基于ARM和WINCE的便攜式差分GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)及

摘要：以ARM9微處理器S3C2440A為硬件平臺(tái)核心，WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，構(gòu)建了微型化、便攜的差分GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)。在Visual Studio2008開發(fā)環(huán)境中采用MFC編程技術(shù)，編寫導(dǎo)航定位軟件，通過RS232串口讀取差分GPS接收設(shè)備輸出的$GPRMC信息，解析后用于顯示和導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算。系統(tǒng)在開闊場地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行正常并得到了精度良好的導(dǎo)航定位結(jié)果，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

差分GPS可提供連續(xù)、高精度、實(shí)時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)、位置、速度、整周模糊度等數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)海上試驗(yàn)中。在以小型船舶如小艇、漁船等為平臺(tái)進(jìn)行某些試驗(yàn)科目時(shí)，由于其空間狹小，防護(hù)性較差，使用常規(guī)差分GPS接收機(jī)加顯控筆記本存在架設(shè)不便、供電困難、濺入海水等問題，而使用手持GPS接收機(jī)又存在精度低、穩(wěn)定性差、屏幕小、導(dǎo)航不便等問題。嵌入式系統(tǒng)以其低功耗、小體積、高穩(wěn)定性和便攜等優(yōu)勢(shì)，在GPS的應(yīng)用中占據(jù)重要的位置。文中研究基于嵌入式微處理器系統(tǒng)和WindowsCE5.0的便攜式差分GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)硬件主要由3部分組成：ARM平臺(tái)，差分GPS模塊，移動(dòng)電源模塊。ARM平臺(tái)主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，差分GPS模塊負(fù)責(zé)GPS定位信息的接收和發(fā)送，移動(dòng)電源模塊負(fù)責(zé)分別給ARM平臺(tái)和差分GPS模塊供電，硬件構(gòu)成如圖1所示。

1.1 ARM平臺(tái)

由基于ARM920T內(nèi)核的32位高性能嵌入式微處理器S3C2440A、64MB的SDRAM、64MB的Nand Flash的核心板和外圍擴(kuò)展接口資源7寸LCD觸摸屏、USB口、JTAG接口、電源接口、復(fù)位電路、RTC電路、SD卡接口、1個(gè)RS232串口、1個(gè)UART接口(3個(gè)擴(kuò)展串口)組成，SDRAM存儲(chǔ)器用于運(yùn)

行系統(tǒng)主程序，Nand Flash存儲(chǔ)器具有掉電保護(hù)功能，用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)核、Boofloader的啟動(dòng)代碼和開發(fā)程序，RS232串口COM1可用于和PC機(jī)通信，擴(kuò)展串口COM0為3.3 VCMOS電平，用于采集差分GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息。選用群創(chuàng)7寸TFT電阻式觸摸屏，用于人機(jī)交互和顯示導(dǎo)航軟件信息，USB口用于下載WINCE內(nèi)核文件及與軟件開發(fā)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，JTAG調(diào)試接口用于硬件調(diào)試和燒載Bootloader。

1.2 差分GPS模塊

由加拿大Hemisphere公司的Crescent GPS OEM板HC12、電平轉(zhuǎn)換板和差分天線組成。新月HC12是一款高性能單頻12通道接收機(jī)(其中有2個(gè)通道專用于跟蹤SBAS信號(hào))，體積小、功耗低，通過接收SBAS或外部差分信號(hào)，可提供亞米級(jí)定位精度，數(shù)據(jù)輸出采用NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)，輸出速率可高達(dá)20Hz.此接收機(jī)還可以輸出原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，用于后處理解算。在差分信號(hào)暫時(shí)失鎖情況下，其專利的COAST技術(shù)可以利用已收到的差分?jǐn)?shù)據(jù)保持30分鐘的穩(wěn)定差分級(jí)定位精度。

新月HC12有3個(gè)全雙工3.3 V CMOS電平串口(A，B，C)，COM A直接與ARM平臺(tái)COM2相連，用于進(jìn)行HC12參數(shù)設(shè)置或輸出定位數(shù)據(jù)信息，COM B電平轉(zhuǎn)換為RS232電平后可接入PC機(jī)，同樣可用于HC12參數(shù)設(shè)置或輸出定位數(shù)據(jù)信息，COM C串口備用。HC12輸入電壓為3.3 V，而電源模塊輸出電壓為5 V，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電源電壓轉(zhuǎn)換選用AMS1117-3.3芯片，串口電平轉(zhuǎn)換采用MAX3232芯片，HC12通過一34Pin(17pin X2)的轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)電源供電以及外部通信，電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

差分天線選用Hemisphere公司生產(chǎn)的A30天線，該天線可接收GPS、SBAS和Beacon信號(hào)，擁有多個(gè)波段接收能力，具有出色的緩解抑制噪聲性能，在高電氣噪聲和其它被干擾環(huán)境下都能夠保持很好的GPS信號(hào)接收，適合使用在高精密的GPS應(yīng)用中。

1.3 移動(dòng)電源模塊

由8塊2400mAh三星18650圓柱形鋰離子電芯和5V升壓、保護(hù)、充電一體板組成，兩個(gè)輸出端口分別給ARM平臺(tái)和差分GPS模塊供電，輸出電壓5 V、電流1 A，其供電時(shí)間大于6小時(shí)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件是基于WINCE5.0嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，WINCE是一個(gè)多任務(wù)、完全搶占式的32位嵌入式操作系統(tǒng)，具有操作界面良好、實(shí)時(shí)性較高、占用資源少、通信能力強(qiáng)的特點(diǎn)，支持WINCE MFC、ATL、WINCE API和一些附加的編程接口及各種通信技術(shù)，可充分滿足本軟件的技術(shù)需求。開發(fā)工具采用微軟的Visual Studio2008，安裝完WINCE5.0的SDK(Software Development Kit，軟件開發(fā)工具包)后，創(chuàng)建智能設(shè)備MFC工程，即可開始軟件編寫。SDK可以使用標(biāo)準(zhǔn)的，也可自行編譯生成。

2.1 軟件界面

圖3所示為本系統(tǒng)接收GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理并顯示的軟件界面。打開界面后，在“串口通信”區(qū)進(jìn)行串口“端口號(hào)”和“波特率”設(shè)置，點(diǎn)擊“打開”按鈕，下方“收到”的編輯框就會(huì)不斷地顯示從差分GPS模塊輸出的NMEA格式導(dǎo)航數(shù)據(jù)，勾選“保存數(shù)據(jù)”可將輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以文本格式保存，用于事后數(shù)據(jù)處理分析，在“發(fā)送”編輯框可借助NMEA0183指令進(jìn)行HC12參數(shù)設(shè)置;在“定位信息”區(qū)有經(jīng)緯度、航向、速度、GPS時(shí)間等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，點(diǎn)擊“清除軌跡”可將海圖顯示區(qū)歷史軌跡清除;“導(dǎo)航信息”區(qū)可進(jìn)行“目標(biāo)點(diǎn)”添加、修改、刪除、畫圓、航線等設(shè)置，實(shí)時(shí)顯示本船距目標(biāo)點(diǎn)位置、方位、偏離等參數(shù)：在“海圖操作”區(qū)可進(jìn)行放大、縮小、本艦居中、目標(biāo)居中、標(biāo)記當(dāng)前點(diǎn)位等操作，勾選“平移海圖”后點(diǎn)按左側(cè)海圖區(qū)不動(dòng)可進(jìn)行上下左右移動(dòng);左側(cè)藍(lán)色區(qū)域?yàn)楹D顯示區(qū)，可直觀顯示本船與各目標(biāo)點(diǎn)位置關(guān)系、試驗(yàn)態(tài)勢(shì)等。

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