集成多媒體功能的GPS方案
衛(wèi)星定位概述
全球衛(wèi)星導(dǎo)航的基本原理是：衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航電文，其中包括測距精度因子、開普勒參數(shù)、軌道攝動參數(shù)、衛(wèi)星鐘差參數(shù)和大氣傳播遲延修正參數(shù)等。地面接收機(jī)根據(jù)碼分多址CDMA或頻分多址FDMA的特點區(qū)分各導(dǎo)航衛(wèi)星，接收并識別相應(yīng)的導(dǎo)航電文，測量發(fā)來信號的傳播時間，利用導(dǎo)航電文中的一系列參數(shù)逐步計算出衛(wèi)星的位置。接收機(jī)只要能接收到至少4顆衛(wèi)星信號，就可確定其位置和鐘差。在全球?qū)Ш较到y(tǒng)中，用戶接收機(jī)根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文不斷地核準(zhǔn)其時鐘鐘差，可以得到很高的時鐘精度，這就是精確的衛(wèi)星授時；根據(jù)導(dǎo)航電文的規(guī)律性的時序特征，通過計數(shù)器，可以得到高精度的同步秒脈沖信號，用于同/異地多通道數(shù)據(jù)采集與控制的同步操作。
GPS方案
1 本方案基本功能
②視頻播放功能：本機(jī)可選擇SD卡中的視頻文件即可實現(xiàn)觀賞影片功能，支持avi、mpg和wmv等視頻格式。
③音頻播放功能：選擇SD卡中的音樂即可欣賞，支持mp3/wma/ogg等音頻格式。
④圖片瀏覽功能：支持JPG（JPEG）/ GIF/ BMP等圖片格式的閱覽。
⑤文本閱讀功能：支持TXT文本格式的閱覽。
⑥PDA功能：帶有簡便的OFFICE辦公套件，可以打開日常電腦中編輯的word /excel/ ppt/ pdf 等文檔。
2 方案原理
方案原理框圖如圖1所示。
圖1 方案原理框圖
方案采用當(dāng)前最流行的ARM920T內(nèi)核的SAMSUNG S3C2440嵌入式芯片，S3C2440處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，主頻400MHz，最高可達(dá)533MHz，這是目前世界上主頻最快的嵌入式移動CPU之一，內(nèi)核電壓為1.3V，采用16/32位 ARM920T RISC核心，能提供豐富接口，如數(shù)碼攝像頭、TFT/STN液晶屏、USB、HOST/DEVICE、IIS音頻、NAND閃存、SD/MMC存儲卡以及觸摸屏，有8通道10位 ADC等。產(chǎn)品電源采用USB供電、車充供電、電充供電和電池供電四種供電方式。GPS接收模塊采用正原的ZYM-GM21_GUIDE，該模塊采用 SIRFstarIII, 內(nèi)嵌高性能ARM7TDMI CPU，可以接收到20顆衛(wèi)星的信號，不導(dǎo)航時可以關(guān)閉GPS模塊以省電，該模塊尺寸為 42 (L) ×20 (W) ×8 (H) (mm)，輸入電壓為直流+3.6～+4.2V，數(shù)據(jù)更新每秒一次，熱啟動時間小于1s（在開闊地點），冷啟動時間小于35s(在開闊地點)。LCD屏采用三星3.5英寸數(shù)字屏,該屏分辨率為320×240，16M色TFT 真彩LCD, 帶LED 背光觸摸屏。閃存存放已調(diào)試好的用戶應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)和其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等；SDRAM存儲器作為系統(tǒng)運行時的主要區(qū)域，系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)及堆棧均位于SDRAM存儲器中；SD卡存放凱利德的電子地圖，用1Gb卡可以存放全國地圖。
首先，CPU完成對GPS和外圍接口的初始化工作；CPU還必須要周期性地對系統(tǒng)終端的當(dāng)前狀態(tài)做出測試及判斷，并對各種實際情況做出相應(yīng)的處理，以保證系統(tǒng)能正常而穩(wěn)定地工作，同時實時顯示客戶需要了解的各種信息和產(chǎn)品基本功能中要求的各種信息。
3 關(guān)鍵器件的選型原則
做數(shù)碼產(chǎn)品主要是選好CPU，CPU定好后，其他很多外圍電路就基本定了，因為有很多現(xiàn)成的參考電路和有關(guān)專題的應(yīng)用電路。對于新手或經(jīng)驗不足的工程師，最好就用IC原廠或方案公司提供的參考電路，因為這是通過專業(yè)技術(shù)人員考慮和實驗過的。在通過以后自己實驗驗證基礎(chǔ)上，處于降低成本和提高性能的需要，再更換部分/個別元器件。
①CPU的選擇
選主CPU是關(guān)鍵，首先，要考慮到CPU的性能是否與你的設(shè)計規(guī)劃一致，這個CPU將來能否滿足你的需要，因為熟悉一個CPU不容易，將來換一個CPU也不容易，會浪費時間，這個CPU要能滿足你的產(chǎn)品更新?lián)Q代需要。其次，CPU的價格是否能滿足你的需要，你要做高檔/中檔/低檔產(chǎn)品，你做的產(chǎn)品功能是否很多或單一，這些也決定你的選擇。再次，你的現(xiàn)有資源很大程度上決定你的選擇，如你和哪個CPU公司或技術(shù)支持公司比較熟悉，能夠給你提供最大的技術(shù)支持和價格支持及各種服務(wù)。最后，你以前熟悉哪些CPU，你以前的知識可以減少開發(fā)時間并減少不成功的風(fēng)險。
由于三星具有性價比高的特點,可以做功能完善的產(chǎn)品線，便于將來升級加一些附加功能，如增加手機(jī)、移動電視、攝像頭和PDA等功能，且很多通用性嵌入式產(chǎn)品都能用三星CPU來實現(xiàn),所以我們選用三星的作為主CPU。
②衛(wèi)星接收模塊的考慮
現(xiàn)在大都用SIRFⅢ的芯片做GPS產(chǎn)品，所以這點是定的。選擇哪個公司的GPS接收模塊呢？我們的原則是要用集成了天線的模塊，這樣的目的是這種GPS模塊做出來的產(chǎn)品接收性能穩(wěn)定些；這種產(chǎn)品的GPS天線是內(nèi)嵌的，不是外掛的，所以產(chǎn)品的體積小些；同時由于不用考慮天線的安裝和布局，使得設(shè)計簡單，容易調(diào)試且容易保證產(chǎn)品性能一致。通過測試，我們選用正原的ZYM-GM21_GUIDE做為GPS接收模塊，該模塊20mm的寬度使我們的產(chǎn)品能做成超薄，使的產(chǎn)品外觀更好看。
4 主要模塊的硬件電路圖及說明
①CPU和存儲器接口圖
如圖2所示，由于S3C2440有現(xiàn)成的SDRAM、FLASH、EEPROM、SD CARD和USB等接口，只要按S3C2440的說明書和參考資料設(shè)計很容易實現(xiàn)圖２。其中FLASH用于保存程序，EEPROM用于保存靜態(tài)數(shù)據(jù)，SDRAM用于保存動態(tài)數(shù)據(jù)，SD卡用于保存地圖數(shù)據(jù)資料和給用戶自己留用。一般省和區(qū)（如東北三省區(qū)）地圖容量要400Mb空間，全國地圖要800Mb空間，所以1Gb的SD卡可以夠用。
圖２ CPU和存儲器接口圖
②聲音處理電路
圖３為聲音處理電路圖，通過控制CPU寄存器，聲音通過CPU的IIS-BUS輸出給D/A轉(zhuǎn)換電路，再通過功放輸出。
圖３ 聲音處理電路圖
③顯示和視頻輸出
圖４為顯示和視頻輸出圖，由于S3C2440有LCD接口電路，所以實現(xiàn)起來很容易。通過視頻轉(zhuǎn)換D/A，可以輸出Y/C信號和CVBS信號，以方便外接顯示器顯示。
圖４ 顯示和視頻輸出圖
④CPU對GPS的控制
主要是通過串行口發(fā)送控制命令實現(xiàn)（GPS采樣周期的設(shè)置、GPS輸出數(shù)據(jù)選擇、通信波特率設(shè)置等），同時通過串行口接收GPS定位信息。由于GPS輸出數(shù)據(jù)采用NMEA-0183（V 3.01）格式，輸出數(shù)據(jù)為多組，在本系統(tǒng)中，僅選取其中的一組數(shù)據(jù)：GPRMC(推薦最小數(shù)據(jù)量的GPS具體內(nèi)容/傳輸數(shù)據(jù))，其格式舉例如下。其中，當(dāng)且僅當(dāng)GPS輸出數(shù)據(jù)為有效定位數(shù)據(jù)時，對應(yīng)的UTC時間才為當(dāng)前準(zhǔn)確時間。
CPU和GPS模塊的接口電路如圖5所示。
圖5 CPU和GPS模塊的接口電路
通信控制線(CONTROL)包括: BOOT、GPS ON/OFF、TX/RX。BOOT高電平激活GPS模塊啟動內(nèi)部程序，GPS ON/OFF用于關(guān)閉和打開GPS電源，當(dāng)不用GPS功能時，關(guān)閉GPS 模塊可以省電，TX為GPS 模塊發(fā)送出來的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，RX為給GPS模塊的命令。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
程序采用了模塊化設(shè)計，軟件由一個主程序和若干個子程序構(gòu)成，其中，子程序主要完成一些單一的基本功能，主程序則負(fù)責(zé)完成對各個功能模塊（即子程序）的調(diào)用。軟件主流程圖如圖6所示。
圖6 軟件主流程圖
BOOTLOADER完成硬件設(shè)備初始化，設(shè)置堆棧，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射，將內(nèi)存映像和根文件系統(tǒng)映像從FLASH讀到RAM空間中，為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)，啟動內(nèi)核。
應(yīng)用程序主要包括：GPS啟動和接收處理程序、顯示驅(qū)動程序、按鍵處理程序、觸摸屏處理程序、視頻播放程序、音頻播放程序、圖片瀏覽處理程序、文本閱讀程序、PDA功能處理程序、待機(jī)和省電處理應(yīng)用程序等。
6 多媒體功能等應(yīng)用程序嵌入
WINDOWS CE.NET的GWES支持組成WINDOWS CE.NET圖形用戶界面的窗口、對話框、控件、菜單和資源,使用戶能夠控制應(yīng)用程序。WINDOWS CE.NET將 MICROSOFT WIN32應(yīng)用編程接口（API）、用戶界面（UI）和圖形設(shè)備接口(GDI)組合為圖形窗口事件子系統(tǒng)（GWES）模塊（GWES.EXE）,GWES是用戶、應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間的接口。同時GWES還包括驅(qū)動程序的加載，主要包括顯示、鍵盤、鼠標(biāo)和觸摸屏等的驅(qū)動等。本機(jī)自帶播放器,也可用Windows media player 和 Beta player 播放器，選擇SD卡中的視頻文件即可實現(xiàn)觀賞影片功能，支持avi、mpg和wmv 等視頻格式。選擇音頻播放功能，可以播放SD卡中的音樂即可欣賞，支持mp3/wma/ogg等音頻格式。啟動音頻或視頻播放功能后，消息循環(huán)接收系統(tǒng)傳送過來的消息，并把它發(fā)送到相應(yīng)的窗口中進(jìn)行處理，啟動相應(yīng)的視頻或音頻播放應(yīng)用程序。
7 設(shè)計注意事項
① 衛(wèi)星信號的接收失步
為了使產(chǎn)品應(yīng)用于山區(qū)、極地等不開闊或易受太陽風(fēng)暴等影響的地域時，在設(shè)計中加入防止衛(wèi)星信號接收失步的軟硬件措施。具體做法常常是設(shè)計本地精密的PPS產(chǎn)生電路、實時時鐘RTC電路。當(dāng)從接收端取得的NMEA格式信息中識別出所傳定位/時鐘信息無效時，立即啟用本地PPS信號和RTC，并根據(jù)前面正常情況下物體的位置特征推斷當(dāng)前物體的位置。衛(wèi)星信號接收恢復(fù)正常時，轉(zhuǎn)而使用衛(wèi)星定位時鐘同步，同時清除本地PPS發(fā)生計數(shù)器，校正RTC時鐘。圖7為這種典型的防失步方案。
圖7 衛(wèi)星信號監(jiān)測失步時的同步/時鐘處理
②系統(tǒng)電源管理
衛(wèi)星信號定位授時同步體系，特別是嵌入式便攜設(shè)備，涉及到不同的電源供給，如液晶顯示模塊、主系統(tǒng)、CPU核，需要從電池得到各種供電電壓。電源管理設(shè)計時，不要直接從電池電壓同時變換得到1.8V、3.3V、5V，而應(yīng)先升壓得到最大的供電電壓，再逐級降壓得到所需各級供電電壓，以保證系統(tǒng)正常工作，操作過程如圖8所示。
圖8 便攜式衛(wèi)星信號定位儀器的系統(tǒng)電源規(guī)劃
③PCB制板
需要重點考慮的是衛(wèi)星信號接收部分的設(shè)計。為減少干擾，獲得最好的接收效果，接收天線要盡可能靠近集成芯片的接收引腳；天線接口到芯片接收腳的微帶線要盡可能短，寬度要2倍于PCB板厚，走斜切線，避免銳角、直角。要有獨立的電源、地層。電源、地層要靠近頂/底層，大面積鋪地PCB邊緣處，電源層面積要小于地層；地層邊緣要加一圈密密的過孔，頂層要有大量過孔和大面積地，盡可能使用金屬罩屏蔽全部接收部分。
④高度定位
高架低的只有6m，GPS水平定位精度5～10m，垂直10～30m，GPS沒法確定在高架上或高架下。用加裝加速度計結(jié)合立體電子地圖的辦法來判斷上高架了還下高架，如果沒有立體電子地圖的配合，在特殊地形處（山坡上的高處，多層高架）也會判斷出錯。
方案測試與評估
方案已經(jīng)進(jìn)行初步的功能測試、衛(wèi)星信號接收測試和可靠性測試。功能測試主要考察整機(jī)電流是否正確，按鍵功能是否正確，各端口功能是否正常等。結(jié)果顯示方案的功能正常，圖像，語音的輸出流暢，無噪聲或扭曲現(xiàn)象。在衛(wèi)星信號測試方面，主要考察方案對定位信號的接收能力。結(jié)果顯示接收信號的信噪比都達(dá)到要求，在進(jìn)行定位時間測試中，在常溫、GPS信號覆蓋強(qiáng)度為-103dBm的環(huán)境下進(jìn)行測試，系統(tǒng)第一次定位時間小于1m，斷電1分鐘后重新定位時間小于3s。可靠性測試主要考察方案在不同溫度、濕度、震動下的性能，結(jié)果顯示方案在一般實際環(huán)境存在的變化范圍內(nèi)工作情況良好。
結(jié)論
本文利用GPS定位和嵌入式系統(tǒng)理論實現(xiàn)GPS多媒體播放器,實際效果理想,在此基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步增加功能,如帶攝像功能、手機(jī)功能和移動電視功能等,進(jìn)行產(chǎn)品升級和更新?lián)Q代。
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