摘 要:  介紹了一種基于ARM微處理器的GPS接收機的設計方案.該GPS接收機采用Atmel公司生產的ATR0600芯片作為接收機的射頻前端,內嵌ARM7核的ATR0620芯片作為接收機的數字基帶處理器, 并闡述了外圍擴展電路及軟件設計。該GPS接收機具有體積小、功耗低、性能高的特點。
關鍵詞: GPS接收機；ATR0600芯片；ARM技術；ATR0620芯片

Design and implementation of a GPS Receiver Based on ARM
ZHANG Qing-miao1,LIU Yong-hong2
(1.No.16 Brigade of Graduate, Air Defense Force Command Academy, Zhengzhou 450052; 2. Dept. of Scientific Research, Air Defense Forces Command Academy, Zhengzhou 450052)
Abstract: This paper introduces the structure and design of the GPS receiver．
    Taking ATR0600(made by Atmel) as its front—end and ATR0620 with an ARM7 as its microprocessor，GPS receiver is small in size and consumes less，which reduces the bottle—neck effect bound to other processor．
Key words: GPS receiver；ATR0600；ARM；ATR0620
0  引言
    全球定位系統(GPS)作為一種成熟的導航定位技術,以其全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及所獨具的定位導航、授時授頻、精密測量等多方面的強大功能，使其用途越來越廣泛。傳統的使用8位單片機設計的GPS接收機，在數據處理、系統性能提升以及功能擴展等方面存在較大的不足。隨著嵌入式技術的發展，以ARM為代表的32位微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本、體積小等優點，在現實中獲得了廣泛的應用。
本文介紹了一種GPS接收機的整體設計方案,該方案采用Atmel公司生產的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作為接收機的射頻前端，內嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機的數字基帶處理器。該方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特點。
1  GPS接收機的基本組成
GPS接收機的主要任務是跟蹤可見GPS衛星，對接收到的衛星無線電信號經過數據處理后獲得定位所需的測量值和導航信息，最后完成對用戶的定位運算和可能的導航任務。GPS接收機的內部結構沿其工作流程的先后順序，通常分為射頻（RF）前端處理、基帶數字信號處理（DSP）和定位導航運算三大功能模塊。其基本組成如圖1所示：
 
2  GPS接收機的硬件設計
衛星信號由天線接收,直接進入射頻前端。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。數字中頻信號進入基帶數字處理器，基帶數字處理器完成衛星信號的處理后，解調出導航電文，進行相應的處理后給出所需的定位信息或提供特定的應用服務。
2.1  接收天線
接收天線是GPS接收機處理衛星信號的首個器件,它將接收到的GPS衛星所發射的電磁波信號轉變成電壓或電流信號,以供接收機射頻前端攝取與處理。因為GPS接收機賴以定位的信息基本上全部來自于天線接收到的GPS衛星信號，所以接收天線的性能直接影響著整個接收機的定位性能，它對接收機所起的作用與貢獻絕對不容忽視。
對GPS接收機天線的主要技術要求是：接收頻率為1575.42MHz的L1信號；為了與接收到的GPS衛星信號的極化方式相匹配，從而提高接收效率，接收天線以右旋圓極化的方式工作；強度微弱的GPS衛星信號應當盡可能地先在緊靠天線的一端得到功率放大，以改善整個接收系統的噪聲性能，接收機采用內置低噪聲放大器（LAN）的有源天線；電線饋線的阻抗為50 。綜上所述，本文采用靈敏度高的豎直形狀的四螺旋天線，且在工作時將天線采用外置的形式。
2.2  基于ATR0600的射頻前端電路設計 
射頻(RF)前端模塊位于接收機天線與基帶數字信號處理模塊之間,它通過天線接收所有可見GPS衛星信號,經前置濾波器和前置放大器的濾波放大后,再與本機振蕩器產生的正弦波本振信號進行混頻而下變頻成中頻(IF)信號,最后經模數(A/D)轉換器將中頻信號離散成包含GPS信號成分的、頻率較低的數字中頻信號，并在此過程中進行必要的濾波和增益控制。
本設計中射頻前端主要由Atmel公司生產的ATR0600芯片及外圍濾波電路構成，它是一個GPS接收機射頻前端IC芯片，采用單IF結構，芯片上包含有混頻器、IF放大器、2bit的模數轉換器（ADC）、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集成度，很小的功耗（約50w）。
ATR0600通過外部的天線接收1575.42MHz的L1 GPS信號，經過低噪聲放大器LNA進行第1級濾波、放大后，被外部SAW濾波器進行鏡像抑制和對1800MHz GSM頻帶信號進行隔離。該信號與基準頻率為23.104 MHz的本振信號進行混頻,混頻器將GPS信號下變頻到97.76MHz中頻。混頻后，該信號經過LC帶通濾波器和可變益放大器（VGA），與片上集成的中頻帶通濾波器組合，完成對GSM干擾信號的濾波。VGA輸出驅動集成的1.5bitA/D轉換器，將中頻信號轉化成4.35MHz的數字中頻信號。
ATR0600的內部結構及其電路應用形式如圖2所示:
 
2.3  基于ATR0620的基帶處理器電路
    基帶數字信號處理模塊是GPS接收機的核心部分,它通過處理射頻前端所輸出的數字中頻信號,復制出與接收到的衛星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號,從而實現對GPS信號的捕獲與跟蹤,并且從中獲得GPS偽距和載波相位等測量值以及解調出導航電文。
基帶數字信號處理模塊通常是硬件與軟件相結合的有機體，其中載波解調和C/A碼解擴通常是由ASIC硬件形式的數字信號處理器來完成的，而在微處理器中運行的跟蹤環路控制軟件通過計算來調節數字信號處理器的各種操作。由Atmel公司生產的ATR0620芯片包含有一個基于ARM7TDMI處理核的16通道相關器，它具有高性能的32bit RISC結構，使用16bit指令系統，能利用ARM7TDMI微控制器核與片上RAM,完成GPS16通道相關器和外圍設備接口功能；利用芯片內部大量的功能寄存器可以滿足實時控制應用。
ATR0620外部接口及與ATR0600的信號連接如圖3所示。
 
2.4 GPS接收機的電路設計
ATR0600射頻前端為ATR0620提供衛星信號,主時鐘信號和其它一些控制信號,而ATR0620為ATR0600提供采樣信號。圖4為利用ATR0600和ATR0620芯片設計的GPS接收機方框圖。
 
2.5 存儲模塊及通信接口
     選用Cypress公司生產的CY7C1041，由片選信號NSCS[I]選通來擴展SRAM，容量為4 Mb。FLASH則選用ST公司的4Mb容量的SST39VF400芯片，由片選信號NSCS[0]選通。
接收機中設計了兩種通信接口：一種是JTAG調試接口，連接JTAG仿真器進行開發調試，下載用戶程序；另一種是RS232通信串口，用于與主機通信。其中JTAG調試電路連接如圖5所示。
 
3  GPS接收機的軟件設計
GPS的用戶設備主要由接收機硬件和處理軟件組成。用戶通過用戶設備接收GPS衛星信號，經信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終達到利用GPS進行導航和定位的目的。GPS接收機軟件的結構如圖6所示。程序包含兩部分：匯編語言程序部分(用于引導和系統初始化)和C語言應用程序(用于主要的導航定位計算)。軟件整體采用并行任務結構，由相關器產生的累加數據IRQ中斷信號進行任務切換的驅動，在中斷服務程序中更新偽碼、載波和數據解調環路。
 
GPS接收機的應用軟件根據不同的用途而不同，主要包括：數據采集與分析、衛星位置計算、時間推算、差分定位和動態定位等程序。本設計的GPS接收機上的程序主要在ARM— CLinux交叉編譯環境下用C語言進行編寫，通過ARM7 JTAG接口連接JAG仿真器進行調試和移植。
4  結束語
    本設計的GPS接收機采用內嵌ARM7核的GP4020芯片作為接收機的數字基帶處理器，通過實驗調試，消除了以往微處理器的瓶頸效應，具有體積小、功耗低、性能高的特點。實驗PCB板尺寸：75 mmх50 mm xl2 mm；通道數：16；功耗：小于0.1 W；首次定位時間：小于41 s(冷啟動)，小于2.5s(熱啟動)；定位精度:3 m。

參考文獻

[1] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京:電子工業出版社,2009.
[2] 黃智偉.GPS接收機電路設計[M].北京:國防工業出版社,2006.
[3] 黃繼海,楊凱.ARM系統應用設計[M].鄭州:防空兵指揮學院,2007.
[4] 劉基余．GPS衛星導航定位原理與方法[M].北京:科學出版社，2003.
[5] 李洪濤，許國昌.GPS應用程序設計[M].北京:科學出版社，2000.
[6] 周立功.ARM微控制器基礎與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2003.

作者簡介：
張青苗 （1985-），男，防空兵指揮學院在讀碩士研究生，
研究方向：防空兵技術裝備作戰運用
手機：15038318112       張青苗
E-mail: [email protected]
通訊地址：河南省鄭州市防空兵指揮學院研究生16隊       郵編：450052
劉永鴻 （1963-），男，教授，碩士研究生導師，主要研究方向為防空兵火控系統設計。