DSP技术在GPS系统中的应用研究文档格式.docx

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GPSDSPOEM哈佛结构MAC

中图分类号：

1P332

ResearchonDSPTechnologyAppliedinGPSSys6em

LiaoYing。

LiuHui1）LiZhcai2）

（GPSCenter，WuhanUniversity1），Wuhan430079）

（SchoolofGeodesyandGeomaSics，WuhanUniversity2），Wuhan430079）

Abstract：

Asthemicroprocessorspeciallyusedindigitalsignalprocessing，DSPisappiiedtotheprocessingunitofGPSrecedingequipment.Therearetwokindsofdevelopmentsystemstructure.Sincethecomplexityofthealgorithm，thestrictnessofreal-time，andtherequisisionforhighaccuracyofthedataandparameterduiingtheprocesofcalculatinginGPSnavigations^ys-tem，weneedtoconiidertheconstniciionofthehardwareplatform，theconstniciionandsoliditicationofthesoftware.Amongthem，theconsruciionofbaiiclibraryfunciionandoptimizaiionofthealgoiithmaretwomainkeytechnologyquesiions.

*收万方数时间:

2004年11月19日

Keywords：

GPS,DSP,OEM,Harvardarchitecture,MAC

Classnumber：

TP332

1引言

GPS是英文NavigaiionSateliiteTimingandRanging/GlobalPosiiioningSystem的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称，是由美国开发的以接收导航卫星信号为基础的非自主式导航定位系统。

这个系统向有适当接收设备的全球用户提供精确、连续的三维位置和速度信息，以及世界协调时（UTC）,被广泛运用于各种军事、经济领域。

伴随着GPS技术在各个领域的推广和普及应用，为了更有效地利用GPS定位系统资源，接收机的小型化、智能化和满足用户需求的算法研究都十分必要。

小型化OEM（OriginalEquipmentManufactur-er）产品，以其优良的性能，轻巧灵便、易于开发的特点，正越来越受到关注。

将OEM板与计算机、通讯技术相结合，利用它输出的数据信息，配置以相应的用户终端，即可方便、自主地开发各种GPS应用系统，以差分和非差分方式广泛应用于导航定位、精密授时、大地测量、电子地图、交通运输、城市管理等各个领域⑴。

全球定位系统主要有三个部分组成：

卫星星座、地面控制/监视网络和用户接收设备⑶。

根据GPS用户的不同要求，所需的接受设备各异。

它主要包括GPS接收机及其天线、处理器、输入输出（IO）单元以及一个电源。

GPS接收设备的结构如图1所示。

在GPS应用中，常需要对GPS接收机采集的数据进行再处理，或是利用GPS接收机提供的某些信息进行某行业内的开发。

DSP（DigitalSignalProcessmg）作为专门为快

图1GPS接收设备的组成单元速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器，配有特殊的DSP指令集，编程灵活，开发较容易，运算速度高,与其他单片处理器相比较具有小体积、高速度，低功耗，高可靠性的特点，适合对高复杂性的GPS信号的实时处理。

利用其与OEM板构成的GPS信息系统，不仅很好地满足GPS信号处理的实时性和高复杂性，而且由于DSP强大的数据处理能力，系统还可以进行进一步的功能扩展。

2GPS原始数据特点⑶

从数据输出形式来看，GPS的输出数据有两种：

十进制ASCII码——如GPS的统一标准格式NMEA-0183,这种码直观，易于识别和应用。

常用的有ALM（GPS历书数据）、GGA（GPS定位数据）、GSV（GPS卫星状态）、ZDA（日期和时间）、BEC（自当前点到航路点的方位和距离）、XTE（偏航距和操纵方位）几种格式。

ASCII码的比特率4800bit/秒，数据位8bit,开始位1bit,停止位1bit，无奇偶校验位。

二进制码如Motorola二进制GPS数据，这种编码虽然不直观，但运算方便。

目前通用的字长为8位，可用两位16进制数表示。

GPS的原始观测量、星历以及其它数据都采用了二进制编码。

为了满足异步串行传送数据的要求，每一组数据包含：

帧标识、数据块、效验区和结束符。

GPS数据格式分为NMEA0183和原始观测量两大类。

NMEA0183数据格式是NMEA（NationalMarineElectronicsAssociation）组织在80年代提出的，目的是为了避免各接收机制造商因为设计各自的编码程序、数据速率、信号电平以及信息格式而使得设备连接出现不兼容性。

所有的GPS接收机提供的NMEA0183的格式是相同的，均为ASCII码;

而原始观测量包括位置、伪距、相位和星历等，大多用二进制码，也有的用ASCII码。

各个厂家的接收机的数据格式在总体结构上相同，但具体采用的符号、内容、字长等不同。

因此，在对数据进行处理之前，需要知道分析此数据的具体结构。

常见的有Ashtech、Trimble、NavSymm、Motorola数据格式等等。

3DSP系统的选择⑴

应用DSP芯片对GPS的OEM板进行二次开发工作，满足GPS信号数据处理的高复杂性和实时性的要求，对我们而言，具有重大的意义：

•通过开发工作，我们可以掌握卫星定位系统用户接收机的关键技术。

•与应用嵌入式系统进行开发相比，用DSP开发具有小体积、高速度，低功耗，高可靠性的特点。

•利于接收机开发商开发特定用途的导航接收机算法。

GPS提供两种服务：

标准定位服务（SPS—StandardPositioningService），指定为民用社团使用；

精密定位服务（PPS—PrecisionPositioningSer-vice）,指定为美国核准的军方用户和选定的政府部门用户使用。

一般性的多通道SPS接收机每一通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。

A/D转换后的采样进入DSP通道。

DSP包括N个并行通道，以同时跟踪来自最多达N颗卫星的载波和码。

（N一般为5〜12之间）。

每个通道中包含码和载波跟踪环，以完成码和载波相位测量，以及导航电文数据的解调⑴⑵。

GPS接收设备中的处理器，要实现的是对整个GPS接收机进行协调控制，并在其内设计实现满足要求的捕获跟踪、卡尔曼滤波、快速FFT及各种数字滤波器等算法，完成对相关器的控制、导航电文的提取以及定位的解算等任务。

它的组成包括微处理器（DSP）、存储缓冲单元、输入/输出接口部分站］。

就DSP在GPS中的二次开发体系结构，可以归结为以下两种：

①DSP作为数字运算平台，固化定位算法:

DSP的输入是GPS的OEM板的观测数值，这数值依据不同的OEM板型号有不同的数据格式;

输出是按用户定位算法得到的位置信息。

结构示意图见图2,OEM板和DSP结构是分开的。

图2数字运算平台式结构

②GPS作为接收机解码、A/D、数字运算的核心:

在这种功能下，DSP的输入是GPS天线下来的模拟信号，输出的是定位结果。

结果示意图见图3,此时,DSP是做进了OEM板，二者成为了一体。

图3GPS解码式结构

目前，国内在用户系统的开发中，用的较为普遍的是①式的结构。

4DSP系统开发流程

对于整个开发过程，主要涉及以下几个方面：

4.1DSP处理器的型号选择⑹⑺

世界上很多半导体厂商，如AD.TLMotorola等，都生产了系列化的DSP芯片，大致上可将其分为两大类：

定点型芯片和浮点型芯片。

GPS接受机中大多采用TMS320系列的DSP芯片。

这一型号芯片的结构特征包括：

（1）哈佛结构；

（2）流水线操作；

（3）专用的硬件乘法器；

（4）DSP系统所需要的重要外部电路。

哈佛结构的主要特点是,把程序和数据存储在物理上相互独立的不同存储空间中，即程序存储器和数据存储器时两个相互独立的存储器电路。

哈佛结构为程序存储器和数据存储器各提供一条甚至数条总线，这样就可以实现程序和数据的传输相互独立，大大提高了数据的吞吐率和指令执行速度。

TMS320系列DSP芯片还在基本哈佛结构的基础上，允许数据存放在程序存储器中，这些存放在程序存储器中的数据可以由算术运算指令直接调用。

同时，还提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指令，这些指令只需要读入一次，就可以连续使用而不须再次从程序存储器中读出，从而减少了指令执行所需要的时间。

流水线指令执行结构实际上就相当于在一个时钟周期内完成了一条指令。

由于采用结构的不同，采用哈佛结构的DSP器件中流水线指令执行结构的硬件电路要比微处理器中的流水线指令执行结构复杂。

为了提高DSP器件的数字处理速度，采用了一个特殊的算术运算单元一一乘法一累加器MAC,使得完成一个乘法指令与完成一个加法指令或数据传送指令所需要的时间相同，极大地提高了程序的执行速度。

总的来说，美国TI公司（TexasInstruments）生产的TMS320系列DSP微处理器，采用增强结构设计，改进哈佛结构，具有独立的数据和地址总线,支持多级流水线操作，采用了寄存器的存储器映射技术，运算速度高，片上外围资源配置丰富，包括锁相环、定时器、通用I/O接口以及串行通信接口，片上JTAG仿真接口,可在线对程序进行调试和下载，开发过程中可对程序进行在线调试，开发完成后，程序和数据写入片上或片外存储器，目标系统可脱离仿真器自主运行。

且性能可靠,价位适宜，有很好的性能价格比,市场占有率高，应用也日益广泛。

由于GPS高精度的要求，利用DSP浮点芯片与GPS信号OEM接收板构成定位信息处理系统具有集成度较高，实时性强，功能扩展灵活的特点。

4.2DSP系统开发的流程

应用DSP芯片开发GPS接收机的流程包括三个方面:

硬件平台的构建、软件构建、固化。

硬件平台的构建主要包括信号处理单元（OEM板以及天线等前端部分）、微处理器单元（DSP）、存储缓冲单元（Flash或E2PROM）、输入/输出接口单元、显示单元和控制键盘等E。

需要注意的是在OEM板与DSP的接口部分,存在串口