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用AT91R40008設計高動態GPS接收機
摘要：在高動態GPS接收機中，由于要對多個通道連續跟蹤，實時數據運算處理最大，因此對微處理器的性能要求較高。除性能外，對功耗和何種也有很高要求。在移動通信領域得到廣泛應用的ARM微處理器具有性能高、體積小、功耗低、低成本的特點，選擇ARM微處理器設計高動態GPS接收機非常合適。本文較詳細介紹采用Atmel公司的ARM核微控制器AT91R40008設計高調動態GPS接收機的過程。作為一種成熟的衛星導航系統，GPS（全球定位系統）技術目前已經被初步應用在各行各業中，其應用前景也非常廣闊。
GPS系統由三部分組成：空間部分——各軌道衛星；地面部分——運行控制系統；用戶部分——GPS接收機。空間和控制部分由美國軍方設計和控制，用戶部分主要是各種型號的GPS接收機。
自從GPS全部建成以后，它將晝夜不停地發送導航信息，在在地址的任何時間和任何地方實現定位。用戶接收機的功能是接收GPS衛星發送的導航信號，恢復載波信號頻率和衛星鐘，解調出衛星星歷、衛星鐘校正參數等數據。通過測量本地時鐘與恢復的衛星鐘之間的時延來測量偽距并進行修正。采用經典導航定位算法或卡爾曼濾波定位算法，由四顆衛星定出用戶的位置。
GPS接收機主要由天線/低噪聲前置放大器、GPS接收機變頻和相關通道、微處理器系統組成。系統構成如圖1所示。
其中核心部分是微處理器系統。特別是在高動態應用中，由于對多通道連續跟蹤，數據運算處理量大，處理器部分往往成為整個接收機性能的瓶頸。因此選擇什么樣的處理器將直接影響到GPS接收機的成本及性能，如運算速度、定位精度、功耗等。本文將探討采用Atmel公司的ARM核微控制器AT91R40008設計高動態GPS接收機。
1 GPS接收機整體方案設計
1.1 GPS接收機設計原理
GPS接收機由信號接收、信號變頻、信號相關、信號處理和存儲及接口等幾大模塊組成。原理框圖如圖2所示。
如圖2所示，導航信號由天線接收，經過低哭聲前置放大，進入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號轉換為中頻信號。中頻信號經采樣信號采樣、量化后，轉換為數字中頻信號。數字中頻信號進入相關通道，經過處理后，解譯出導航電文。微處理器接收導航電文數據，進行相應處理后給出所需的定位信息或提供特定的應用服務。
本設計中，射頻前前和相關通道部分選用英國Zarlink半地體公司生產的GP2015和GP2021芯片。其中，GP2015是12通道相關器。微處理器采用Atmel公司生產的32位ARM核微控制器AT91R40008。
1．2 ARM核微控制器AT91R40008
AT91微控制器是Atmel公司繼AT89、AT90（AVR）系列單片機后，推出的基于國際領先32位RISC處理器核ARM的高端嵌入式系統芯片。AT91R40008含有256KB的片內32位寬SRAM，在66MHz下運行片內SRAM可用于影像應用軟件或存儲數據，在最小系統功耗下得到最高性能。為了使功耗最小，用戶可在加載內部SRAM以后，禁止外部非易失性存儲器。
2 GPS接收機硬件設計
GPS接收機硬件設計原理圖如圖3所示。
所有的本振頻率和數字鐘信號都是由GP2015內的鎖相環（PLL）產生的。GP2015有一個內置的晶體振蕩環路，只需外置一個晶體振蕩器，這個晶振的穩定性對整個接收機有著非常重要的影響。只有溫補晶振才能達到要求，本設計中的晶體振蕩器采用TCXO 4080，它的穩定度能達到10 -8。
采用以ARM7TDMI為內核的微控制器AT91R40008。AT91R40008含有256KB的片內32位SRAM，可用于影像應用軟件或存儲數據。考慮到應用軟件的大小及算法復雜度對內存的需求，本設計中擴展了一片片外SRAM。該SRAM的容量最高中擴展到1MB，選用Cypress公司生產的CY7C1041，由片選信號NCS1選通，容量為512KB。
圖3
Flash是快速閃存，存儲由主機通過調試口或串口下載來的程序代碼。本設計選用AMD公司生產的AM29LV400，這是一個512KB容量的Flash EPROM芯片，由片選信號NCS0選通。
接收機與外部有兩種 通信接口：一種是JTAG接口，連接JTAG仿真器，使用集成開發環境配合JTAG仿真器進行開發調試、下載用戶程序等，非常方便；另一種是通用串口，共有兩個，一個用于與主機通信 ，一個用于GPS數據輸出。
3 GPS接收機軟件設計
GPS接收機是軟硬件結合的電路。相關通道接收變頻器產生二位數據流，對其進行解調、解擴，得到導航電文信息。微處理器對相關通道進行控制，完成對相關通道數據的讀取、判斷、運算，對它本身的工作參數設定等。
GP2021具有12個相關處理通道，每個相關處理通道的電路都相同且各自獨立，最多能同時接收12顆衛星的信號。每個相關通道主要由一個載波鎖定環路和一個C/A碼延時鎖定環路組成。載波鎖定環路用來跟蹤衛星信號載波頻率和載波相位，使環路中載波數控振蕩器產生的本地參考信號頻率與衛星信號載波頻率保持相等，且相位差接近于零，達到
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