1、 江苏科技大学本科毕业设计（论文） I 江苏科技大学 本科毕业设计（论文） 江苏科技大学本科毕业设计（论文） II 基于 ARM 的 GPS 导航定位系统设计 ARM-based GPS navigation system design 摘要 GPS(全球定位系统 )是一种全方位的实时定位技术 ,随着 GPS技术的发展，以 ARM处理器作为主 CPU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 。 本文 以 Windows CE为嵌入式操作系统， 对基于 ARM的 GPS定位
2、系统的开发进行了研究与实现。 硬件平台设计以三星公司的 ARM920T核的 S3C2410为微处理器 ， 对以下三个方面的技江苏科技大学本科毕业设计（论文） III 术进行了研究：一是对 GPS及嵌入式技术进行了介绍， 介绍了 GPS技术原理、特点、和定位方式；二是搭建基于 ARM的硬件平台 ，对电源电路，存储电路等进行了设计 ；三是对 GPS模块及通讯接口进行了设计。 关键字 : GPS ARM Windows CE操作系统 Abstract GPS (Global Positioning System) is a comprehensive real-time positioning te
3、chnology, with GPS technology to ARM processor as the main CPU of the embedded hardware platform has almost become the information industry hardware standards.On the one hand ,it has a small,strong performance,low power,high reliabity:on the other hand,it is high speed,stable operation and provides
4、a hardware based embedded operating system.In this paper, Windows CE embedded operating system, ARM-based GPS positioning system and implementation of 江苏科技大学本科毕业设计（论文） IV development studied. Platform designed to Samsung S3C2410 ARM920T microprocessor core, on the following three techniques were stu
5、died: one on the GPS and embedded technologies are introduced, introduced the principle of GPS technology, features, and positioning means ; Second, ARM-based hardware platform built on the power supply circuit, memory circuit design, etc.; Third, GPS module and the communication interface is design
6、ed. Keywords: GPS ARM Windows CE Operation System 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 嵌入式技术研究背景 . 1 1.2 GPS 技术研究背景 . 2 第二章 GPS 技术基本原理 . 3 2.1 GPS 基本原理 . 3 2.1.1 卫星的位置 . 3 2.1.2 卫星与用户间的相对距离 . 4 2.1.3 卫星信号的解算 . 4 2.1.4 GPS 的定位方式 . 5 江苏科技大学本科毕业设计（论文） V 2.2 GPS 发展前景 . 6 第三章 嵌入式系统设计 . 8 3.1 嵌入式 系统 . 8 3.2 WINDOWS CE 嵌入式操
7、作系统 . 8 3.3 WINDOWS CE 系统框架 . 9 3.4 嵌入式软件平台开发 . 10 3.4.1 Boot Loader 开发 . 10 3.4.2 OAL 开发 . 11 3.5 ARM 技术介绍 . 13 3.5.1 ARM 处理器的体系结构 . 13 3.5.2 ARM920T 微处理器概述 . 14 第四章 系统硬件及 GPS 模块设计 . 15 4.1 总体硬件设计方案 . 15 4.1.1 系统硬件的选择 . 15 4.1.2 S3C2410 处理器 . 15 4.2 系统硬件电路设计 . 16 4.2.1 电源电路 . 18 4.2.2 串口电路 . 18 4.2
8、.3 Flash 电路 . 19 4.2.4 SDRAM 电路 . 20 4.2.5 显示电路 . 21 4.3 GPS 模块电路设计 . 22 4.3.1 GPS 模块选择 . 22 4.3.2 GPS 模块与主机的串口通信 . 23 第五章 系统软件设计 . 25 5.1 NEMA0183 协议 . 25 5.2 GPS 程序设计 . 25 5.3 用户界面 . 29 总结 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 32 附录 . 33 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 嵌入式技术研究背景 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，
9、从家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表到汽车、军事装备、制造工业、过程控制等。尤其是随着嵌入式系统与 Internet 的日益结合，使得嵌入式应用项目越来越多样化，使嵌入式电子产品的功能也日益强大。 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 ARM 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 32 位、 64 位嵌入式处理器中应用最为广泛的一个系列。而英国先进 RISC 机器公司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
10、在 ARM 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 OEM 客户采用这些芯片来构建基于 ARM 技术的最终应用系统产品。经过十多年的发展， ARM 公司己是业界领先的 IP 供应商。 ARM微处理器 得到了众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，全球己有十多家公司在采用 ARM技术， 20家最大的半导体厂商中有 19家是 ARM的用户，包括 TI、 PHILIPS和INTEL等公司。优良的性能和准确的市场定位极大地丰富了 ARM资源，加速了基于 ARM核的、面向各种应用系统芯片的开发应用，使得 ARM获得了更广泛的应用，确立了 ARM技术的市场领先地位。 ARM
11、在高性能嵌入式应用领域获得了巨大的成功，己在 32位嵌入式应用中稳居世界第一。在 2002年，基于 ARM核的芯片占据了整个 32、 64位嵌入式微处理器市场的 79.5，全世界已 使用了 20多亿个核。如今， ARM公司已经成为业界的龙头老大，“每个人口袋中都装着 ARM”是毫不夸张的，因为几乎所有的手机、移动设备、 PDA都是用基于 ARM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
12、的可移植性。目前常见的嵌入式操作系统有 Linux ,Windows CE 等。其中Windows CE.Net是微软推出的一款面向嵌入式应用的操作系统，它继承了 Windows家族优江苏科技大学本科毕业设计（论文） 2 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 CPU的操作系统。 Windows CE net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、 PDA、工业控制等嵌入式领域。 1.2 GPS 技术研究背景 自从 1978年 2月 22日第一颗 GPS试验卫星进入轨道以来， 27年间
13、GPS已经显示了它巨大的社会、军事作用与经济、社会效益 。 GPS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。 GPS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 24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 GPS向民用开放，它所蕴藏的巨大商机也被发掘出来。 GPS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，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、 GPS于一
14、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 IT第二个新的增长点。 随着嵌入式系统的高度发展和 GPS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。GPS主要功能有定位、测量及授时等，而动态 (即瞬间 )定位是 GPS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 GPS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
15、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 GPS进行车辆定位导航是个不错的选择。因此，研究和开发基于嵌入式系统的 GPS定位系统具有现实意义。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 3 第二章 GPS 技术基本原理 2.1 GPS 基本原理 GPS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。 2.1.1 卫星的位置 GPS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
16、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)测距时间间距； (3)大气附加延迟校正参数； (4)与导航有关的信息； 一般的 GPS接收机只能接收。接收机根据特定的算法，能够从 L1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 (TLM)位于每个子帧的第一个子码，作为捕获导航电文的前导。其 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 (HOW)是子帧的第二个子码，它的主要作用是帮助用户从以捕获的 C/A码转换到 P码的捕获。 第一数据快的
17、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数及卫星工作状态等。 第二数据块包括第二和第三子帧，它载有卫星的星历。这是 GPS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初略知道其他卫星的情况。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 4 当 GPS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。 2.1.2 卫星与用户间的相对距离 GPS使用单向测距方法来测定某颗卫星与用户
18、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 GPS接收机中恢复的卫星钟和用户本身的时钟之间的差，即测量卫星钟要传播到用户所花的时间即传播时延得以实现。如果两者时间精确同步，即两时钟信号同频同相，那么，利用距离等于时间乘以光速的原理 ，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却不能精确同步，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 (Pseudo range)，简称 PR，表示为 PR=R+C t， t取值是有正负的，用户钟慢于卫星钟则取正，反之取负。 2.1.3 卫星信号的解算
19、 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的间距 R， R= 222 )()()( zZyYxX iii (2-1) 式 (2 1)中 R为观测量， (Xi,Yi,Zi )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
20、不准确，而是伪距。设接收机在接收卫 星信号的瞬间，接收机与卫星导航系统的钟差为定值 t，则上述公式就要改写成： R= CtzZiyYixXi 222 )()()( (2-2) 式中， c为卫星信号 传播速度常数，其中的未知数比式 (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= CtzZyYxX 212121 )()()( (2-3) R= CtzZyYxX 222222 )()()( 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 5 R= CtzZyYxX 232323 )()()( R= CtzZyYxX 242424 )()()( 以上四个方程联立便可
21、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。 GPS卫星定位原理示意图如 2-1所示： 图 2-1 GPS定位原理图 2.1.4 GPS 的定位方式 用 GPS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)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
