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(编辑修改稿)

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(编辑修改稿)内容摘要：

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。 基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第一章 概述 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 Visual Studio 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。 基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 4 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 ARM 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、 Acorn Computer Group 和 VLSI Technology 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]。 ARM 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（ ARM 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（ ARM 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， ARM ARM ARM10， Intel 的 StrongARM 系列、 Xscale 系列等属于通用处理基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 5 器系列，已经在很多领域大量应用。 ARM 是基于 RISC（ Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机） [3]而设计的，它有着与 CISC（ Complex Instruction Set Computer 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。 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]， 的 CMOS 标准宏单元和存储器单元 , 它采用了新的总线架构 Advanced Micro controller Bus Architecture (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， AMBA BUS 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（ ICache），数据高速存储缓冲器（ DCache）； 基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 6 采用 ARM920T CPU 内核支持 ARM 调试体系结构； 其内部结构图如图 ： 图 S3C2440A内部结构图 其 AHB总线（ Advanced Highperformance Bus）图如图 ： 图 AHB总线图 其 APB（ Advanced Peripheral Bus）总线图如图 ： 基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 7 图 APB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 NAND FLASH,开发板采用两片半字（ halfword） 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 ： 图 S3C2440A核心板尺寸图 其实物图如图 ： 基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 8 图 S3C2440A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。 ARM 操作系统 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 基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 9 μ Clinux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。 μ Clinux是从 [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 Linux API函数。 由于μ Clinux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μ Clinux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) Windows CE 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 Windows API，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 Visual C++，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 Windows CE，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embedded Visual C++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) μ C/OS II μ C/OS II[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， μ C/OS II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。 5 Microsoft WindowsCE[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。 Windows CE .NET 是 Windows CE 的后继产品。 Windows 基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 10 具备完整的操作系统特性，它包括了创建一个基于 Windows CE 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 Windows CE 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 所示： 图 Windows CE 系统架构 （ 2） 新增特性 嵌入 式 系统的开发人员会在 Windows 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）；设备仿真，该特性可以对完整的设备环境进行仿真而无需任何额外的硬件投资；平台向导，可以从众多的预置设备设计中进行选择，以便跳跃式地开始开发流程；此外，还有丰富的多媒体和 Web 浏览功能，例如 Microsoft Inter Explorer 和 Windows Media™编解码器（ Codec）和控件。 （ 3）扩展设备驱动程序支持 高级技术附 加数据包接口（ Advanced technology Attachment Packet Interface，基于 ARM 的 GPS测量数据接收系统的设计与实现 第二章 嵌入式系统与全球定位系统 11 ATAPI）磁盘驱动程序，提供了 CD 和 DVD 的“读”支持。 新的统一音频模型和示例驱动程序： UAM 实现了对 WAV 和 Microsoft DirectSound音频 API 的高效支持。 它还使得编写一个能有效支持 WAV 和 DirectSound 的驱动程序成为可能。 全球定位系统（ GPS）简介 1973 年 12 月，美国国防部批准了一项计划，由陆海空三军联合研制一种新型的军用卫星导航系统，称之为“ Navigation by satellite timing and ranging global positio。