基于ARM和WINCE的便携式差分GPS导航定位系统设计及实现 微处理器, GPS导航, 编程技术, 嵌入式, 操作系统

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摘要：以ARM9微处理器S3C2440A为硬件平台核心，WindowsCE嵌入式操作系统为软件平台，构建了微型化、便携的差分GPS导航定位系统。在Visual  Studio2008开发环境中采用MFC编程技术，编写导航定位软件，通过RS232串口读取差分GPS接收设备输出的$GPRMC信息，解析后用于显示和导航参数计算。系统在开阔场地进行了实验，运行正常并得到了精度良好的导航定位结果，具有重要的实用价值。差分GPS可提供连续、高精度、实时的时间基准、位置、速度、整周模糊度等数据，被广泛应用于各项海上试验中。在以小型船舶如小艇、渔船等为平台进行某些试验科目时，由于其空间狭小，防护性较差，使用常规差分GPS接收机加显控笔记本存在架设不便、供电困难、溅入海水等问题，而使用手持GPS接收机又存在精度低、稳定性差、屏幕小、导航不便等问题。嵌入式系统以其低功耗、小体积、高稳定性和便携等优势，在GPS的应用中占据重要的位置。文中研究基于嵌入式微处理器系统和WindowsCE5.0的便携式差分GPS导航定位系统。
1 系统的硬件设计
设计的导航定位系统硬件主要由3部分组成：ARM平台，差分GPS模块，移动电源模块。ARM平台主要负责整个系统的运行，差分GPS模块负责GPS定位信息的接收和发送，移动电源模块负责分别给ARM平台和差分GPS模块供电，硬件构成如图1所示。
1.1 ARM平台
由基于ARM920T内核的32位高性能嵌入式微处理器S3C2440A、64MB的SDRAM、64MB的Nand  Flash的核心板和外围扩展接口资源7寸LCD触摸屏、USB口、JTAG接口、电源接口、复位电路、RTC电路、SD卡接口、1个RS232串口、1个UART接口(3个扩展串口)组成，SDRAM存储器用于运
行系统主程序，Nand  Flash存储器具有掉电保护功能，用于存储操作系统内核、Boofloader的启动代码和开发程序，RS232串口COM1可用于和PC机通信，扩展串口COM0为3.3  VCMOS电平，用于采集差分GPS模块输出的数据信息。选用群创7寸TFT电阻式触摸屏，用于人机交互和显示导航软件信息，USB口用于下载WINCE内核文件及与软件开发主机进行数据交互，JTAG调试接口用于硬件调试和烧载Bootloader。
1.2 差分GPS模块
由加拿大Hemisphere公司的Crescent GPS  OEM板HC12、电平转换板和差分天线组成。新月HC12是一款高性能单频12通道接收机(其中有2个通道专用于跟踪SBAS信号)，体积小、功耗低，通过接收SBAS或外部差分信号，可提供亚米级定位精度，数据输出采用NMEA-0183标准，输出速率可高达20Hz.此接收机还可以输出原始观测数据，用于后处理解算。在差分信号暂时失锁情况下，其专利的COAST技术可以利用已收到的差分数据保持30分钟的稳定差分级定位精度。
新月HC12有3个全双工3.3 V CMOS电平串口(A，B，C)，COM  A直接与ARM平台COM2相连，用于进行HC12参数设置或输出定位数据信息，COM  B电平转换为RS232电平后可接入PC机，同样可用于HC12参数设置或输出定位数据信息，COM C串口备用。HC12输入电压为3.3 V，而电源模块输出电压为5  V，需要进行电平转换。电源电压转换选用AMS1117-3.3芯片，串口电平转换采用MAX3232芯片，HC12通过一34Pin(17pin  X2)的转接头实现电源供电以及外部通信，电平转换电路如图2所示。
差分天线选用Hemisphere公司生产的A30天线，该天线可接收GPS、SBAS和Beacon信号，拥有多个波段接收能力，具有出色的缓解抑制噪声性能，在高电气噪声和其它被干扰环境下都能够保持很好的GPS信号接收，适合使用在高精密的GPS应用中。
1.3 移动电源模块
由8块2400mAh三星18650圆柱形锂离子电芯和5V升压、保护、充电一体板组成，两个输出端口分别给ARM平台和差分GPS模块供电，输出电压5  V、电流1 A，其供电时间大于6小时。
2 系统软件设计
系统的软件是基于WINCE5.0嵌入式操作系统设计的，WINCE是一个多任务、完全抢占式的32位嵌入式操作系统，具有操作界面良好、实时性较高、占用资源少、通信能力强的特点，支持WINCE  MFC、ATL、WINCE API和一些附加的编程接口及各种通信技术，可充分满足本软件的技术需求。开发工具采用微软的Visual  Studio2008，安装完WINCE5.0的SDK(Software Development  Kit，软件开发工具包)后，创建智能设备MFC工程，即可开始软件编写。SDK可以使用标准的，也可自行编译生成。
2.1 软件界面
图3所示为本系统接收GPS导航数据后处理并显示的软件界面。打开界面后，在“串口通信”区进行串口“端口号”和“波特率”设置，点击“打开”按钮，下方“收到”的编辑框就会不断地显示从差分GPS模块输出的NMEA格式导航数据，勾选“保存数据”可将输出的导航数据以文本格式保存，用于事后数据处理分析，在“发送”编辑框可借助NMEA0183指令进行HC12参数设置;在“定位信息”区有经纬度、航向、速度、GPS时间等参数实时显示，点击“清除轨迹”可将海图显示区历史轨迹清除;“导航信息”区可进行“目标点”添加、修改、删除、画圆、航线等设置，实时显示本船距目标点位置、方位、偏离等参数：在“海图操作”区可进行放大、缩小、本舰居中、目标居中、标记当前点位等操作，勾选“平移海图”后点按左侧海图区不动可进行上下左右移动;左侧蓝色区域为海图显示区，可直观显示本船与各目标点位置关系、试验态势等。