DSP技术在GPS系统中的应用研究文档格式.docx

1、GPS DSP OEM哈佛结构MAC中图分类号：1P332Research on DSP Technology Applied in GPS Sys6emLiao Ying。Liu Hui1） Li Zhcai2）（GPS Center，WuhanUniversity1），Wuhan 430079）（School of Geodesy and GeomaSics，Wuhan University2），Wuhan 430079）Abstract： As the microprocessor specially used in digital signal processing，DSP is ap

2、piied to the processing unit of GPS receding equipment. There are two kinds of development system structure. Since the complexity of the algorithm，the strictness of real - time，and the requisision for high accuracy of the data and parameter duiing the proces of calculating in GPS navigation sys- tem

3、，we need to coniider the constniciion of the hardware platform，the constniciion and soliditication of the software. Among them，the consruciion of baiic library funciion and optimizaiion of the algoiithm are two main key technology quesiions.*收万方数时间:2004年11月19日Keywords： GPS, DSP, OEM, Harvard archite

4、cture, MACClass number： TP3321引言GPS 是英文 Navigaiion Sateliite Timing and Ranging/ Global Posiiioning System 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

5、。小型化 OEM（Original Equipment Manufactur- 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。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。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（I O）单元以及一个电源。GPS接收设

6、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（ Digital Signal Processmg ）作为专门为快图1 GPS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，

7、系统还可以进行进 一步的功能扩展。2 GPS原始数据特点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

8、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（National Marine Electronics Association）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

9、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。3 DSP系统的选择应用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

10、用途的导航接 收机算法。GPS提供两种服务：标准定位服务（SPS Standard Positioning Service ），指定为民用社团使 用；精密定位服务（PPSPrecision Positioning Ser- 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512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。GPS接收设备中的处理器，要实现的是对

11、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：DSP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GPS作为接收机解码、A/D、数字运算的核 心:在

12、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3 GPS解码式结构目前，国内在用户系统的开发中，用的较为普 遍的是式的结构。4 DSP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）

13、 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

14、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（Texas Instruments） 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

15、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