集成多媒体功能的GPS方案

卫星定位概述

全球卫星导航的基本原理是：卫星发射导航电文，其中包括测距精度因子、开普勒参数、轨道摄动参数、卫星钟差参数和大气传播迟延修正参数等。地面接收机根据码分多址CDMA或频分多址FDMA的特点区分各导航卫星，接收并识别相应的导航电文，测量发来信号的传播时间，利用导航电文中的一系列参数逐步计算出卫星的位置。接收机只要能接收到至少4颗卫星信号，就可确定其位置和钟差。在全球导航系统中，用户接收机根据卫星导航电文不断地核准其时钟钟差，可以得到很高的时钟精度，这就是精确的卫星授时；根据导航电文的规律性的时序特征，通过计数器，可以得到高精度的同步秒脉冲信号，用于同/异地多通道数据采集与控制的同步操作。

GPS方案

1 本方案基本功能

①GPS定位导航：系统自动计算出达到目的地的最佳路径，同时在使用过程中会有语音提示，让旅行更为安全快捷。

②视频播放功能：本机可选择SD卡中的视频文件即可实现观赏影片功能，支持avi、mpg和wmv等视频格式。

③音频播放功能：选择SD卡中的音乐即可欣赏，支持mp3/wma/ogg等音频格式。

④图片浏览功能：支持JPG（JPEG）/ GIF/ BMP等图片格式的阅览。

⑤文本阅读功能：支持TXT文本格式的阅览。

⑥PDA功能：带有简便的OFFICE办公套件，可以打开日常电脑中编辑的word /excel/ ppt/ pdf 等文档。

2 方案原理

方案原理框图如图1所示。

图1 方案原理框图

方案采用当前最流行的ARM920T内核的SAMSUNG S3C2440嵌入式芯片，S3C2440处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，主频400MHz，最高可达533MHz，这是目前世界上主频最快的嵌入式移动CPU之一，内核电压为1.3V，采用16/32位 ARM920T RISC核心，能提供丰富接口，如数码摄像头、TFT/STN液晶屏、USB、HOST/DEVICE、IIS音频、NAND闪存、SD/MMC存储卡以及触摸屏，有8通道10位 ADC等。产品电源采用USB供电、车充供电、电充供电和电池供电四种供电方式。GPS接收模块采用正原的ZYM-GM21_GUIDE，该模块采用 SIRFstarIII, 内嵌高性能ARM7TDMI CPU，可以接收到20颗卫星的信号，不导航时可以关闭GPS模块以省电，该模块尺寸为 42 (L) 20 (W) 8 (H) (mm)，输入电压为直流+3.6～+4.2V，数据更新每秒一次，热启动时间小于1s（在开阔地点），冷启动时间小于35s(在开阔地点)。LCD屏采用三星3.5英寸数字屏,该屏分辨率为320240，16M色TFT 真彩LCD, 带LED 背光触摸屏。闪存存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统和其他在系统掉电后需要保存的用户数据等；SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域，系统和用户数据及堆栈均位于SDRAM存储器中；SD卡存放凯利德的电子地图，用1Gb卡可以存放全国地图。

首先，CPU完成对GPS和外围接口的初始化工作；CPU还必须要周期性地对系统终端的当前状态做出测试及判断，并对各种实际情况做出相应的处理，以保证系统能正常而稳定地工作，同时实时显示客户需要了解的各种信息和产品基本功能中要求的各种信息。

3 关键器件的选型原则

做数码产品主要是选好CPU，CPU定好后，其他很多外围电路就基本定了，因为有很多现成的参考电路和有关专题的应用电路。对于新手或经验不足的工程师，最好就用IC原厂或方案公司提供的参考电路，因为这是通过专业技术人员考虑和实验过的。在通过以后自己实验验证基础上，处于降低成本和提高性能的需要，再更换部分/个别元器件。

①CPU的选择

选主CPU是关键，首先，要考虑到CPU的性能是否与你的设计规划一致，这个CPU将来能否满足你的需要，因为熟悉一个CPU不容易，将来换一个CPU也不容易，会浪费时间，这个CPU要能满足你的产品更新换代需要。其次，CPU的价格是否能满足你的需要，你要做高档/中档/低档产品，你做的产品功能是否很多或单一，这些也决定你的选择。再次，你的现有资源很大程度上决定你的选择，如你和哪个CPU公司或技术支持公司比较熟悉，能够给你提供最大的技术支持和价格支持及各种服务。最后，你以前熟悉哪些CPU，你以前的知识可以减少开发时间并减少不成功的风险。

由于三星具有性价比高的特点,可以做功能完善的产品线，便于将来升级加一些附加功能，如增加手机、移动电视、摄像头和PDA等功能，且很多通用性嵌入式产品都能用三星CPU来实现,所以我们选用三星的作为主CPU。

②卫星接收模块的考虑

现在大都用SIRFⅢ的芯片做GPS产品，所以这点是定的。选择哪个公司的GPS接收模块呢？我们的原则是要用集成了天线的模块，这样的目的是这种GPS模块做出来的产品接收性能稳定些；这种产品的GPS天线是内嵌的，不是外挂的，所以产品的体积小些；同时由于不用考虑天线的安装和布局，使得设计简单，容易调试且容易保证产品性能一致。通过测试，我们选用正原的ZYM-GM21_GUIDE做为GPS接收模块，该模块20mm的宽度使我们的产品能做成超薄，使的产品外观更好看。

4 主要模块的硬件电路图及说明

①CPU和存储器接口图

如图2所示，由于S3C2440有现成的SDRAM、FLASH、EEPROM、SD CARD和USB等接口，只要按S3C2440的说明书和参考资料设计很容易实现图２。其中FLASH用于保存程序，EEPROM用于保存静态数据，SDRAM用于保存动态数据，SD卡用于保存地图数据资料和给用户自己留用。一般省和区（如东北三省区）地图容量要400Mb空间，全国地图要800Mb空间，所以1Gb的SD卡可以够用。

图２ CPU和存储器接口图

②声音处理电路

图３为声音处理电路图，通过控制CPU寄存器，声音通过CPU的IIS-BUS输出给D/A转换电路，再通过功放输出。

图３ 声音处理电路图

③显示和视频输出

图４为显示和视频输出图，由于S3C2440有LCD接口电路，所以实现起来很容易。通过视频转换D/A，可以输出Y/C信号和CVBS信号，以方便外接显示器显示。

图４ 显示和视频输出图

④CPU对GPS的控制

主要是通过串行口发送控制命令实现（GPS采样周期的设置、GPS输出数据选择、通信波特率设置等），同时通过串行口接收GPS定位信息。由于GPS输出数据采用NMEA-0183（V 3.01）格式，输出数据为多组，在本系统中，仅选取其中的一组数据：GPRMC(推荐最小数据量的GPS具体内容/传输数据)，其格式举例如下。其中，当且仅当GPS输出数据为有效定位数据时，对应的UTC时间才为当前准确时间。
CPU和GPS模块的接口电路如图5所示。

图5 CPU和GPS模块的接口电路

通信控制线(CONTROL)包括: BOOT、GPS ON/OFF、TX/RX。BOOT高电平激活GPS模块启动内部程序，GPS ON/OFF用于关闭和打开GPS电源，当不用GPS功能时，关闭GPS 模块可以省电，TX为GPS 模块发送出来的导航数据，RX为给GPS模块的命令。

5 系统软件设计

程序采用了模块化设计，软件由一个主程序和若干个子程序构成，其中，子程序主要完成一些单一的基本功能，主程序则负责完成对各个功能模块（即子程序）的调用。软件主流程图如图6所示。

图6 软件主流程图

BOOTLOADER完成硬件设备初始化，设置堆栈，检测系统内存映射，将内存映像和根文件系统映像从FLASH读到RAM空间中，为内核设置启动参数，启动内核。

应用程序主要包括：GPS启动和接收处理程序、显示驱动程序、按键处理程序、触摸屏处理程序、视频播放程序、音频播放程序、图片浏览处理程序、文本阅读程序、PDA功能处理程序、待机和省电处理应用程序等。

6 多媒体功能等应用程序嵌入

WINDOWS CE.NET的GWES支持组成WINDOWS CE.NET图形用户界面的窗口、对话框、控件、菜单和资源,使用户能够控制应用程序。WINDOWS CE.NET将 MICROSOFT WIN32应用编程接口（API）、用户界面（UI）和图形设备接口(GDI)组合为图形窗口事件子系统（GWES）模块（GWES.EXE）,GWES是用户、应用程序和操作系统之间的接口。同时GWES还包括驱动程序的加载，主要包括显示、键盘、鼠标和触摸屏等的驱动等。本机自带播放器,也可用Windows media player 和 Beta player 播放器，选择SD卡中的视频文件即可实现观赏影片功能，支持avi、mpg和wmv 等视频格式。选择音频播放功能，可以播放SD卡中的音乐即可欣赏，支持mp3/wma/ogg等音频格式。启动音频或视频播放功能后，消息循环接收系统传送过来的消息，并把它发送到相应的窗口中进行处理，启动相应的视频或音频播放应用程序。

7 设计注意事项

① 卫星信号的接收失步

为了使产品应用于山区、极地等不开阔或易受太阳风暴等影响的地域时，在设计中加入防止卫星信号接收失步的软硬件措施。具体做法常常是设计本地精密的PPS产生电路、实时时钟RTC电路。当从接收端取得的NMEA格式信息中识别出所传定位/时钟信息无效时，立即启用本地PPS信号和RTC，并根据前面正常情况下物体的位置特征推断当前物体的位置。卫星信号接收恢复正常时，转而使用卫星定位时钟同步，同时清除本地PPS发生计数器，校正RTC时钟。图7为这种典型的防失步方案。

图7 卫星信号监测失步时的同步/时钟处理

②系统电源管理

卫星信号定位授时同步体系，特别是嵌入式便携设备，涉及到不同的电源供给，如液晶显示模块、主系统、CPU核，需要从电池得到各种供电电压。电源管理设计时，不要直接从电池电压同时变换得到1.8V、3.3V、5V，而应先升压得到最大的供电电压，再逐级降压得到所需各级供电电压，以保证系统正常工作，操作过程如图8所示。

图8 便携式卫星信号定位仪器的系统电源规划

③PCB制板

需要重点考虑的是卫星信号接收部分的设计。为减少干扰，获得最好的接收效果，接收天线要尽可能靠近集成芯片的接收引脚；天线接口到芯片接收脚的微带线要尽可能短，宽度要2倍于PCB板厚，走斜切线，避免锐角、直角。要有独立的电源、地层。电源、地层要靠近顶/底层，大面积铺地PCB边缘处，电源层面积要小于地层；地层边缘要加一圈密密的过孔，顶层要有大量过孔和大面积地，尽可能使用金属罩屏蔽全部接收部分。

④高度定位

高架低的只有6m，GPS水平定位精度5～10m，垂直10～30m，GPS没法确定在高架上或高架下。用加装加速度计结合立体电子地图的办法来判断上高架了还下高架，如果没有立体电子地图的配合，在特殊地形处（山坡上的高处，多层高架）也会判断出错。

方案测试与评估

方案已经进行初步的功能测试、卫星信号接收测试和可靠性测试。功能测试主要考察整机电流是否正确，按键功能是否正确，各端口功能是否正常等。结果显示方案的功能正常，图像，语音的输出流畅，无噪声或扭曲现象。在卫星信号测试方面，主要考察方案对定位信号的接收能力。结果显示接收信号的信噪比都达到要求，在进行定位时间测试中，在常温、GPS信号覆盖强度为-103dBm的环境下进行测试，系统第一次定位时间小于1m，断电1分钟后重新定位时间小于3s。可靠性测试主要考察方案在不同温度、湿度、震动下的性能，结果显示方案在一般实际环境存在的变化范围内工作情况良好。

结论

本文利用GPS定位和嵌入式系统理论实现GPS多媒体播放器,实际效果理想,在此基础上,可以进一步增加功能,如带摄像功能、手机功能和移动电视功能等,进行产品升级和更新换代。