GP4020電路設(shè)計(jì)

與射頻電路的連接

??? GP4020與下變頻芯片GP2010結(jié)合使用，組成完整的GPS接收機(jī)。GP2010將接收到的L1信號(hào)經(jīng)過三次下變頻，變成中頻為4.309MHz的模擬信號(hào)，然后再經(jīng)過采樣變成1.405MHz的2bit數(shù)字信號(hào)(TTL電平)。GP2010與GP4020共有7個(gè)管腳需要相連，它們分別為SIGN（符號(hào)）、MAG(量級(jí))、SAMPCLK(采樣頻率)、CLK_I、CLK_T、PLL_LOCK、PRESET。其連接方式如圖1所示。

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????GP2010輸出的差分信號(hào)CLK_I和CLK_T連接到GP4020，通過系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生器產(chǎn)生40MHz信號(hào)，并作為相關(guān)器的主時(shí)鐘。CLK_I、CLK_T管腳輸出的直流偏置電壓為2.1V，但由于GP4020的58、59管腳的電平不能大于1.7V，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)GP2010進(jìn)行隔直，同時(shí)通過電源給GP4020的58、59管腳提供小于1.7V的偏置電壓。
??? GP2010的LD管腳接入GP4020的56管腳。當(dāng)LD管腳由低變高時(shí), 表示射頻前端鎖相成功, 主時(shí)鐘(M_CLK 40MHz)已經(jīng)穩(wěn)定。
GP2010的PRESET信號(hào)接入GP4020的Power_Good管腳，指示當(dāng)前電源的狀況，高為正常，低表示GP4020 進(jìn)入掉電模式。 　
GP2010的SIGN和MAG信號(hào)分別接入到GP4020的61和62管腳，將采樣后的中頻信號(hào)(符號(hào)和模)輸出到相關(guān)器。
??? GP4020的63管腳連接GP2010的11管腳，將5.714MHz的中頻采樣信號(hào)輸出至GP2010。

外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

??? GP4020內(nèi)部提供了BOOTROM和8KB SRAM，但通常情況下不能滿足一個(gè)完整的GPS接收機(jī)的存儲(chǔ)要求，為此，需要外擴(kuò)Flash和SRAM。
??? GP4020提供20位的地址總線和16位的數(shù)據(jù)總線，以及其他相應(yīng)的控制信號(hào)。它能夠提供外界不同帶寬數(shù)據(jù)的接口，而且可以任意設(shè)置讀或?qū)懙牡却隣顟B(tài)，這使得片內(nèi)的ARM內(nèi)核可以連接到幾乎所有類型的外存儲(chǔ)器或其他并行外設(shè)。在本文的設(shè)計(jì)中，SRAM為CY7C1041CV33，其工作電壓為3.3Ｖ，存儲(chǔ)空間為256Ｋ×16位；Flash為SST39VF800A，其工作電壓為3.3Ｖ，存儲(chǔ)空間為512Ｋ×16位。

GP4020與SRAM的連接

??? SRAM由片選信號(hào)NSCS[1]進(jìn)行選通控制。BHE、BLE分別為SRAM的低字節(jié)使能信號(hào)和高字節(jié)使能信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，SRAM工作在16位數(shù)據(jù)模式下，BHE與GP4020芯片的NSUB引腳相連，NSUB為系統(tǒng)上部字節(jié)信號(hào)，低電平有效；BLE與GP4020芯片的A0腳相連；WE為SRAM的寫使能信號(hào)，該引腳低電平時(shí)，即對(duì)SRAM進(jìn)行寫操作；OE為輸出使能信號(hào)，低電平有效；NSWE[O]為GP4020的系統(tǒng)寫使能信號(hào)，低電平有效；NSOE為系統(tǒng)輸出使能信號(hào)，低電平有效。GP4020芯片與SRAM的連接如圖2所示。

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GP4020與Flash的連接

??? Flash與GP4020芯片的連接如圖3所示。NSWE[0]為GP4020的系統(tǒng)寫使能信號(hào)，低電平有效；NSCS[0]為系統(tǒng)片選信號(hào)，低電平有效；NSOE為系統(tǒng)輸出使能信號(hào)，低電平有效；CE為Flash的片選信號(hào)，低電平有效；OE為Flash的輸出使能信號(hào)，低電平有效；WE為Flash的寫使能信號(hào)，低電平有效(只在Flash進(jìn)行擦寫時(shí)才有效)。

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通信與調(diào)試接口

UART接口

??? GP4020提供２個(gè)UART和１個(gè)JTAG接口。UART是雙向獨(dú)立的輸入輸出接口，它提供一個(gè)０～3.3V的邏輯電平，不能和計(jì)算機(jī)RS232接口相連。為使如果UART與RS232串口通信，必須要有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，把０～3.3V的邏輯電平轉(zhuǎn)換成能與計(jì)算機(jī)通信的電平。在本設(shè)計(jì)中，用MAX3232做電平轉(zhuǎn)換器，其接口電路如圖4所示。

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JTAG調(diào)試接口

??? JTAG調(diào)試接口與JTAG仿真器相連，對(duì)ARM進(jìn)行調(diào)試。JTAG仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過ARM芯片上的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。圖5為JTAG信號(hào)連接圖。

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系統(tǒng)的復(fù)位電路

??? 在系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位功能和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能。本設(shè)計(jì)中的復(fù)位電路由簡單的RC電路構(gòu)成，如圖6所示。 ?

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??? 在系統(tǒng)上電時(shí)，通過電阻R向電容充電，當(dāng)電容兩端的電壓未達(dá)到高電平" title="高電平">高電平的門限電壓時(shí)，NSRESET端輸出為低電平，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài);當(dāng)電容兩端的電壓達(dá)到高電平的門限電壓時(shí)，NSRESET端輸出為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
??? 當(dāng)用戶按下按鈕時(shí)，電容兩端的電荷被瀉放掉， NSRESET端輸出為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，再重復(fù)以上的充電過程，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

GP4020其他管腳設(shè)計(jì)

MULTI_FNIO(54)管腳

??? 該管腳控制GP4020的啟動(dòng)方式， 若MULTI_ FNIO在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)輸入為高，則選中內(nèi)部Boot ROM，系統(tǒng)啟動(dòng)后，從串口1輸入程序代碼到內(nèi)部SRAM中執(zhí)行；若MULTI_FNIO在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)輸入為低，則選中外部Flash EPROM，系統(tǒng)直接執(zhí)行外部Flash EPROM中的應(yīng)用程序，這是GPS接收機(jī)的正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通過設(shè)置跳線來選擇54引腳MULTI _FNIO的輸入值。

TEST(67)管腳和TESTMODE（74）管腳

??? 這兩個(gè)管腳一起決定GP4020的測(cè)試模式(通過條線來設(shè)置)，見表1所示。

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??? 當(dāng)TEST＝0、TESTMODE＝0時(shí)，GP4020為正常工作模式。本設(shè)計(jì)中，將TEST管腳和TESTMODE管腳接地。

NICE(84)管腳和NTRST（90）管腳

??? 這兩個(gè)管腳共同控制著GP4020測(cè)試接口模式。NICE(84)＝0，GP4020內(nèi)部的ARM7處于測(cè)試模式。NICE(84)＝1,GP4020為正常的操作模式。具體模式如表2所示。

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??? GP4020的工作模式通過跳線來設(shè)計(jì)。當(dāng)管腳NICE和NTRST都為高時(shí)，GP4020工作在正常模式下。

軟件設(shè)計(jì)

??? GP4020內(nèi)部的軟件設(shè)計(jì)主要由基帶信號(hào)處理和導(dǎo)航定位算法兩部分組成。基帶信號(hào)處理主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解擴(kuò)、解調(diào)、位同步和幀同步。導(dǎo)航定位算法主要是根據(jù)導(dǎo)航電文解算偽距、衛(wèi)星位置并計(jì)算出用戶的位置。軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序" title="主程序">主程序和中斷程序兩部分。

主程序設(shè)計(jì)

??? 主程序主要由初始化模塊和主循環(huán)模塊組成。初始化模塊完成GP4020內(nèi)部相關(guān)器初始化、ARM內(nèi)的初始化以及串口的初始化。主循環(huán)模塊主要檢測(cè)觀測(cè)量是否更新，如果觀測(cè)量有更新，則更新估計(jì)的多普勒頻率和相關(guān)器通道的分配，完成對(duì)部相關(guān)器的控制。圖7為主程序流程圖。

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??? 本文主要介紹相關(guān)器模塊的程序流程。相關(guān)器模塊包括相關(guān)器控制模塊和觀測(cè)量提取模塊。

相關(guān)器處理模塊軟件設(shè)計(jì)

?? 相關(guān)器處理模塊軟件工作流程圖如圖8所示，其主要功能如下：
?? (1)讀取并存儲(chǔ)I、Q通道的積分累加值。
?? (2)判斷信號(hào)是否被捕獲。
?? (3)更新前20ms內(nèi)解調(diào)數(shù)據(jù)的采樣值之和。
?? (4)根據(jù)存儲(chǔ)的I、Q積分值，更新碼、載波指示器。
?? (5)如果碼環(huán)和載波環(huán)已鎖定，進(jìn)入位同步操作。
?? (6)根據(jù)存儲(chǔ)的 I、Q積分值，進(jìn)行碼環(huán)的跟蹤，根據(jù)碼跟蹤環(huán)的環(huán)路濾波器輸出的控制量去調(diào)整碼DCO。
?? (7)在1ms歷元計(jì)數(shù)器為零和位已經(jīng)同步時(shí)，進(jìn)入幀同步操作,并提取子幀以供主程序的子幀處理模塊處理。環(huán)己經(jīng)鎖定，進(jìn)入位同步操作。

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觀測(cè)量提取模塊

??? 該模塊主要功能是在每個(gè)TIC時(shí)刻，讀取相關(guān)器內(nèi)部的測(cè)量數(shù)據(jù)寄存器，獲得載波相位、載波周期數(shù)以及碼相位。其流程圖如圖9所示。

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??? 如果滿足碼同步、載波同步、位同步和幀同步條件，則讀取相關(guān)器的碼相位、載波相位、載波整周計(jì)數(shù)，并存取這些觀測(cè)量，以供主程序中更新導(dǎo)航解模塊處理。

系統(tǒng)中斷服務(wù)程序流程

??? 中斷服務(wù)程序流程圖如圖10所示。中斷服務(wù)程序是保證GPS實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵部分，它主要完成衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤及原始觀測(cè)量的提取等接收機(jī)中的核心工作。GP4020中的相關(guān)器中斷周期可通過軟件進(jìn)行設(shè)置。相關(guān)器內(nèi)部默認(rèn)中斷周期為505us，在不對(duì)相關(guān)器寄存器進(jìn)行配置的情況下，每隔505?滋s，相關(guān)器發(fā)送中斷信號(hào)，通知處理器進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

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??? GP4020相關(guān)器提供1ms的累加結(jié)果。在積分累加器信號(hào)累加之后，會(huì)產(chǎn)生累加清除信號(hào)，清除積分器中的數(shù)據(jù)。所以進(jìn)入中斷后，CPU首先要鎖住各狀態(tài)寄存器，根據(jù)狀態(tài)值，判斷積分累加器有無新數(shù)據(jù)需要取走，若有，則將數(shù)據(jù)取出保存，以供后續(xù)判決使用。保存完積分累加器中的數(shù)據(jù)后，進(jìn)入搜索跟蹤環(huán)節(jié)。進(jìn)入此環(huán)節(jié)后，需要根據(jù)各通道的狀態(tài)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理子程序。

系統(tǒng)測(cè)試

硬件的測(cè)試

?? (1)在加電之前，首先測(cè)試電路板是否短路，如果沒問題，才可給電路板加電。
?? (2)根據(jù)上述硬件的設(shè)計(jì)，加電之后測(cè)試整個(gè)電路板的電氣特性，保證每個(gè)管腳都正確連接。
?? (3)測(cè)試從射頻前端輸入的CLK_I、CKL_T信號(hào)，此信號(hào)應(yīng)該是同頻反相的40MHz信號(hào)，如圖11所示。
?? (4)測(cè)試GP4020的63管腳(SAMPLE)信號(hào)，此信號(hào)應(yīng)該是5.714MHz的方波信號(hào)，結(jié)果如圖12所示，這表明GP4020硬件已經(jīng)正常工作。

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軟件的調(diào)試

??? 在斷電的情況下，將GP4020的54管腳和84管腳設(shè)置成低，將調(diào)試器通過GP4020的JTAG接口連接到目標(biāo)板。在GPS接收機(jī)加電之后，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，進(jìn)行多次調(diào)試，使GPS接收機(jī)應(yīng)用軟件正常運(yùn)行。

軟件的運(yùn)行