基于TMS320F2812物探GPS接收机设计与实现

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

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，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，本文旨在研制一种专用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。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。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1m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。

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20Hz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2．5 m(2DRMS)，代表了当前GPS行业的最新技术趋势。
    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。

    另外，根据天线的供电电压、信噪比(噪声系数1．5 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。
    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。
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。

    (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“$GPG-GA”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“<CR><LF>”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。

    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114.394 196°～114.394 205°，相差大约在O．000 009°(O．863 2 m)；纬度方向主要集中在30．521 599°～30．521 604°，相差只是大约在O．000 005°(0．554 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。
    CEP分析：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，如图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1．05 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o．5 m，这些数据小于接收机的标定位置精度1．042 m(CEP)(由2．5 m(2DRMS)换算来)。
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-HC12AGPS模的圆概率误差半径(CEP)最大值为0.763 9m，小于其标定位置精度1.042m(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2m，小于生产厂家给的(2．5m)，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1m，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TMS320-F2812DSP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。