基于ARM的GPS测量数据接收系统的设计与实现硕士学位论文Word文档格式.docx

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ARM,GPS,测绘,导航,静态测量

DesignandRealizationoftheGPSMeasurementDataRece-ivingSystemBasedonARM

Abstract

GPSiswidelyappliedinthefieldsofproductionanddailylifeatthemoment.Itcannotonlyprovidethree-dimensionalpositionofthereceiver,butalsoimprovetheaccuracyofmeasuringwiththedevelopmentofelectronictechnology.ThereforeGPSisplayinganimportantroleinmodernsurveyingandmappingwork.Thispaperpresentsanelectronicinstrumentwhichcouldbeusedinhighprecisionlocationinformationsurvey.Itrequirestherelativeaccuracyinmillimetersofthemeasurementbetweenthe2pointswhichhavea10-kmdistanceoramorethan45-metermeasuringtime.Thedevicecanbeusedingeologicalprospecting,mappingandsoon.

Afteryearsofdeveloping,GPShastendenciesofmulti-media,high-precision,real-timedirection,etc.EmbeddedARMwithpowerfulfunctions,lowpowerconsumption,advancedembeddedoperatingsystemcanmeettherequirementsofGPS.Therefore,thecombinationofARMandGPShasbecomethetrendofmodernGPSdevice.

Onthebasisofthegeologicalexplorationandmappingneedstothelocationinformation,theessayanalysesthelimitationsofthecurrentGPSbasedonSCMsystemsinthemappingworkandthefunctionsandfeaturesofARM.OnwhichitdesignstheGPSmeasurementdatarece-ivingsystem.Thepaperexplainsindetailsthesystemcomponents,methodandprincipleoffront-enddatacollection,dataanalysis,calculation,assessmentofresultsofGPS.Inaddition,itpresentsthepartsofsystemschematicdiagramandsystemcontrolsoftwareinstructionsandsoon,whichtakesausefulattemptfortestengineering.

Withthehigh-performance32-bitARM9processorS3C2440Aatthecore,ALLSTARmeasurement-GPSchipasdatasourcesandthehardwaresystemsuitabletoGPSdataacquisition.Thepaperanalysestheworkingprincipleofthesystemanditsspecificcircuit.Basedonthehardware,thesystemdesignstheworkflowofthesystemsoftwarewithWince.NET5operatingsystem.

WithVisualStudio2008,theauthorwritesthehostdataacquisitionprogramaccordingtodatacoding,communicationandstorageprinciples,andthenundertheprincipleofGPSpositioningandcalculationoftechnical,writesdataanalysissoftware.

Theresearchanddevelopmentofthesystemisbasedonpractice,whichmakesfulluseoftheS3C2440Achip,hasbeenprovedadvantagesofhighreliability,highstability,lowconsumptionandlowcost.Itimprovesconsiderablyinthespeedofdataacquisition,stability,storagespaceandsoon.Furthermore,itplaysanimportantroleinimprovingthequalityofmappingwork,whichcanbewidelyusedinhigh-precisionlocationinformationmeasurements.

Keywords：

ARM,GPS,SurveyingandMapping,Navigation,StaticMeasurement

第一章概述

1.1选题依据及研究意义

测绘工作在国民经济建设、科学研究、国防建设及社会发展中都发挥着重要的作用，它是利用测量仪器测定地球表面自然形态的地理要素和地表人工设施的形状、大小、空间位置及属性等，对空间数据进行分析、管理、存储和显示等的综合应用[1]。

在测绘工作中，测绘工作与测量仪器的发展息息相关。

随着电子技术的快速发展，GPS（GlobalPositioningSystem全球定位系统）的发展趋势是：

精度高、功耗低、重量轻、操作简单、集成多种功能、海量数据存储与处理。

自从GPS引入到测绘工作中后，给整个测绘系统带来了一场变革。

本系统的主要功能是获取地理位置坐标数据，经处理和存储，实现实时导航定位，而存储的包含原始测量信息的数据，可以用来进行数据后处理。

GPS定位技术在测绘工作中的使用十分广泛，例如，我国为了对整个版图的多种信息进行全面的掌握，需要建立一整套统一的坐标系，包括坐标点位置信息、高程控制方法等，由于测量区域广、面积大、精度要求高，使用传统的测绘方式无论是野外工作还是测量数据后处理的工作量都是很大的，现在使用GPS后，改善了传统测量存在的效率低、劳动强度大、误差积累明显等问题；

对于较大的区域，例如苏州市轻轨的建设，根据测绘工作的要求，需要对工作区域进行整体控制，GPS使用“静态测量”的工作方式可以快速而准确的完成工作；

对于一般的导航，GPS的使用更加的广泛，并已经由专业测绘工作扩展到日常生活，如汽车导航设备。

尽管GPS应用领域各不相同，但就测量设备本身而言，其实质都是一样的，即获取地理位置信息数据。

因此，对GPS测量数据接收系统的研究有着现实的意义。

1.2国内外研究现状及发展

GPS设备基本上是纯粹的电子设备，其发展规律与一般的电子产品相似。

在整合性上，GPS设备的集成度越来越高。

早期的GPS设备其GPS天线、电源与处理数据的主机是分开的，靠电缆进行连接，分别提供电力和数据传输。

采用分离元件、低集成度器件来设计的，器件体积大、功耗高、使用复杂，相对应的软件功能弱，调试不方便，可移植性不好。

而现在，已经发展成为GPS天线、大容量锂电池、处理芯片、外部接口、用户界面等高度紧密的整合在一起，可靠性上得到了很大的提高。

在采用的元器件及功能应用上，早先的GPS设备是由8位单片机作为CPU，随着电子技术的进步，新器件、新技术不断出现，也不断被用来制造新的设备。

嵌入式系统的发展为GPS设备的发展提供了良好的契机。

由于GPS设备的大量应用，特别是在个人消费方面，汽车导航、智能手机、手持式导航仪等得到大力的发展，这些设备要求低功耗、多功能，例如智能手机就包含了电话、GPS、高分辨率大屏幕、声音等多媒体功能，要在一个设备中实现众多的功能，目前使用的是32位ARM（AdvancedRISCMachine）CPU。

ARMCPU由原来的ARM7发展到ARM9，主频由原来的几十兆变为200兆、400兆、533兆等，性能越来越好；

在新的CPU通常会增加新的功能，随着CPU的更新，对它起支撑作用的整体系统构架也会随之升级，这会带来系统的集成度越来越高，功能越来越强。

GPS产品也是这样。

还有，GPS需要强大的后续软件来体现其应用的价值，可以这么说，没有软件的GPS仅仅是一个传感器，所以，软件功能上的更新也是必要的，在GIS（GeographicInformationSystem地理信息系统）方面，这得到了很好的体现。

而对于专业测量GPS而言，多个行业的专业应用，如铁路、远洋、GIS采集等，是其发展的方向。

在软件上的发展，配套ARMCPU使用的软件操作系统可以选择的也很多，代表性的有ucOS、Linux、WindowsCE等，这样，GPS设备终端就变得可以实现许多的功能，除了GPS定位外还可以进行大容量数据存储、播放多种声音文件、播放视频、进行高分辨率摄影等，与用户的交互也变得多样化起来，原来只能通过键盘输入信息，现在可以使用触摸屏甚至是语音识别。

对于工业化的测量专用的GPS设备而言，对多媒体的追求是其次的。

工业测量GPS追求的是测量结果高精度、数据结果高可靠、位置更新高速度、对外界恶劣环境高防备、软件使用专业化等，目前国内参加生产的专业测量GPS基本都是沿着这些方向发展的。

1.3主要研究内容

本文是在研究目前国内外现有的GPS测量数据接收系统的基础上，借鉴和使用了最新的研究成果，根据实际需求设计了硬件和软件构架。

研究的主要内容是基于ARM的GPS测量数据接收系统的实现方法及其关键技术，其中：

主要研究内容包括：

1）、GPS接收机的一般组成，包括器件、组成和结构；

2）、专业测量GPS芯片的具体研究；

3）、GPS芯片配合电路的设计、开发与调试；

4）、ARM芯片的使用及与GPS的结合；

5）、在ARM上运行的软件操作系统及应用程序的编写。

关键技术包括：

1）、电路设计上，采用了高性能32位ARM9处理器S3C2440A为核心，以ALLSTAR测量型GPS芯片为数据来源，搭建了适用于GPS数据采集的硬件系统；

2）、采集了GPS定位数据，利用VisualStudio软件工具编写了嵌入式数据处理软件；

3）、使用GPS通用数据格式文件RINEX进行采集数据的处理，并通过后处理软件达到了毫米级精度。

第二章嵌入式系统与全球定位系统

2.1ARM硬件开发平台

ARM是全球微处理器行业中一家知名的企业，该公司于1990年在剑桥大学成立，它是由苹果电脑、AcornComputerGroup和VLSITechnology联合成立的一家设计32位嵌入式RISC芯片内核的公司。

如今，“ARM嵌入式内核”已经被全球各大芯片厂商采用，基于ARM的开发技术也席卷了全球嵌入式产品的市场，并成为嵌入式系统的主流技术之一[2]。

2.1.1ARM处理器的体系和结构

ARM构架诞生至今已经有过多次变革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前ARM的架构有：

（1）V1构架（ARM1）：

具有基本的数据处理指令（无乘法）；

字节、半字节、字的Load/Store指令；

转移指令；

软件中断指令；

64MB的寻址空间。

（2）V2构架（ARM2、ARM3）：

增加乘法指令；

增加支持协处理器的操作；

增加快速中断模式；

增加SWP/SWPB的存储器和寄存器交换指令。

（3）V3构架（ARM6）：

增加MRS/MSR指令，可以访问新增加的CPSR/SPSR寄存器。

增加了异常处理返回；

寻址空间扩展到4GB。

（4）V4构架（ARM7、ARM9）：

低功耗的32位RISC处理器，包括32位地址线和数据线，具有ICE逻辑，调试开发方便；

具有16位的Thumb指令集；

主频高达130MIPS；

完善了软件中断SWI指令。

（5）V5构架（ARM10）：

具有带链接和交换的转移BLX指令；

计数前导零CLZ指令；

BRK中断指令；

增加了一些信号处理指令。

（6）V6构架（ARM11）：

增加了SIMD功能，为多媒体处理的应用系统提供优化功能。

其中，ARM7、ARM9、ARM10，Intel的StrongARM系列、Xscale系列等属于通用处理器系列，已经在很多领域大量应用。

ARM是基于RISC（ReducedInstructionSetComputer精简指令集计算机）[3]而设计的，它有着与CISC（ComplexInstructionSetComputer复杂指令集计算机）在一些地方有着很大的区别。

传统的CISC计算机随着计算机技术的发展不断地引入新的复杂指令集，为了支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，但在这些指令中，只有约20%的指令会被反复调用，占程序代码的80%；

余下的80%指令不经常使用，在程序代码中占20%，这就造成了浪费，显得设计不合理，而RISC则可以避免这些问题。

RISC指令系统相对简单，能够满足大部分的功能需求，只要求硬件执行有限的最常用的那部分指令，大部分复杂的操作使用成熟的编译技术由简单指令合成，这使得计算机的执行效率得到提高。

目前中高端的服务器普遍使用RISC指令集，把重点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度。

CISC和RISC架构各有其侧重点，现在出现了超长指令集计算机，融合了两只指令集的优势，成为未来CPU发展的趋势之一。

2.1.2基于三星S3C2440A处理器的开发平台

三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A采用了ARM920T的内核[4]，0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元,它采用了新的总线架构AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture（AMBA），提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。

其低功耗，简单，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。

ARM920T实现了MMU，AMBABUS和Harvard高速缓冲体系结构。

这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。

每个都是由具有8字长的行组成。

通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A减少整体系统成本和无需配置额外的组件。

S3C2440A有如下的功能和特性：

为手持设备和通用嵌入式应用提供片上集成系统解决方案；

16/32位RISC体系结构和ARM920T内核强大的指令集；

指令高速存储缓冲器（I-Cache），数据高速存储缓冲器（D-Cache）；

采用ARM920TCPU内核支持ARM调试体系结构；

其内部结构图如图2.1所示：

图2.1S3C2440A内部结构图

其AHB总线（AdvancedHigh-performanceBus）图如图2.2所示：

图2.2AHB总线图

其APB（AdvancedPeripheralBus）总线图如图2.3所示：

图2.3APB总线图

正由于S3C2440A的强大功能，在它上面开发新功能是很有意义的一件事。

为了更好的使用S3C2440A，将CPU及部分核心部件封装为一块尺寸较小、通用性较强的部件，称之为核心板。

板上配备了两片32M的三星SDRAM,一片64M的NANDFLASH,开发板采用两片半字（half-word）SDRAM器件共同组成一个32位数据宽度的SDRAM系统，提高了其与CPU的通信效率。

更好的发挥S3C2440A芯片的潜能。

核心板尺寸图如图2.4所示：

图2.4S3C2440A核心板尺寸图

其实物图如图2.5所示：

图2.5S3C2440A核心板实物图

有了核心板还需要一块开发底板来进行接口的扩展，使核心板能够与外设通过开发板进行通信。

开发底板可以扩展许多功能，包括标准的串口、USB、液晶、音频等，也可以增加其他功能，如红外接收器、温度传感器、摄像头等。

总之，核心板插在开发板上使用，形成一套完整的、丰富接口的ARM嵌入式系统。

2.2ARM操作系统

2.2.1常见的ARM操作系统

在嵌入式应用中嵌入式操作系统已经大量存在，尤其在功能复杂、系统庞大、要求较高的方案中显得越来越重要，可以说没有操作系统的计算机是没有用的，这点在普通的台式电脑上大家都有深刻体会。

操作系统管理整个硬件系统的运行，负责各种资源的调配，充分发挥了32位CPU的多任务能力，是整个嵌入式系统的灵魂。

目前有多种嵌入式操作系统，它们使得开发实时应用程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能，把应用程序分割为若干独立运行的模块，使得程序的设计变得简化许多；

对于实时性要求高的应用做到了快速响应和可靠处理；

使得整个系统的资源得到很好的管理和应用。

常见的嵌入式操作系统有：

（1）嵌入式Linux

μClinux是一个完全遵循GNU/GPL公约的嵌入式操作系统，其代码完全开放，内核由专业公司进行维护。

μClinux是从Linux2.x[5]内核中派生的，沿袭了Linux的大部分特性，通常应用在仅具有很少内存的嵌入式系统上，系统的CPU可以没有虚拟内存或者内存管理单元。

在GNU通用公共许可证的保证下，几乎可以使用所有的LinuxAPI函数。

由于μClinux是在标准的Linux上进行适当的裁剪和针对性的优化，所以尽管μClinux体积小但仍保留了Linux的大部分优点，如稳定、易于移植，网络功能强大、良好的文件系统支持等。

（2）WindowsCE

WinCE是微软公司设计开发的一个开放的，易于使用的，基于掌上电脑的操作系统。

WinCE的图形界面十分出色，非常平易近人，加上微软公司在台式电脑操作系统上的高普及率，WinCE一开始就很得人心。

WinCE使用了精简的WindowsAPI，这使得系统开发上与Windows开发基本相同，但又有细微差别。

WinCE系统还有一个非常吸引人的地方就是WinCE的开发工具，如VisualC++，与台式电脑上的基本一致，使得大多数软件只需要简单的修改和移植就可以在WinCE平台上使用。

为了推广WindowsCE，微软甚至开放了定制操作系统的工具PowerBuilder，开发工具也可免费使用，如embeddedVisualC++等。

在程序开发工具上，一些老牌的公司如宝蓝公司等现在实力都无法与微软抗衡，使得WinCE的市场占有率十分高。

（3）μC/OSII

μC/OSII[6]是一个源代码开放，移植性良好、可固化、可裁剪的占先式实时多任务操作系统，其大部分源代码是用ANSIC写的，μC/OSII通过了美国联邦航空局商用航行器认证，证明了其性能的优异。

还有其他一些较有特色的嵌入式操作系统，如VxWorks、Nucleus、eCos等，它们在某些方面都有其特长，限于篇幅在此不再赘述。

2.2.2Wince.NET5

MicrosoftWindowsCE[7]是为各种嵌入式系统和产品设计的一种压缩的、具有高效的、可升级的操作系统（OS）。

其多线性、多任务、全优先的操作系统环境是专门针对资源有限而设计的。

WindowsCE.NET是WindowsCE3.0的后继产品。

WindowsCE.NET具备完整的操作系统特性，它包括了创建一个基于WindowsCE的定制设备所需的一切，例如：

强大的联网能力、强劲的实时性和小内存体积占用以及丰富的多媒体和Web浏览功能。

（1）操作系统体系结构

WindowsCE是由若干独立模块所建，每一个模块提供特定的功能。

其中有几个模块又被分成几个组件。

组件能使WindowsCE变得较为紧凑（小于200兆ROM），仅需要使用最小的ROM、RAM和其它硬件资源就可运行设备。

如图2.6所示：

图2.6WindowsCE系统架构

（2）WinCE.NET新增特性

嵌入式系统的开发人员会在WindowsCE.NET中发现大量的新增特性和改进特性，其中包括：

无线技术，例如蓝牙（Bluetooth）