通過(guò)iTrax02的GPS接收機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

GPS是"Global Positioning System"，即"全球定位系統(tǒng)"的簡(jiǎn)稱。GPS系統(tǒng)具有定位精度高、全天候、實(shí)時(shí)性、測(cè)站無(wú)須通視、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并且所有結(jié)果均通過(guò)數(shù)字形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，便于數(shù)字化管理，因而已被廣泛用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如工程、交通、氣象、國(guó)防、水利、環(huán)保、安全保衛(wèi)、定時(shí)等。目前，GPS的應(yīng)用已進(jìn)入與定位有關(guān)的領(lǐng)域，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我國(guó)從肋年代起開(kāi)始引進(jìn)GPS接收機(jī)及其技術(shù)，目前GPS也在我國(guó)得到了全面廣泛地應(yīng)用。 GPS的作用是晝夜不停地發(fā)送導(dǎo)航定位信息，以在地球的任何地方和任何時(shí)間實(shí)現(xiàn)定位。這其中最重要的設(shè)備就是用戶接收機(jī)。GPS接收機(jī)是被動(dòng)式全天候系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)只收不發(fā)，故不受衛(wèi)星系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)的控制，用戶數(shù)量也不受限制。GPS接收機(jī)可以按照不同的要求進(jìn)行分類，但總起來(lái)說(shuō)，可分兩大類：導(dǎo)航型和測(cè)地型。

導(dǎo)航型接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耗電省、價(jià)格便宜。一般采用單頻C／A碼偽碼接收技術(shù)，定位精度幾十米，可用于航空、航海和陸地的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。本文將介紹一種基于iTrax02的GPS接收機(jī)模塊和聯(lián)想公司手持式設(shè)備PDA一起實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的系統(tǒng)。該方法硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，精度高，功耗低，能滿足實(shí)時(shí)定位要求。

2 iTrax02GPS接收機(jī)的性能特點(diǎn)

iTrax02GPS接收機(jī)模塊是芬蘭FastraX公司生產(chǎn)的超低功耗、小體積接收機(jī)模塊，適宜于便攜式、手提式設(shè)備，它只需要連接簡(jiǎn)單的外圍電路即可工作，而且占用空間小，工作時(shí)間長(zhǎng)。iTrax02GPS接收機(jī)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。iTrax02接收模塊共有40個(gè)管腳。各管腳功能見(jiàn)表1所列。

iTrax02GPS接收機(jī)模塊的主要性能特點(diǎn)如下：

極小的PCB封裝體積(26mm×26mm×4．7mm包括射頻部分和模塊系統(tǒng)對(duì)外接口)；

超低功耗，在連續(xù)工作狀態(tài)下為100mW@2．7V；

是一種12信道的并行接收機(jī)；

集成有20腳QLP封裝的射頻前端芯片UN8021和144腳BGA封裝的基帶處
理器芯片UN8031；

采用0．35UCMOS技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)ASIS(Application Specific Integrated System)結(jié)構(gòu)；

具有極快的信號(hào)獲取專門搜索引擎；

獨(dú)有的超低功耗，以及32MIPS集成的16比特DSP核；

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制(VSDSP ROTOS)類似于RISC的編程；

帶有通用的小型系統(tǒng)連接器(包括射頻和I／0口)；

具有片內(nèi)存儲(chǔ)器(X／Y數(shù)據(jù)和程序SRAM)；

自帶低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘；

具有16比特通用輸入輸出口(GPIO)以及2個(gè)通用異步收發(fā)報(bào)機(jī)口(UART)，同時(shí)具有SPI總線接口；

采用雙脈沖檢測(cè)輸入。

3 iTrax02 CPS接收機(jī)的接口信號(hào)

3．1 SPI接口

對(duì)iTrax02 GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō)，其SPI接口主要有兩個(gè)作用：第一是通過(guò)外部的EEPROM來(lái)啟動(dòng)接收機(jī)，第二是控制射頻前端芯片UN8021。對(duì)iTrax02來(lái)說(shuō)，基帶處理芯片UN8031永遠(yuǎn)是主設(shè)備，其它的有SPI接口的設(shè)備永遠(yuǎn)是從設(shè)備。

當(dāng)通過(guò)外部的EEPROM來(lái)啟動(dòng)接收機(jī)時(shí)，其數(shù)據(jù)或命令時(shí)序如圖2所示。

3．2 UART接口

iTrax02接收機(jī)芯片帶有兩個(gè)UART接口，這兩個(gè)接口可支持不同的協(xié)議，且均可用于串行通信。UART 0口支持FastraX公司自行開(kāi)發(fā)的iTALK協(xié)議，其數(shù)據(jù)率為115．2kbps；UART l口則支持通用的無(wú)線電NMEA協(xié)議，它的數(shù)據(jù)率為4．8kbps。iTrax02接收芯片的早期版本支持iTALK協(xié)議，新的版本則統(tǒng)一改為支持NMEA協(xié)議。

3．3 GPIO接口信號(hào)

iTrax02與外部接口中有一個(gè)16bit的GPIO口，每一個(gè)GPIO信號(hào)都可以編程產(chǎn)生中斷。一些GPIO接口信號(hào)是iTrax02GPS接收機(jī)內(nèi)部的保留信號(hào)管腳，其中內(nèi)留的GPl014和GPl015可用于啟動(dòng)方式的選擇，具體用法如表2所列。

iTrax02GPS接收機(jī)的缺省啟動(dòng)方式是從內(nèi)部的FLASH啟動(dòng)，其它的啟動(dòng)方式可以通過(guò)對(duì)外部的相應(yīng)配置來(lái)選擇。GPl013用來(lái)控制內(nèi)部LNA的開(kāi)啟，GPl012用來(lái)控制內(nèi)部FLASH的開(kāi)啟，GPl011則用來(lái)接收外部的喚醒信號(hào)，引腳電平由1到0或由0到1的跳變均可作為喚醒命令。

4 iTrax02 GPS接收機(jī)的應(yīng)用電路

要使iTrax02GPS模塊正常工作，其外部天線、Reset及供電電路是必不可少的。其天線的接人和外圍相關(guān)引腳的連接見(jiàn)圖3所示。請(qǐng)注意：無(wú)源天線和有源天線只接其中之一即可。

4．1 供電設(shè)置

為了讓接收達(dá)到最好的效果，對(duì)iTrax02射頻部分和基帶部分要分開(kāi)供電，圖4是供電部分的參考電路，DC-DC芯片可選用TI公司的TPS77127DGK和TPS77027，這兩個(gè)電源芯片均可將5V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的2．7V電壓，并可滿足iTrax02的低功耗要求。用TPS77127DGK的另一個(gè)好處是可以提供一個(gè)RESET復(fù)位信號(hào)，此RESET信號(hào)和電源上電之間最少有200ms的延遲，因此，完全可以滿足iTrax02GPS接收機(jī)對(duì)復(fù)位信號(hào)的要求，這樣就大大簡(jiǎn)化了電路。有關(guān)TPS77127DGK和TPS77027的詳細(xì)情況可參閱其它相關(guān)資料。

4．2典型應(yīng)用

圖5所示是該GPS接收機(jī)的硬件系統(tǒng)連接框圖，它在上電復(fù)位后，iTrax02GPS接收機(jī)即可開(kāi)始正常工作，并可通過(guò)UART0發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)PDA接收到數(shù)據(jù)后，即可根據(jù)iTALK協(xié)議將有用數(shù)據(jù)解析出來(lái)，以獲取定位信息。

4．3設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，要考慮到接收模塊和天線之間的阻抗匹配問(wèn)題。在PCB板上，推薦在無(wú)源天線和接口之間接一個(gè)50Ω的PCB帶狀線，這個(gè)50Ω的帶狀線的寬度依靠PCB板的材料和厚度而定，對(duì)于FR4板材(約1．5GHz)而言，其帶狀線的寬度應(yīng)是板厚的2倍。如板厚是0．8mm，那么帶狀線的寬度應(yīng)是1．6mm，依此類推。

實(shí)際上，同樣也可以在iTrax02GPS接收機(jī)的38腳V_ANTENNA上外接有源天線，有源天線的電壓依所用的天線類型而定，但供應(yīng)電流最大不能超過(guò)100mA。

5 軟件實(shí)現(xiàn)方法

手持式PDA是聯(lián)想公司的XP天璣100，它所采用的操作系統(tǒng)是Windows CE。Windows CE是32位的多線程操作系統(tǒng)，是一種能夠使用各種設(shè)備的開(kāi)放性體系，它整體緊湊，在小內(nèi)存的情況下可提高性能，并具有伸縮性，能夠支持未來(lái)的嵌入式移動(dòng)或多媒體產(chǎn)品的發(fā)展潮流。它是微軟公司的新產(chǎn)品，是基于掌上型電腦類電子設(shè)備的操作系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)搶先式多任務(wù)并具有強(qiáng)大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng)。

iTrax02接收模塊能夠支持兩種協(xié)議。筆者在Windows CE的軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的可支持iTALK協(xié)議(或NMEA協(xié)議)的軟件基本流程如圖6所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將本GPS接收機(jī)模塊用于車載導(dǎo)航系統(tǒng)的具體實(shí)踐證明：該模塊可有效解決功耗問(wèn)題，而且操作方便，定位及時(shí)準(zhǔn)確，所占空間小，效果良好。