基于北斗二代系统的嵌入式船用导航仪硬件设计

摘要：随着北斗二代系统的研制与建设，在导航领域我国将会从GPS主宰的局面转向为以我国自主研发的北斗二代全球导航系统为主的局面。为了实现北斗船用导航仪更轻便、快捷、低功耗和低成本，提出了一种采用ARM9系列的S3C2440A为处理器的北斗船用导航仪硬件设计方案，详细给出了系统的硬件体系结构和具体的硬件选型及接口电路设计。并对整个系统进行了硬件平台的搭建和测试，给出了北斗信号处理部分的硬件设计电路板，实验表明这种硬件设计可行。
关键词：嵌入式；北斗二代系统；导航仪；硬件设计

    目前，随着我国第十颗北斗卫星的成功发射，北斗区域卫星导航系统已完成基本系统建设。北斗卫星导航系统基本上能满足测绘、渔业、交通运输、气象、电信、水利等行业，以及大众用户的应用需求。在加上北斗导航卫星定位系统的ICD的公布，那么对于北斗卫星导航仪的研究势在必行，而我国的北斗导航卫星定位系统同时具备定位与通信功能、可同时解决“我在哪”和“你在哪”等应用优势。但是实际的应用并不理想，主要表现在：1)民用领域应用不充分，未形成产业化的现状；2)用户终端设备价格偏高，在市场上无法与GPS系统形成竞争；3)用户终端设备研制开发滞后，跟不上应用需求。北斗导航在民用领域有着广泛的前景，但影响、制约北斗系统在民用领域获得广泛应用的主要因素就是系统用户终端。而现有的导航仪基本上都是基于FPGA、DSP或者是两者相结合为硬件平台的GPS导航仪，也有比较先进GPS采用ARM作为处理器。在这样的背景下，将ARM处理器运用到北斗卫星导航系统上，研制一种超强信号灵敏度、出众的多路径抑制能力及抗干扰／防欺骗能力；支持多频点、多种升级配置超越主流高端产品；完全自主知识产权；从基带芯片到导航解算完全自主研发，技术支持、产品维护、软件升级、非标定制等均有保障；体积小、功耗低、性能可靠的终端接收机具有重要的意义。

1 系统总体设计方案
    本系统的硬件平台为三星公司的S3C2440A微处理器。S3C2440A的核心处理器(CPU)是一个由Advanced RISCMacllines有限公司设计的16／32为ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU、AMBA、BUS及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8字节的行组成。通过提供一整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。
    北斗导航接收机主要由射频前端、A／D转换器、基带信号处理和导航解算部分组成。射频前端接收卫星的射频信号，经前置放大器放大后，将信号下变频为中频信号；A／D转换器采样中频信号，把模拟信号量化编码为数字信号；基带数字信号处理部分主要功能为；卫星信号的二维捕获、载波相位和码相位的跟踪，并且测算出伪距；最后导航解算部分采用一定的算法消除模型误差，求解伪距方程，解析出卫星接收机天线的地理位置，从而实现卫星定位。整体设计框图如图1所示。

    ARM处理器主要是负责对北斗基带芯片数据的响应、处理和控制。北斗基带芯片采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕获北斗系统B1和B3频点的精密测距码和北斗／GPS卫星的普通测距码，具有较快的捕获速度、极高的动态跟踪范围和测量精度。为降低开发难度，方便二次开发，系统采用的是“核心板+底板”的设计方案，这样可以在核心板不变动的情况下，更改底板的功能组成，以使用不同的功能。同时，由于核心板采用多层PCB板设计，而底板采用双层板即可，从而大大的降低了系统的成本。系统硬件设计原理框图如图2所示。

2 系统硬件电路设计
2．1 核心板电路构成
    核心板采用ARM开发板最小系统设计，由S3C2440A处理器作CPU、内存SDRAM、闪存FLASH(NOR FLASH和NANDFLASH)、晶振电路、复位电路和启动配置电路组成。[!--empirenews.page--]
2．2 北斗基带芯片处理模块及电路
    北斗基带芯片采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕获北斗系统B1和B3频点的精密测距码和北斗／GPS卫星的普通测距码，具有较快的捕获速度、极高的动态跟踪范围和测量精度，通过串口输出标准的二进制或NMEA-0183格式的信号，数据被传送到解析程序进行验证处理，计算出位置信息，并在液晶显示器上进行显示。这部分电路的主要工作原理和过程是将射频信号经过下变频成为模拟中频信号再通过A／D转换得到导航信号，这些信号经过基带处理模块和导航信息处理模块捕获、跟踪、解算得到输出的导航信息。A／D转换和射频前端电路分别如图3、4所示，北斗基带芯片部分电路如图5所示。

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2．3 底板硬件电路
2．3．1 彩色液晶屏接口及触摸屏驱动电路
    S3C2440A内置有液晶控制器，可以支持最大256 k色TFT彩色液晶屏、最大4 k色STN彩色液晶屏。彩色屏上带有触摸屏(为四线电阻式触摸屏)，用于检测屏幕触摸输入信号，有利于提高人机交互的友好性。在使用的时候，需要一套切换控制及ADC转换电路，用于切换触摸屏的X、Y轴输入，并进行A／D转换。接口与触摸屏驱动电路如图6所示。

2．3．2 网络接口电路
    S3C2440A本身并没有网络接口，通过扩展网络接口的模式可以为系统提供以太网接入，是本系统的一个重要的功能模块，主要用于电子海图更新以及相关数据上传下载。该电路的核心芯片是DM9000E 10／100M以太网控制器，电路使用16位总线方式进行控制，数据总线DATA0～DATA15与SD0～SD15连接，地址线也进行相对应的连接，片选线nGCS3与芯片的AEN相连。模块电路使用通用的网络接口电路即可。
2．3．3 USB接口电路
    S3C2440A具2两个USB Host控制器和1个USB Device控制器，本设计只使用了DN0、DP0引脚作为唯一的下行口，为此还设计了1个USB集线器电路．通过集线器可以方便对USB下行口进行扩展，USB集线器芯片采用的是MICRO公司的AU9254。用于电子海图、导航定位软件更新，导航数据下载保存等。电路连接如图7所示。

2．3．4 RS-422接口电路
    目前船舶驾驶台导航设备均采用RS-422接口进行数据互联，由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS-232更强的驱动能力，允许在相同传输线上连接多个接收节点，所以RS-422支持点对多的双向通信，采用全双工通信模式，差模传输，抗干扰能力强，能给ECDIS和雷达等导航设备提供实时北斗导航定位信息。电路如图8所示。

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2．3．5 电源电路
    本系统使用的电源电路图9所示，5 V的电源经过C46、C48和C49滤波后，由两片低压差电源芯片将电源转换为稳定的3．3 V电源，分别给主板供电(电路图中VDD33)和给核心板供电(电路图中PVDD33)。

3 硬件调试环境搭建及测试
    在提出设计方案的基础上，通过实验来初步论证设计方案的可行性，本设计的系统硬件平台搭建结果实物图如图10所示，北斗卫星导航信号处理部分初步设计电路板如图11所示。

4 结论
    文中主要针对我国船用导航仪设计、应用完全自主方面考虑，采用处理能力强大的ARM处理器以及嵌入式WinCE作为系统的操作系统，以计算机技术为基础、软硬件可剪裁设计。从实验结果可以看出，核心板加底板的设计方法能实现我国北斗船用导航仪功能，本系统使用S3C2440A进行嵌入式系统硬件平台的搭建，为系统进一步开发做好了准备。这种设计方案也方便二次开发，只要更改底板设计即可实现不同领域的设计需求，降低了开发难度和成本，也缩短了开发周期。