基于ARM的GPS接收机的设计

0 引言

全球定位系统(GPS)作为一种成熟的导航定位技术,以其全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及所独具的定位导航、授时授频、精密测量等多方面的强大功能，使其用途越来越广泛。传统的使用8位单片机设计的GPS接收机，在数据处理、系统性能提升以及功能扩展等方面存在较大的不足。随着嵌入式技术的发展，以ARM为代表的32位微处理器凭借其高性能、低功耗、低成本、体积小等优点，在现实中获得了广泛的应用。

本文介绍了一种GPS接收机的整体设计方案,该方案采用Atmel公司生产的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作为接收机的射频前端，内嵌ARM7TDMI处理器核的ATR0620芯片作为接收机的数字基带处理器。该方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特点。

1 GPS接收机的基本组成

GPS接收机的主要任务是跟踪可见GPS卫星，对接收到的卫星无线电信号经过数据处理后获得定位所需的测量值和导航信息，最后完成对用户的定位运算和可能的导航任务。GPS接收机的内部结构沿其工作流程的先后顺序，通常分为射频（RF）前端处理、基带数字信号处理（DSP）和定位导航运算三大功能模块。其基本组成如图1所示：

2 GPS接收机的硬件设计

卫星信号由天线接收,直接进入射频前端。射频前端具有变频作用，将射频信号转换为中频信号。中频信号经采样信号采样、量化后，转换为数字中频信号。数字中频信号进入基带数字处理器，基带数字处理器完成卫星信号的处理后，解调出导航电文，进行相应的处理后给出所需的定位信息或提供特定的应用服务。

2.1 接收天线

接收天线是GPS接收机处理卫星信号的首个器件,它将接收到的GPS卫星所发射的电磁波信号转变成电压或电流信号,以供接收机射频前端摄取与处理。因为GPS接收机赖以定位的信息基本上全部来自于天线接收到的GPS卫星信号，所以接收天线的性能直接影响着整个接收机的定位性能，它对接收机所起的作用与贡献绝对不容忽视。

对GPS接收机天线的主要技术要求是：接收频率为1575.42MHz的L1信号；为了与接收到的GPS卫星信号的极化方式相匹配，从而提高接收效率，接收天线以右旋圆极化的方式工作；强度微弱的GPS卫星信号应当尽可能地先在紧靠天线的一端得到功率放大，以改善整个接收系统的噪声性能，接收机采用内置低噪声放大器（LAN）的有源天线；电线馈线的阻抗为50 。综上所述，本文采用灵敏度高的竖直形状的四螺旋天线，且在工作时将天线采用外置的形式。

2.2 基于ATR0600的射频前端电路设计

射频(RF)前端模块位于接收机天线与基带数字信号处理模块之间,它通过天线接收所有可见GPS卫星信号,经前置滤波器和前置放大器的滤波放大后,再与本机振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频(IF)信号,最后经模数(A/D)转换器将中频信号离散成包含GPS信号成分的、频率较低的数字中频信号，并在此过程中进行必要的滤波和增益控制。
本设计中射频前端主要由Atmel公司生产的ATR0600芯片及外围滤波电路构成，它是一个GPS接收机射频前端IC芯片，采用单IF结构，芯片上包含有混频器、IF放大器、2bit的模数转换器（ADC）、晶体振荡器等电路，芯片具有极高的集成度，很小的功耗（约50w）。

ATR0600通过外部的天线接收1575.42MHz的L1 GPS信号，经过低噪声放大器LNA进行第1级滤波、放大后，被外部SAW滤波器进行镜像抑制和对1800MHz GSM频带信号进行隔离。该信号与基准频率为23.104 MHz的本振信号进行混频,混频器将GPS信号下变频到97.76MHz中频。混频后，该信号经过LC带通滤波器和可变益放大器（VGA），与片上集成的中频带通滤波器组合，完成对GSM干扰信号的滤波。VGA输出驱动集成的1.5bitA/D转换器，将中频信号转化成4.35MHz的数字中频信号。

ATR0600的内部结构及其电路应用形式如图2所示:

2.3 基于ATR0620的基带处理器电路

基带数字信号处理模块是GPS接收机的核心部分,它通过处理射频前端所输出的数字中频信号,复制出与接收到的卫星信号相一致的本地载波和本地伪码信号,从而实现对GPS信号的捕获与跟踪,并且从中获得GPS伪距和载波相位等测量值以及解调出导航电文。

基带数字信号处理模块通常是硬件与软件相结合的有机体，其中载波解调和C/A码解扩通常是由ASIC硬件形式的数字信号处理器来完成的，而在微处理器中运行的跟踪环路控制软件通过计算来调节数字信号处理器的各种操作。由Atmel公司生产的ATR0620 芯片包含有一个基于ARM7TDMI处理核的16通道相关器，它具有高性能的32bit RISC结构，使用16bit指令系统，能利用ARM7TDMI微控制器核与片上RAM,完成GPS16通道相关器和外围设备接口功能；利用芯片内部大量的功能寄存器可以满足实时控制应用。

ATR0620外部接口及与ATR0600的信号连接如图3所示。

2.4 GPS接收机的电路设计

ATR0600射频前端为ATR0620提供卫星信号,主时钟信号和其它一些控制信号,而ATR0620为ATR0600提供采样信号。图4为利用ATR0600和ATR0620芯片设计的GPS接收机方框图。

2.5 存储模块及通信接口

选用Cypress公司生产的CY7C1041，由片选信号NSCS[I]选通来扩展SRAM，容量为4 Mb。FLASH则选用ST公司的4Mb容量的SST39VF400芯片，由片选信号NSCS[0]选通。

接收机中设计了两种通信接口：一种是JTAG调试接口，连接JTAG仿真器进行开发调试，下载用户程序；另一种是RS232通信串口，用于与主机通信。其中JTAG调试电路连接如图5所示。

3 GPS接收机的软件设计

GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终达到利用 GPS进行导航和定位的目的。GPS接收机软件的结构如图6所示。程序包含两部分：汇编语言程序部分(用于引导和系统初始化)和C语言应用程序(用于主要的导航定位计算)。软件整体采用并行任务结构，由相关器产生的累加数据IRQ中断信号进行任务切换的驱动，在中断服务程序中更新伪码、载波和数据解调环路。

GPS接收机的应用软件根据不同的用途而不同，主要包括：数据采集与分析、卫星位置计算、时间推算、差分定位和动态定位等程序。本设计的GPS接收机上的程序主要在ARM— CLinux交叉编译环境下用C语言进行编写，通过ARM7 JTAG接口连接JAG仿真器进行调试和移植。

4 结束语

本设计的GPS接收机采用内嵌ARM7核的GP4020芯片作为接收机的数字基带处理器，通过实验调试，消除了以往微处理器的瓶颈效应，具有体积小、功耗低、性能高的特点。实验PCB板尺寸：75 mmх50 mm xl2 mm；通道数：16；功耗：小于0.1 W；首次定位时间：小于41 s(冷启动)，小于2.5s(热启动)；定位精度:3 m。