摘要：設(shè)計了一種專門用于物探測量且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的GPS接收機(jī)。該接收機(jī)采用TI公司的TMS320F2812芯片為核心處理器，對GPS-OEM板進(jìn)行二次開發(fā)，給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計思路和實(shí)現(xiàn)方案。測試結(jié)果表明，在天氣情況良好的條件下，單機(jī)定位精度小于1 m，能夠滿足大多數(shù)物探平面測量精度要求。
關(guān)鍵詞：地球物理勘探測量；GPS-OEM；TMS320F2812；GPS接收機(jī)
0 引言
地球物理勘探野外工作在進(jìn)行地球物理場測量的同時，需進(jìn)行點(diǎn)位及其高程測量。GPS定位技術(shù)與常規(guī)測量技術(shù)相比，具有觀測站間無需通視、速度快、測量組人員投入少等優(yōu)勢，已成為物探測地工作首選。
地球物理勘探測量中，要求平面定位精度小于3 m。目前，市場上低價格GPS接收機(jī)的精度不能保障；高精度GPS接收機(jī)可滿足精度要求，但價格昂貴。為滿足地球物理勘探測地需求，地球物理勘探者往往必須選用高精度GPS接收機(jī)，顯然增加了測地工作的成本。針對目前GPS接收機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，本文旨在研制一種專用GPS接收機(jī)，要求價格適中、能實(shí)時定位、且在短時間內(nèi)單機(jī)定位精度能達(dá)到1～3 m，滿足大多數(shù)地球物理勘探測地精度需求。
數(shù)字信號處理器DSP運(yùn)算速度高，有較高的數(shù)字信號處理能力，高可靠性的特點(diǎn)，非常適于GPS實(shí)時信號的處理。利用GPS-OEM進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計相應(yīng)接口軟件、適配顯示器、鍵盤等用戶終端與控制處理器，構(gòu)成GPS一體化接收機(jī)，已成為一種發(fā)展趨勢。通過調(diào)研，選用一種GPS-OEM板，與一種蝶形接收天線配合使用時，單機(jī)定位精度能達(dá)到1m左右，為進(jìn)一步設(shè)計提供了基本依據(jù)。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
該接收機(jī)由GPS數(shù)據(jù)接收單元、核心處理單元、及存儲和顯示單元三部分組成。其中，GPS數(shù)據(jù)接收部分采用選定的GPS-OEM板設(shè)計，核心處理單元采用TI公司的DSP，接口部分主要由轉(zhuǎn)換芯片及相應(yīng)軟件組成。所設(shè)計的系統(tǒng)總體硬件框架如圖1所示。
1．1 GPS數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計
目前在市場上GPS-OEM模塊種類較多，在選型時要根據(jù)：
(1)設(shè)計系統(tǒng)所能達(dá)到的定位精度；
(2)數(shù)據(jù)鏈路的通訊方式和覆蓋范圍；
(3)性能價格比等因素來選擇合適的OEM模塊。
經(jīng)權(quán)衡比較，設(shè)計采用合眾思壯公司在2006年正式推出的一款GPS-OEM模塊新月-HC12A。該模塊是合眾思壯公司生產(chǎn)的一款單頻12通道接收機(jī)，采用了最新的ASIC芯片和Coast等專利軟件算法，同時具有20Hz的原始數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)更新率，信標(biāo)接收功能，差分基準(zhǔn)站／移動站，L-Dif，E-Dif，1 pps／Event Marker等多種功能，其單機(jī)定位誤差小于2．5 m(2DRMS)，代表了當(dāng)前GPS行業(yè)的最新技術(shù)趨勢。
新月-HC12A模塊主要由低噪聲下變頻器、信號通道、微處理器、存儲器等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
另外，根據(jù)天線的供電電壓、信噪比(噪聲系數(shù)1．5 dB左右)及增益(增益28 dB左右)，選用了右旋極化陶瓷介質(zhì)天線，該GPS信號接收天線具有在同一時刻觀測到較多GPS衛(wèi)星數(shù)、快速定位的特點(diǎn)。
1．2 DSP核心處理模塊設(shè)計
為滿足接收機(jī)系統(tǒng)具備定位速度快，可靠性高及實(shí)時性的要求，選用DSP芯片作為中央處理單元的核心，根據(jù)中央處理單元對運(yùn)算量的需求數(shù)據(jù)本身結(jié)構(gòu)(要求處理的有效數(shù)字最大為11位)，綜合考慮DSP芯片的運(yùn)算速度、運(yùn)算精度、DSP芯片的硬件資源及開發(fā)工具、功耗及價格等因素。
選用了TI公司的TMS320F2812芯片作為主處理器，主要基于以下幾點(diǎn)考慮：
(1)它的主頻高，時鐘頻率可達(dá)150 MHz，可以滿足系統(tǒng)的需要；
(2)本身具有的大容量片內(nèi)FLASH可方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、降低成本；
(3)有著較多通用I／O口可以靈活配置，可以很方便地實(shí)現(xiàn)與其他器件接口；
(4)TMS320F2812芯片系統(tǒng)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，功耗非常低。
1．3 存儲、顯示和控制單元
為了能實(shí)時提供給用戶定位信息，本文設(shè)計中采用LCD液晶顯示屏和SD卡存儲器作為人機(jī)對話窗口。能實(shí)時、快速地輸出定位信息，通過軟件編程設(shè)計了簡單方便的、友好的人機(jī)操作界面。測量時可按照簡單的操作提示進(jìn)行。另外，還可以將必要的數(shù)據(jù)存入SD卡存儲內(nèi)部設(shè)備，方便后續(xù)查詢。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本文所設(shè)計的軟件程序采用C語言和匯編語言進(jìn)行混合編程，對每一個功能模塊的子程序進(jìn)行編譯和調(diào)試。程序設(shè)計主要部分包括：主程序部分；接收子程序；數(shù)據(jù)處理子程序；存儲部分子程序。所設(shè)計的具體軟件流程如圖3所示。
(1)主程序部分：主要完成DSP的CPU初始化、建立中斷向量表、SD卡初始化、給OEM板初始化等，還有對各個子程序進(jìn)行調(diào)用。
(2)接收子程序：使程序指向接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址，讓DSP處于讀接收狀態(tài)。當(dāng)新月-HC12A OEM板接收到一幀信號時，就引串口接收中斷，將中斷信號送給DSP的中斷控制器，在其判斷中斷源后，DSP就會找到與之相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址。采用中斷方式接收OEM板發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，一直等待接收到的字符是一幀數(shù)據(jù)的有效開始字符，判斷特征字“$GPG-GA”后再接收信息內(nèi)容，若符合就接收；否則就放棄，再重新判斷。當(dāng)接收到在收到“
(3)數(shù)據(jù)處理子程序：先緩沖接收到的數(shù)據(jù)，將接收到的有效幀數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和轉(zhuǎn)換處理，以“，”為標(biāo)記進(jìn)行分離數(shù)據(jù)分別，提取并判讀第1，2，4，9個逗號，就能提取到對應(yīng)的時間、經(jīng)度、緯度、高度等信息。所得到的經(jīng)緯度的信息是ddmm．mmmmm格式，其是字符型需要轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的。另外，由于時間標(biāo)準(zhǔn)的不同，要得到北京時間還需對提取的時間信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。若需要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換則應(yīng)調(diào)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換子程序。處理完后將有用的信息送至LCD顯示。
(4)存儲部分子程序：對于收到的數(shù)據(jù)，提取處理后，將數(shù)據(jù)存放到緩存中，當(dāng)緩存中存滿512 b后，就將其寫入到SD卡里，以備事后處理。
3 測試結(jié)果分析
3．1 靜態(tài)測試方案與分析
將GPS天線用三角架放置在樓頂上，進(jìn)行了4次天線在不同位置的實(shí)驗(yàn)，所有靜態(tài)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時間均持續(xù)5 min(300個數(shù)據(jù)點(diǎn))，記錄每個時間段對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)的文件。提取其中標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，可得到其位置分布如圖4所示。
從圖4可以清楚地看出，雖然存在一些離群點(diǎn)，但是數(shù)據(jù)的密集程度還是比較高。經(jīng)計算，經(jīng)度方向主要集中在114.394 196°～114.394 205°，相差大約在O．000 009°(O．863 2 m)；緯度方向主要集中在30．521 599°～30．521 604°，相差只是大約在O．000 005°(0．554 7 m)。從以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，在天氣情況較好的情況下，單點(diǎn)定位的平面誤差小于1 m。
CEP分析：為了對廠家所標(biāo)定的(單機(jī)定位：小于2．5 m(2DRMS))指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，在天氣晴朗的條件下，對采集的4個點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，利用計算圓概率誤差的方式進(jìn)行了分析；其中，每個點(diǎn)的測試時間為5 min，各得到300個數(shù)據(jù)點(diǎn)。計算得到圓概率誤差半徑，采用Matlab軟件編程作圖得到圓概率半徑圖，如圖5所示，只列出一個圖。
由圖5可見，所測的點(diǎn)都包含在半徑為1．05 m的圓內(nèi)，具體計算的各個點(diǎn)的定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所示。
從表1可知，所測數(shù)據(jù)中精度半徑最大的為1．05 m。而各個點(diǎn)的圓概率誤差半徑(CEP)最大值為o．5 m，這些數(shù)據(jù)小于接收機(jī)的標(biāo)定位置精度1．042 m(CEP)(由2．5 m(2DRMS)換算來)。
3．2 動態(tài)測試方案與分析
為了在運(yùn)動中檢驗(yàn)測量精度設(shè)計了本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在西操場上，沿預(yù)操場的第一跑道和第三跑道繞行一周后回到原點(diǎn)，分別進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)。繞行過程中保持勻速。對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)換處理后，用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，將實(shí)測經(jīng)緯度換算成距離單位后，畫出4次實(shí)驗(yàn)的軌跡圖見圖6。
圖6中，里面兩圈是在第一跑道線上，外面兩圈是在第三跑道線上的軌跡圖，每條跑道寬1．2 m，這兩條線間的距離為2．4 m。雖然在行走過程中所得到的軌跡點(diǎn)與直線軌跡存在誤差，但是大致上還是比較理想的。實(shí)驗(yàn)軌跡相距最大偏離距均在1 m以內(nèi)，與靜態(tài)定位精度基本一致。
分析其中最大偏差部分析其存在誤差的主要原因是：在行走過程中，由于不能始終保持天線在一個水平面上，以及未能保證行走的路線完全重合所造成的。總體來講，該定位軌跡圖能較好地反應(yīng)實(shí)際的形狀。說明該GPS模塊動態(tài)定位性能還是比較好的，可以用于較準(zhǔn)確的實(shí)時導(dǎo)航。
綜合靜態(tài)和動態(tài)測試結(jié)果表明，使用的新月-HC12AGPS模的圓概率誤差半徑(CEP)最大值為0.763 9m，小于其標(biāo)定位置精度1.042m(CEP)，說明廠家提供的精度參考值可靠。
所得到的單點(diǎn)的精度半徑(100％點(diǎn))約2m，小于生產(chǎn)廠家給的(2．5m)，說明該模塊可以滿足多數(shù)情況下物探測網(wǎng)的平面測量精度要求，表明系統(tǒng)設(shè)計方案可行。
4 結(jié)語
本文通過對整個接收機(jī)系統(tǒng)的研究和設(shè)計，主要得到以下結(jié)論：
(1)所選用的GPS-OEM定位精度能滿足設(shè)計需求。在配合使用右旋極化陶瓷介質(zhì)天線進(jìn)行的單機(jī)靜態(tài)測試結(jié)果表明，單點(diǎn)定位精度小于1m，由4次動態(tài)測試可得該接收機(jī)的導(dǎo)航的最大偏差也在1 m左右，能滿足大多數(shù)地球物理勘探的平面測量精度要求。
(2)設(shè)計GPS接收機(jī)系統(tǒng)的整體思路是正確的。選用中低檔的GPS-OEM來設(shè)計實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)定位精度較高、價格適中的GPS接收的思路是正確的，實(shí)現(xiàn)了用中低檔GPS-OEM和較好的接收天線來研制高精度GPS接收機(jī)的設(shè)想，也為后續(xù)的設(shè)計者提供了借鑒。
(3)提出的整體的設(shè)計方案是可行的。選用DSP芯片和GPS-OEM板開發(fā)GPS接收機(jī)是可行的，能達(dá)到實(shí)時定位的功能要求；選用的TMS320-F2812DSP芯片能滿足實(shí)時性的要求。其中所設(shè)計的DSP模塊電路可以能滿足系統(tǒng)要求。