驱动程序成为可能。 2.3 全球定位系统（GPS）简介1973年12月，美国国防部批准了一项计划，由陆海空三军联合研制一种新型的军用卫星导航系统，称之为“Navigation by satellite timing and ranging global positioning system”即现今简称的GPS。GPS属于美国第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的。GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成8，如图2.7所示：图2.7 GPS的构成GPS系统的空间部分使

38、用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座。 21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（ DOP ），这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS系统的地面监控部分监控着GPS 卫星的运作状态及它们在太空中的精确位置，主地面控制站更负责传送卫星瞬时常数 (Ephemeras Constant) 及时脉偏差 (Clock Offsets) 的修正量，再由卫星将这些修正量提供给 GPS 接收机器进行定位

39、。GPS接收机是一般用户使用的部分，它能被动的接收GPS卫星发出的信号，然后根据多个卫星的信号进行定位。那么接收机是由什么组成的，工作原理是什么，如何实现一个接收机，数据如何处理，在实际工作中如何使用，技术上有什么新的发展等问题就是本文中要研究的对象。GPS工作原理可以分为下面的几个步骤9：第一步：GPS测量方法的理论基础是“后方交会”。“后方交会”意思是从一个未知点上分别观测几个已知点，然后根据测量出的几个距离计算出未知点坐标的测量方法。其几何原理如下，在平面上，要确定未知点P的坐标，至少需要P到三个已知点的距离，其示意图如图2.8所示：图2.8 “后方交会”的几何原理示意图在太空中，这些点

40、变为立体空间的点，圆圈变为球面，所以至少需要知道P点至4个已知点的距离才能确定P的位置，其立体图如图2.9所示:图2.9 “后方交会”的立体图第二步：为了实现 “后方交会”，距离是必须测量的值。而GPS测量距离的方法是通过测量无线电信号在空中传播的时间来完成的。距离 = 速度 时间，GPS的测距方法与一般的红外测距仪本质上没有区别，不过，用户是不会发出任何无线电波的，所有的信号都是卫星发出来的，用户只要接收即可。第三步：为了能通过“后方交会”测定接收机的位置，卫星在太空中的位置必须精确已知。当美国国防部测量出了卫星的精确位置，他们就把这个位置发给卫星，卫星就把这个新的改正位置信息加载到GPS信

41、号中广播出去。于是，卫星就不仅仅具有了带有时间信息的伪距码，而且还具备了带有位置信息的星历。综上所述，GPS的测量原理为：后方交会 - 测量距离 - 测量时间 - 测量卫星位置 - 误差改正。2.4 GPS接收机接收部分等核心部件GPS接收机要接收GPS信号并转为数字信息，必需依赖两个核心部件：GPS天线和GPS芯片，通常称为OEM板（Original Equipment Manufacturer Card）。2.4.1 GPS接收天线GPS使用的天线一般是无源微带天线，是用来把太空中微弱的GPS无线电信号还原为高频电流的变换装置。GPS天线有五大特征参数：方向性图、天线增益、输入阻抗、极化性

42、、频带宽度。其中，方向性图是指辐射能量在空间分布状态的三维立体图；极化性是指无线电波的电场矢量所指的最大辐射方向。本系统采用的GPS天线是专业单频测量型GPS天线，它内部由天线与前置放大器密封一体，可保证全天候正常工作，能够接收来自地平线以上任何方向的卫星信号，不产生死角，底部有金属板可以削弱多路径效应，具备高增益、低噪声系数、大的动态范围条件，天线的相位中心保持高度的稳定，当GPS卫星运动时能够尽量与几何中心保持一致，其参数为10：工作频率：1575.42 MHZ10MHZ输出阻抗： 50驻波比： 1.5:1极化方式：右旋圆极化工作电压：3VDC、4VDC、5VDC工作温度：-45+65方向

43、性图如图2.10所示：图2.10 GPS天线方向性图2.4.2 GPS芯片（OEM板）GPS OEM板是把GPS天线转换来的高频电信号转换为数字信息的部件。本文中使用的ALLSTAR OEM板是单频板11，能够接收GPS卫星发射的L1波段信号，然后解调出信号中的位置信息及载波相位信息，并且，该OEM板还可以接收差分信号，从而获得动态的较高精度的定位结果。ALLSTAR OEM内部硬件结构如图2.11所示：图2.11 ALLSTAR OEM板内部硬件结构图ALLSTAR OEM板采用了双列直插20 pin的硬件通信接口，支持的串口波特率可到115200 bit/s。一般使用串口1来作为命令输入和

44、数据输出的接口，而串口2用来作为差分数据输入/输出接口，其他的接口视具体需要而决定是否使用。并且这两个串口都是RS232(Recommended Standard 232)的接口，在软硬件调试等方面很方便，其波特率也可以根据需要对OEM板发送指令进行更改。2.4.3 GPS芯片数据协议为了保证系统CPU与GPS OEM板正常的协同工作，必须要建立一套合理的通信指令。这样，当CPU对OEM发送指令时，OEM板能够正确识别并按照需要进行工作；而OEM发送的包含位置信息的数据流也必须按照约定的格式进行发送，这样CPU可以进行数据解析，得到所需的数据资料。ALLSTAR的数据是按照每字节中“高位在前低

45、位在后”的的方式进行排列，如表2.1所示。如果使用的是Microsoft Windows系列操作系统，这点是保持兼容的。表2.1 ALLSTAR的数据排列方式Byte最高位最低位顺序7 6 5 4 3 2 1 0 bits指令及数据流的结构形式如表2.2所示：表2.2 ALLSTAR指令及数据流的结构形式第1字节信息首字节，固定为0x01第2字节信息的ID号，十六进制表示（下同），需要注意的是，ID号的范围只用来7bits（最大0111 1111），这样，最高位就用来表示该信息是只发送1次还是连续发送，例如ID# 23：ID=0x17,bits 0001 0111,最高位为0,只发送1次；ID

46、=0x97,bits 1001 0111,最高位为1,连续发送。第3字节ID号的补足码第4字节信息长度（0255）第5n字节信息内容，长度为n-4第n+1和n+2字节校验和：整条信息的字节全部相加之和，相加后用1个16位的（2个字节）整数来保持，然后其低字节在前，高字节在后，例如有一条指令的header和data相加后结果是十进制的772，相当于十六进制的0x0304，则把低字节放在前面，高字节放在后面，然后加在整条信息的后面，即：Header + data + 0x04 0x03数据示例：SOH, ID#, COMPL ID#, LENGTH, U, G, P, S,-, 0, 0, 0,

47、CKSUM(MSB) (SYNTAX) 01, 63, 192, 08, 85, 71, 80, 83, 45, 48, 48, 48, 772 (DECIMAL) 01H, 3FH, C0H, 08H, 55H, 47H, 50H, 53H, 2DH, 30H, 30H, 30H, 04H, 03H (HEXADECIMAL)ALLSTAR提供来许多指令及数据，但常用的只有几条，其余的保持出厂设置即可，常用的有：ID# 20、21、22、23、33、43、47、48、77、81、82、83、103、110、112等，其中：ID# 20：请求当前位置信息；ID# 22：请求星历数据；ID# 23：请求原始测量数据；ID# 33：卫星信息。第三章 GPS测量数据接收系统设计方案3.1 总体设计作为一个完整的GPS导航定位系统，主要实现的功能是通过GPS天线接收GPS信号，转换为包含了定位信息的数字信号，通过串口接入基于ARM的嵌入式系统。嵌入式系统运行相应软件，监听串口，当收到数据后对数据进行解析，从而得到位置数据，对数据进行测量学上的计算就可以应用到电子地图中去进行导航等；另一方面，可以把包含高精度测量信息的数据保存下来，达到一定时间后下