基于WindowsCE的GPS数据导航系统

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基于WindowsCE的GPS数据导航系统

摘要：通过对FastraX公司生产的超低功耗iTrax02 GPS接收机模块的分析，介绍将GPS接收机和联想手持式PDA结合进行空间定位的硬件实现和软件设计方法。该系统体积小、功耗低，能快速、精确的对所处空间进行定位。    关键词：GPS接收机 定位PDA
引言
GPS是“Global Positioning System”，即“全球定位系统”的简称。GPS系统具有定位精度高、全天候、实时性、测站无须通视、使用方便等优点，并且所有结果均通过数据来实现，便于数字化管理。所以GPS已被广泛用于社会生活的各个领域，如工程、交通、气象、国防、水利、环保、安全保卫、定时等。


图1

    自1994年美国全球定位系统（GPS）全部建成并投入运行以来。这一技术在短短的四年中，发展极为迅速。各种档次和型号的接收机应运而生，并投放市场。GPS的应用也进入与定位有关的领域，获得了巨大的经济效益和社会效益。我国从20世纪80年代起开始引进GPS接收机及其技术，目前GPS在我国也得到了全面广泛地应用。
GPS全部建成以后，它将昼夜不停地发送导航定位信息，在地球的任何地方和任何时间实现定位，其中最重要的设备就是用户接收机。GPS接收机是被动式全天候系统，只收不发信号，故不受卫星系统和地面控制系统的控制，用户数量也不受限制。GPS接收可以按照不同的要求进行分类，但总体来说分两大类：导航型和测地型。
导航型接收机结构简单、体积小、精度低、耗电省、价格便宜。一般采用单频C/A码伪码接收技术，定位精度几十米，常用于航空、航海和陆地的实时导航中。


图2

1 iTrax02 GPS接收机的性能特点
iTrax02 GPS接收机模块是芬兰FastraX公司生产 的超低功耗、极小体积的接收机模块。它适宜于便携式、手提式设备，只要求简单的外围电路，占用空间小，工件时间长。iTrax02 GPS接收机模块的内部结构框图如图1所示。其主要性能特点如下：
*极小的PCB封装体积（26mm×26mm×4.7mm，包括射频部分和模块系统对外接口）；
*超低功率损耗，在连续工作状态下100mW@2.7V；
*12信道并行接收机；
*集成了20针QLP封装的射频前端芯片UN8021和144针BGA封装的基带处理芯片NU8031；
*0.35Ucmos技术的标准ASIS（Application Specific Integrated System）结构；
*极快信号获取的专门搜索引擎；


图3

    *独有的、超低功耗、32MIPS、集成的16位DSP核；
*实时操作系统控制（VSDSP RTOS）下类似于RISC的应用编程；
*通用小型系统连接器（包括射频和I/O口）；
*片上存储器（X/Y数据和程序SRAM）；
*低功耗实时时钟；
*16位通用输入输出口（GPIO），2个通用异步收发器（UART），拥有SPI总线接口；
*双脉冲检测输入。
iTrax02接收模块共有40个引脚。

2 iTrax02 GPS接收机的接口信号
2.1 SPI接口
对iTrax02 GPS接收机来说，提供的SPI接口主要用于两个目的：①可用于通过外部的EEPROM来启动接收机；②控制射频前端芯片uN8021。对iTrax02来说，基带处理芯片uN8031永远是主设备，而其它有SPI接口的设备永远是从设备。
当通过外部的EEPROM来启动接收机时，实际数据或命令的时序关系如图2所示。
2.2 UART接口
iTrax02接收芯片带有2个UART接口，这2个接口支持不同的协议，均可用于串行通信。UART0口支持FastraX公司自行开发的iTALK协议，数据率是115.2kbps；UART1口支持通用的无线电NMEA协议，数据率是4.8kbps。iTrax02接收芯片是早期版本支持iTALK协议，新的版本统一改为支持NMEA协议。
2.3 GPIO接口信号
与外部接口有一个16bit的GPIO口可用，每一个GPIO信号都可以编程产生中断。一些GPIO接口信号是iTrax02 GPS接收机内部保留信号引脚，GPIO14和GPIO15内部保留用于启动方式的选择。
iTrax02 GPS接收机缺省启动方式是从内部的Flash启动，其它的启动方式可以通过对外部的相应配置来选择。GPIO13保留，用来控制内部LNA的开启；GPIO12保留，用来控制内部Flash的开启，GPIO11保留，用来接收外部的唤醒信号。引脚电平由1到0或由0到1来作为唤醒命令。
3 iTrax02 GPS接收机的应用电路
要使iTrax02 GPS模块正常工作，外部天线、Reset及供电电路也是必不可少的。而其天线的接入和与外围相关引脚的连接如图3所示。请注意：无源天线和有源天线只接其中之一即可。
3．1 供电设置
对iTrax02芯片来说，为让接收达到最后的结果，对射频部分和基带部分要分开供电，图4是供电部分的参考电路。DC-DC电源片用的是TI公司的TPS77127DGK和TPS77027，这2个电源片均可将5V转换为稳定的2.7V，满足iTrax02的低轼耗要求。在这里，用PS77127DGK还有一个好处就是可以提供RESET信号。此RESET信号和电源上电之间最少有200ms的延迟，可以完全满足iTrax02 GPS接收机对复位信号的要求，这样就大大简化了电路。有关TPS77127DGK和TPS77027更详细的介绍可参阅其详细的资料。

    3．2 典型应用
硬件连接框图如图5所示。上电复位后，iTrax02 GPS接收机开始正常工作，通过UART0发数据。PDA接收到数据后，根据iTALK协议将有用数据解析出来，获取定位信息。
3．3 设计要点
在设计PCB板时，要考虑到接收模块和天线之间的阻抗匹配问题，PCB板上，推荐在无源天线和接口之间接一个50Ω的PCB带状线，其连接方式如图6所示。

    这个50Ω带状线的宽度依靠PCB板的材料和厚度而定，以FR4板材（约1.5GHz）而言， 带状线的宽度应是板厚的2倍。如板厚是0.8mm，那么带状线的宽度应是1.6mm，依此类推，如图7所示。
ITrax02 GPS接收机还可以在38脚V_ANTENNA外接有源天线，有源天线的电压依所用的天线类型而定，而供应电流最大不能超过100mA。
4 软件实现方法
我们所用的手持式PDA是联想公司的XP天玑100，它所采用的操作系统是Windows CE。Windows CE是32位的多线程操作系统，具有能够使用各种设备的开放性体系。它整体紧凑，在小内存的情况下可提高性能，并具有伸缩性，能够支持未来的嵌入式移动或多媒体产品的开展潮流。它是微软公司的新成员，是基于掌上型电脑类电子设备的操作系统。它是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的嵌入式操作系统。
iTrax02接收模块可以支持两种协议，在Windows CE的软件平台上开发支持iTALK协议（或NMEA协议）。软件的基本流程如图8所示。
结语
本系统在我们开发的车载导航系统中得到了应用，有效解决了功耗问题，操作方便，定位及时准确，所占空间小，效果良好。