基于TMS320F2812物探GPS接收机设计与实现

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摘 要:设计了一种专门用于物探测量且经济实用的GPS接收机。该接收机采用TI公司的TMS320F2812芯片为核心处理器,对GPS-OEM板进行二次开发,给出了详细的软硬件设计思路和实现方案。测试结果表明,在天气情况良好的条件下,单机定位精度小于1 m,能够满足大多数物探平面测量精度要求。

关键词:地球物理勘探测量; GPS-OEM; TMS320F2812; GPS接收机

中图分类号:TN713+.8-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)21-0079-04

Design and Implementation of Geophysical Exploration GPS Receiver

Based on TMS320F2812

QIAO Xiao-rui1, LIU Li-li2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Unit 91180 of PLA, Dalian 116041, China)

Abstract: A suitable and practical geophysical exploration GPS receiver was designed. This system consists of GPS data receiving unit and TMS320F2812 core processor. GPS data receiving adopts the selected GPS-OEM board. The design and implementation scheme of hardware circuit and software program are introduced. The test results show that the position accuracy can reach to 1 m, which can fulfill the accuracy requirement of plane measurement for geophysical exploration.

Keywords: geophysical exploration; GPS-OEM; TMS320F2812; GPS receiver

0 引 言

地球物理勘探野外工作在进行地球物理场测量的同时,需进行点位及其高程测量。 GPS定位技术与常规测量技术相比,具有观测站间无需通视、速度快、测量组人员投入少等优势[1],已成为物探测地工作首选。

地球物理勘探测量中,要求平面定位精度小于3 m。目前,市场上低价格GPS接收机的精度不能保障;高精度GPS接收机可满足精度要求,但价格昂贵。为满足地球物理勘探测地需求,地球物理勘探者往往必须选用高精度GPS接收机,显然增加了测地工作的成本。针对目前GPS接收机发展现状,本文旨在研制┮恢知专用GPS接收机,要求价格适中、能实时定位、且在短时间内单机定位精度能达到1~3 m,满足大多数地球物理勘探测地精度需求。

数字信号处理器DSP 运算速度高,有较高的数字信号处理能力,高可靠性的特点,非常适于GPS实时信号的处理[2-3]。利用GPS-OEM进行二次开发,设计相应接口软件、适配显示器、键盘等用户终端与控制处理器,构成GPS一体化接收机,已成为一种发展趋势[4-5]。通过调研,选用一种GPS-OEM板,与一种蝶形接收天线配合使用时,单机定位精度能达到1 m左右,为进一步设计提供了基本依据。

1 系统硬件设计

该接收机由GPS数据接收单元、核心处理单元、及存储和显示单元三部分组成。其中,GPS数据接收部分采用选定的GPS-OEM板设计,核心处理单元采用TI公司的DSP,接口部分主要由转换芯片及相应软件组成。所设计的系统总体硬件框架如图1所示。

图1 系统总体硬件框图

1.1 GPS数据接收模块设计

目前在市场上GPS-OEM模块种类较多,在选型时要根据:

(1) 设计系统所能达到的定位精度;

(2) 数据链路的通讯方式和覆盖范围;

(3) 性能价格比等因素来选择合适的OEM模块。

经权衡比较,设计采用合众思壮公司在2006年正式推出的一款GPS-OEM模块新月-HC12A。该模块是合众思壮公司生产的一款单频12通道接收机,采用了最新的ASIC芯片和Coast等专利软件算法,同时具有20 Hz的原始数据、定位数据更新率,信标接收功能,差分基准站/移动站,L-Dif,E-Dif,1 pps/Event Marker等多种功能,其单机定位误差小于25 m(2DRMS),代表了当前GPS行业的最新技术趋势[6]。

新月-HC12A模块主要由低噪声下变频器、信号通道、微处理器、存储器等组成,其内部结构如图2所示。

图2 新月-HC12A模块内部结构图

另外,根据天线的供电电压、信噪比(噪声系数15 dB左右)及增益(增益28 dB左右),选用了右旋极化陶瓷介质天线,该GPS信号接收天线具有在同一时刻观测到较多GPS卫星数、快速定位的特点。

1.2 DSP核心处理模块设计

为满足接收机系统具备定位速度快,可靠性高及实时性的要求,选用DSP芯片作为中央处理单元的核心,根据中央处理单元对运算量的需求数据本身结构(要求处理的有效数字最大为11位),综合考虑DSP芯片的运算速度、运算精度、DSP芯片的硬件资源及开发工具、功耗及价格等因素[7]。

选用了TI公司的TMS320F2812芯片作为主处理器,主要基于以下几点考虑:

(1) 它的主频高,时钟频率可达150 MHz,可以满足系统的需要;

(2) 本身具有的大容量片内FLASH可方便系统实现、降低成本;

(3) 有着较多通用I/O口可以灵活配置,可以很方便地实现与其他器件接口;

(4) tms320f2812芯片系统采用高性能静态CMOS技术,功耗非常低[8] 。

1.3 存储、显示和控制单元

为了能实时提供给用户定位信息,本文设计中采用LCD液晶显示屏和SD卡存储器作为人机对话窗口。能实时、快速地输出定位信息,通过软件编程设计了简单方便的、友好的人机操作界面。测量时可按照简单的操作提示进行。另外,还可以将必要的数据存入SD卡存储内部设备,方便后续查询。

2 系统软件设计

本文所设计的软件程序采用C语言和汇编语言进行混合编程,对每一个功能模块的子程序进行编译和调试。程序设计主要部分包括:

主程序部分;

接收子程序;

数据处理子程序;

存储部分子程序。所设计的具体软件流程如图3所示。

图3 软件流程图

(1) 主程序部分:主要完成DSP 的CPU初始化、建立中断向量表、SD卡初始化、给OEM板初始化等,还有对各个子程序进行调用。

(2) 接收子程序:使程序指向接收数据缓冲区首地址,让DSP处于读接收状态。当新月-HC12A OEM板接收到一帧信号时,就引串口接收中断,将中断信号送给DSP的中断控制器,在其判断中断源后,DSP就会找到与之相应的中断服务程序的入口地址。采用中断方式接收OEM板发送过来的数据,一直等待接收到的字符是一帧数据的有效开始字符,判断特征字“$GPGGA”后再接收信息内容,若符合就接收;否则就放弃,再重新判断。当接收到在收到“”字符后结束接收,将结尾字符前的所有字符依次保存到一个接收缓冲数组内,并在接收完一帧数据后,调用数据处理子程序。

(3) 数据处理子程序:先缓冲接收到的数据,将接收到的有效帧数据进行提取和转换处理,以“,”为标记进行分离数据分别,提取并判读第1,2,4,9个逗号,就能提取到对应的时间、经度、纬度、高度等信息。所得到的经纬度的信息是ddmm.mmmmm格式,其是字符型需要转换成十进制的。另外,由于时间标准的不同,要得到北京时间还需对提取的时间信息进行转换处理。若需要坐标转换则应调用坐标转换子程序。处理完后将有用的信息送至LCD显示。

(4) 存储部分子程序:对于收到的数据,提取处理后,将数据存放到缓存中,当缓存中存满512 b后,就将其写入到SD卡里,以备事后处理。

3 测试结果分析

3.1 静态测试方案与分析

将GPS天线用三角架放置在楼顶上,进行了4次天线在不同位置的实验,所有静态点的数据采集时间均持续5 min(300个数据点),记录每个时间段对应的位置数据的文件。提取其中标准点的经纬度信息,可得到其位置分布如图4所示。

图4 标准点的位置分布

从图4可以清楚地看出,虽然存在一些离群点,但是数据的密集程度还是比较高。经计算,经度方向主要集中在114394 196°～114394 205°,相差大约在0000 009°( 0863 2 m);纬度方向主要集中在30521 599°～30521 604°,相差只是大约在0000 005°(0554 7 m)。从以上数据分析结果来看,在天气情况较好的情况下,单点定位的平面误差小于1 m[9]。

CEP分析[10]:为了对厂家所标定的(单机定位:小于2.5 m(2DRMS))指标进行检验,在天气晴朗的条件下,对采集的4个点的实测数据,利用计算圆概率误差的方式进行了分析;其中,每个点的测试时间为5 min,各得到300个数据点。计算得到圆概率误差半径,采用Matlab软件编程作图得到圆概率半径图,如┩5所示,只列出一个图。

由图5可见,所测的点都包含在半径为105 m的圆内,具体计算的各个点的定位实验数据见表1所示。

从表1可知,所测数据中精度半径最大的为1.05 m。而各个点的圆概率误差半径(CEP)最大值为0.5 m,这些数据小于接收机的标定位置精度1.042 m(CEP)(由25 m(2DRMS)换算来)。

图5 D4点圆概率半径

表1 单点静态定位精度分析表

点号纬度标准差x经度标准差yCEP半径 /m精度半径 /m

D10.103 70.162 90.140.57

D20.0840.058 00.080.15

D30.063 80.207 90.210.95

D40.526 70.205 40.501.05

3.2 动态测试方案与分析

为了在运动中检验测量精度设计了本项实验。实验地点在西操场上,沿预操场的第一跑道和第三跑道绕行一周后回到原点,分别进行4次实验。绕行过程中保持匀速。对所采集的数据进行提取、转换处理后,用Matlab软件对数据进行仿真,将实测经纬度换算成距离单位后,画出4次实验的轨迹图见图6。

图6 动态数据采集点轨迹仿真图

图6中,里面两圈是在第一跑道线上,外面两圈是在第三跑道线上的轨迹图,每条跑道宽1.2 m,这两条线间的距离为2.4 m。虽然在行走过程中所得到的轨迹点与直线轨迹存在误差,但是大致上还是比较理想的。实验轨迹相距最大偏离距均在1 m以内,与静态定位精度基本一致。

分析其中最大偏差部分析其存在误差的主要原因是:在行走过程中,由于不能始终保持天线在一个水平面上,以及未能保证行走的路线完全重合所造成的。总体来讲,该定位轨迹图能较好地反应实际的形状。说明该GPS模块动态定位性能还是比较好的,可以用于较准确的实时导航。

综合静态和动态测试结果表明,使用的新月-HC12A GPS模的圆概率误差半径(CEP)最大值为0763 9 m,小于其标定位置精度1.042 m(CEP),说明厂家提供的精度参考值可靠。

所得到的单点的精度半径(100%点)约2 m,小于生产厂家给的(2.5 m),说明该模块可以满足多数情况下物探测网的平面测量精度要求,表明系统设计方案可行。

4 结 语

本文通过对整个接收机系统的研究和设计,主要得到以下结论:

(1) 所选用的gps-OEM定位精度能满足设计需求。在配合使用右旋极化陶瓷介质天线进行的单机静态测试结果表明,单点定位精度小于1 m,由4次动态测试可得该接收机的导航的最大偏差也在1 m左右,能满足大多数地球物理勘探的平面测量精度要求。

(2) 设计GPS接收机系统的整体思路是正确的。选用中低档的GPS-OEM来设计实现单点定位精度较高、价格适中的GPS接收的思路是正确的,实现了用中低档GPS-OEM和较好的接收天线来研制高精度GPS接收机的设想,也为后续的设计者提供了借鉴。

(3) 提出的整体的设计方案是可行的。选用DSP芯片和GPS-OEM板开发GPS接收机是可行的,能达到实时定位的功能要求,选用的TMS320F2812DSP芯片能满足实时性的要求。其中所设计的DSP模块电路可以能满足系统要求。

参考文献

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[2]王宝林,刘建平.DSP系统设计的一般方法和技巧[J].电子元器件应用,2006(2):74-77.

[3]苏涛,何学辉,吕林夏.实时信号处理系统的设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[4]杨术明.基于GPS-OEM模块的农田基本信息采集系统的设计与实现[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2007,35(9):229-234.

[5]李勇军,杨青,庞树杰.基于OEM板的GPS接收机设计[J].农机化研究,2006(12):109-111.

[6]佚名.新月-HC12A速查手册NEW[EB/OL].[2006-08-07]. http//.

[7]邹彦.DSP原理及应用[M].北京:电子工业出版,2005.

[8]苏奎峰,吕强.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2006.

[9]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

[10]帅平,曲广吉,贵.卫星导航系统性能指标与评估方法[C].出版地不详:全国第十二届空间及运动体技术学术年会论文集,2006.