1、 本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 45 页 1 绪 论 1.1 嵌入式技术研究背景 当今世界，伴随着 1946 年第一台电脑的诞生，世界开始了第三次科技革命，而电子科学、空间技术与计算机信息产业则组成这一次科技革命从 20 世纪中叶到现在的主角。电子产业的发展带动了包括集成电路、 计算机 软件技术 、空间技术 、 生物工程 、 信息技术 、 通信 技术等诸多 领域的快速发展， 也衍生出第三次科技革命中重要的组成部分 嵌入式技术。 随着计算机、集成电路和通信技术的快速发展，嵌入式系统的性能逐步提高，功能也越来越丰富。其在众多领域的应用，给人们活带来了便利的同时也改变着人们的生活方式、提高
2、人们的生活质量。特别是随着嵌入式系统与 Internet 的紧密结合，使得嵌入式应用项目越来越多样化，产品功能也日益强大，极大地丰富了人们的生活。 嵌入式微处理器是嵌入式系统核心，具有重量轻、体积小、低成本、高性能、可靠性高等优点。目前主要的嵌入式处理器按体系结构不同可分为五大类： ARM、 POWERPC、MIPS、 SH 和 x86 系列。其中 ARM 处理器具备高性能、低功耗、低成本等显著特点，是当前 32 位和 64位嵌入式处理器中应用最为广泛的一个系列。 ARM 公司只专注于设计高效IP内核，授权给全世界各半导体公司使用，而不从事芯片销售和生产；其它半导体公司在 ARM 技术基础上，
3、根据公司产品的定位，在添加各种设计后推出产品；最后由开发人员采用这些芯片来设计基于 ARM 技术的应用产品。 ARM 公司成立二十多年来己经发展为全球领先的 IP 供应商，其生产模式也成为企业发展的典范。 表 1-1 ARM 系列 处理器内核列表 架构 处理器家族 ARMv1 ARM1 ARMv2 ARM2, ARM3 ARMv3 ARM6, ARM7 ARMv4 StrongARM, ARM7TDMI, ARM9TDMI ARMv5 ARM7EJ, ARM9E, ARM10E, XScale ARMv6 ARM11, ARM Cortex-M ARMv7 ARM Cortex-A, ARM
4、Cortex-M, ARM Cortex-R 2010 年， ARM 合作伙伴的出货量达到了 60 亿。 ARM 核占 手机处理器 90%， 上网本本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 45 页 处理器 30%，平板电脑处理器 70%的市场份额，已经成为 Intel 的强劲竞争者。目前业界可以提供 ARM 内核处理器的著名半导体公司有 Samsung、 TI、 Freescale、 Analog Devices、 CirrusLogic 和 Intel 等。 S3C2410 处理器就是 Samsung 提供的一款采用 32位 ARM 内核的处理器。 嵌入式操作系统是支持嵌入式系统工作的操作系
5、统软件，一般用于比较复杂的嵌入式系统软件开发中。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂，一般具有实时性，它的出现减少了系统开发的总工作量，极大的提高了嵌入式系统开发效率，而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。目前与嵌入式应用相结合的常见嵌入式操作系统有 VxWorks、 Linux、WinCE、 COS II 等。 1.2 GPS 技术研究背景 自 1978年 2月 22日第一颗 GPS试验卫星 Navstar 1进入轨道以来， 30多年来 GPS已经在社会发展、科技创新、军事侦察、环境保护、地理测量等方面发挥了巨大的作用。以 GPS为代表的卫星导航定位应用产业已成为国际公认的八大无线产业之一。随着美
6、国 GPS技术的不断发展和设备更新换代，其应用领域将会越来越广，应用水平也会越来越高，而其性能亦会越来越完善。一般说来 GPS卫星发射的导航、定位信号是一种时空信息资源，可以向全球范围内的用户提供海拔、位置、速度和时间等信息。随着 GPS技术从军事专用转向军民两用， GPS在民用市场所蕴藏的巨大商机被发掘 出来，进一步推动了 GPS技术的发展。 GPS不仅用于导弹的引导系统、飞船的控制和引导，更是广泛应用于安全防护、交通运输、监控指挥、抗震救灾、地理物理勘探、高精度测量等方面。尤其是随着集成电路技术和卫星导航接收机的发展， 使得 GPS接收机向着小型化、智能化方向发展。采用嵌入式技术突破以往
7、GPS接收机由于处理器速度和体积而导致实时性不足的限制。更出现了融通信、计算机、 GPS导航定位于一体的个人终端，使卫星导航技术真正从专业应用走向了大众应用，成为继通信、互联网之后的 IT第三个新的增长点。 因此，以嵌入式系统为框架，用 高性能的处理器来处理定位信息，成为目前 GPS定位系统的发展趋势。 2008 年 6月 24 日 DataBeans 发布的一份研究报告显示， 全球定位系统 IC的需求在上升，芯片价格大幅下跌，开始广泛应用于手机市场、以及成熟的 PND 和汽车市场。 GPS电子设备的出货量在 2007 年达到一亿两千六百万台，年度复合增长率达到 20%，预计2013 年将达到
8、 5 亿台。而最新的 2011 年的数据显示 ，美国汽车 GPS 普及率为 65%，在欧盟国家和日本的普及率则更高，分别达到 73%和 76%。与之相比，我国汽车 GPS 普及本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 45 页 率不到 10%。 与美国和欧盟相比，可以看出我国汽车 GPS 定位系统的市场发展空间巨大。 由于嵌入式系统的高速发展和 GPS应用的推广，尤其是我国北斗导航系统的亚太组网成功和开放使用，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。当前我国城市化进程加快，城市建设和发展速度越来越快，道路变得日益错综复杂 ,找到 一种使人们能够从容面对错综复杂的交通
9、网的解决方案己经迫在眉睫。而 GPS定位和导航技术的应用和发展，为这个问题带来了很好的解决方案。因此，研究和开发基于 ARM的 GPS定位系统具有现实意义。 1.3 嵌入式系统 1.3.1 嵌入式系统的概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对成本、功能、可靠性、功耗、体积等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及各种应用程序四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 由嵌入式系统的定义可见，嵌入式系统具有专业性强、技术密集、系统精简等几大特点： (1) 专用性强 嵌入式系统与应用紧密的
10、结合，具有很强的专用性。面对个性化需求，其软件系统和硬件平台的结合非常紧密，针对不同的硬件系统进行软件移植需要根据系统的的变化进行软件的相应修改；同时随着任务的不同，往往需要对软件进行不同的设计和修改；而程序的编译下载也要和系统相结合。 (2) 技术密集 嵌入式系统是为了满足各行各业的不同需求，将先进的计算机、电子和半导体等技术进行相互结合后的产物。这一点决定了它必然是一个技术密集的需要 不断创新和研究的领域和知识集成系统。 (3) 系统精简 嵌入式应用系统必须根据应用需求在满足应用系统的可靠性、功能、体积、成本等要求的情况下对软硬件进行裁剪。目前开发嵌入式系统的一般方法是：先设计一个相对通用
11、的软硬件平台，然后在此基础上进行软硬件裁剪、优化和扩展，从而设计出各种需要的应用系统。一般的嵌入式系统结构自底向上可分为 3个部分，如图 1-1 所示。 本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 45 页 图 1-1 嵌入式系统结构 嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机组成的共性，也是由硬件和软件组成。嵌入式系统硬件平台提供了嵌入式系统软件运行的 物理平台和通信接口，不同的应用通常有不同的硬件平台，但是基本结构是相同的，通常包括嵌入式处理器、存储器、 AD 转换器、扩展接口、人机交互接口和 I/O 接口等，如图 1-2所示。嵌入式系统的软件分为嵌入式操作系统和嵌入式应用软件两大部分，
12、是整个系统的核心，控制系统的运行，提供人机交互信息等。 图 1-2 嵌入式硬件平台结构 1.3.2 嵌入式系统的选择 现今，与嵌入式相结合应用比较广泛的嵌入式操作系统有 VxWorks、 Linux、 WinCE、 COS-II 等，它们各具特点，相比较而言，嵌入式 Linux 更具有优势 ： （ 1） Linux 属于自由软件，所以源代码开放，各种软件资源丰富； （ 2） 功能强大的内核，性能高效、稳定，支持多任务、多体系结构，如 X86、 ARM、MIPS、 ALPMA、 SPARC 等； （ 3） 拥有完善的网络通讯、图形界面、文件管理机制； （ 4） 支持大量的周边硬件设备； 本 科
13、毕 业 设 计 第 5 页 共 45 页 （ 5） 大小、功能都可根据开发者需要进行定制； （ 6） 良好的开发环境，不断发展和更新的开发工具集； （ 7） 大量嵌入式开发者的广泛支持； （ 8） 使用价格低廉，能有效降低产品成本。 这些优势，使嵌入式 Linux 系统占据嵌入式市场份额第一的同时也使得其研发热潮蓬勃兴起。除了一些传 统的 Linux 公司 (如 RedHat、 Monta、 Ubuntu 等 )正在从事嵌入式Linux 的开发和应用之外， IBM、 Intel 等著名企业相继进行嵌入式 Linux 的研究。 嵌入式图形用户界面 (Graphics User Interface
14、)系统是嵌入式实时操作系统的一个重要组成部分，随着硬件设备价格不断降低和可获得性提高 ,嵌入式系统应用范围也不断扩大，致使嵌入式系统迫切的需要高性能的图形用户界面系统来支持系统的开发，而嵌入式 Linux 系统很好了兼容 QT/Embedded 和 MiniGUI 图形界面开发工具。这些 GUI的基本特点： (1) 轻型、占用资源少； （ 2）高性能； （ 3）高可靠性； (4) 可配置。 时代的发展和市场份额的分配告诉我们，图形用户界面 GUI 的应用加速了计算机的普及广度，而嵌入式技术的发展加速了计算机的普及深度，后 PC 时代日益呼唤着两者紧密的融合。因此对二者的深入研究有着深刻的现实意
15、义。 1.4 本课题的主要研究内容及意义 本设计主要根据便携式 GPS 定位系统的要求，结合目前市场上出现的各种 GPS 定位系统整机产品，参考其相关功能、价格和实现方式等因素，本着低功耗、高性价比、高可靠性和简 化操作的原则，通过合理的选取硬件资源，辅之以个性化的软件设计，使本系统具有一定的实用性、创新性和可扩展性。其成果对于进一步丰富低端便携式 GPS 定位系统，满足大众对于低端和简易式操作 GPS 定位导航终端的市场需求，对我国的国民经济建设和 GPS 定位技术及产品的普及有着巨大的推动作用。 根据要求，本设计主要研究了如下几部分内容： （ 1） GPS 定位导航系统的总体方案设计； 本
16、 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 45 页 （ 2） ARM920T 系列核中 S3C2410 系列处理器的原理、结构、功能及其外围设备的使用， GPS 模块的原理和使用，以及各部分的联系和作用； （ 3） 嵌入式 Linux 系统内核、文件系统的裁剪、编译和移植； （ 4） GPS模块输出的 NEMA0183码， 通过串口接收存储 及 GPRMC数据段提取和解析； （ 5） QT/Embedded 的界面设计方法和 GPS 数据处理在图形界面中的实现； （ 6） 将 GPS 应用程序移植到 Qtopia 中去。 本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 45 页 2 GPS 定位技术原理
17、2.1 GPS 系统组成 GPS 是 Navigation Satellite Timingand Ranging/Global Positioning System的简称，中文全称是卫星授时测距 导航 /全球定位系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全球性、全能性、连续性、全天候、实时性的导航、定位和授时等多种功能，能为各类高速运动或静止的用户提供精确的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等服务。 GPS 系统有三大组成部分：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。 （ 1） 空间部分：即 GPS 卫星星座，由 21 颗工作卫星和 3颗备用卫星共 24 颗卫星 组成。位于距地面 20
18、200km 太空，均匀分布于 6个轨道平面上，各轨道相对赤道面倾角为 55。卫星采用频率 1227.6MHz 和 1575.42MHz 两种无线电波发射 导航定位信息和接收地面调试命令。 （ 2） 地面控制部分：即地面监控系统，由一个主控站、三个注入站和五个监测站 组成，实现对卫星运行轨道、时间调控、工作状态的监测和控制。 （ 3） 用户设备部分：即 GPS 信号接收机，由接收机硬件和接收机软件构成。通过 对捕的获卫星导航信息接收和处理，解译出导航电文，实时计算出测点的时间、三维位置和速度。 2.2 GPS 定位基本原理 GPS定位基本原理是：卫星不间断地用二进制形式向用户发送自身的星历参数和
19、时间信息，用户通过 GPS接收机接收到这些信息后，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。 2.2.1 GPS 卫星信号 GPS卫星发射的信号包括卫星的位置信息（图 2-1展示了 GPS信号的产生）。 GPS信号包含三种成分：数据码（ D码）、测距码（ C/A码和 P码）、载波信号（ L1和 L2）内容有： (1) 测距时间间距； (2) 与导航相关的信息； (3) 大气附加延迟校正参数； (4) 卫星星历及星钟校正参数。 本 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 45 页 图 2-1 GPS信号的产生 普通的 GPS接收器只能接收二进制数据，然后根据特定的算法从接收到的
20、信号中提取出导航电文，即数据码 D(t)。导航电文有五部分内容遥测码、转换码、第一数 据块、第二数据块和第三数据块。 遥测码（ TLW-Telemetry Word）每个子帧的第 1个字，其含有同步信号能为各子帧提供一个同步起点，用于导航电文前导的捕获，协助用户快速解译导航电文，判定卫星是否可用。 转换码（ HOW-Hand Over Word）每个子帧的第 2个字，主要内容： Z计数，用来辅助用户快速地从捕获的 C/A码转换到 P码捕获。 第一数据块是由第 1子帧第 3 10个字 组成 ，包含卫星时钟校正参量及其数据龄期，星期的周数编号，大气校正参数和卫星工作状态等。 第二数据块是由第 2、
21、 3子帧第 3 10个字组 成，其载有卫星星历，包含 GPS定位中最常用的基本数据：开普勒六参数 、 轨道摄动九参数 、 时间二参数。 第三数据块是由第 4、 5子帧的第 3 10个字组成，此数据块的内容每 12.5分钟重复一次，其中包含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状态的字符。 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。当 GPS接收机接收到数据后，根据导航电文编排格式 (表 2-1）提取出所需的 NMEA-0183标准数据，通过数据传输线传送给微处理器，进行数据 处理。 本 科 毕 业 设 计 第
22、 9 页 共 45 页 表 2-1 导航电文 编排格式 帧数 1 位 2 位 3 10 位 第一子帧 遥测码 转换码 第一数据块 第二子帧 遥测码 转换码 第二数据块 第三子帧 遥测码 转换码 第二数据块 第四子帧 遥测码 转换码 第三数据块 第五子帧 遥测码 转换码 第三数据块 2.2.2 GPS 定位方法和原理 GPS 定位方法多种多样，开发人员可以根据不同的需求采用不同的定位方法。 目前GPS 定位的方法大致有四类：多普勒法、伪距法、射电干涉测量法、载波相位测量法。四种都是比较常用 的定位方法，多普勒定位和载波相位定位相对位居定位测量的精度要高，但是其价格昂贵，多用于高端产品的设计。目前
23、民用领域对精度要求不高的导航定位终端主要采用造价比较低廉的伪距测量定位法，此次设计也采用这种测量方法。 伪距定位法的原理是：在某一瞬间利用 GPS 接收机同时测定至少四颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。作为 GPS 定位系统导航定位的最基本方法，伪距定位法具有数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度问题，可以非常容易地实现实时定位的优点，非常 适合精度要求不高的普通导航领域。 GPS 接收机对码的量测而得到卫星到接收机的距离称为伪距 (Pseudo range)，简称PR。因为伪距含有 卫星时钟与接收机时钟的同步误差以及大气
24、传播误差，所以 GPS 卫星到接收机的实际距离，是 GPS 接收机通过恢复的卫星钟和接收机本身时钟之间的差（即卫星钟传播到用户的时延）换算所得。如果两者时间精确同步，利用距离等于光速乘以时间，得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，即两者存在钟差 t，所测得的距离并真实距离，而是伪距表示为 PR=R+C t， t分正负，接收机钟慢于卫星钟则取正，反之取负。 在 GPS 距离测量中，我们可以得到卫星到接收机的距离，通过数学三维坐标中距离公式 2-1： 222 )()()(R zZyYxX iii (2-1) 本 科 毕 业 设 计 第 10 页 共 45 页 利用
25、接收到的四颗卫星中的三颗数据组成三元方程组。解出观测点的三维坐标（ x,y,z）。实际上，一般接收机时钟不可能非常准确，由此测出的卫星信号的传播时间存在误差，得到的距离 R也有误差是伪距。假设接收机接收到卫星信号的瞬间，接收机与卫星导航 系统的钟差为定值 t，则此时距离公式应换成： c)()()(PR 222 tzZiyYixXi (2-2) 式 2-2中， c 为光传播速度。 根据图 2-2 GPS定位原理图示意图确定公式 2-2 2-5 的方程式： 图 2-2 GPS定位原理图 c)()()(PR 212121 tzZyYxX (2-3) c)()()(PR 222222 tzZyYxX (2-4) c)()()(PR 232323 tzZyYxX (2-5) c)()()(PR 242424 tzZyYxX (2-6) 联立以上四个方程便解出 x， y， z和 t， (x,y,z)即接收机空间坐标，并进行接收机的时间修正。 卫星 1 111 ZYX ，卫星 2 222 ZYX ，卫星 3 333 ZYX ，卫星 4 444 ZYX ，0 x y z
