新型GPS技術(shù)設計方案和芯片應用

1、.wd.wd.wd.新型GPS技術(shù)方案與芯片及其應用關(guān)鍵字： HYPERLINK :/ eeworld .cn/designarticles/search.php?searchtype=keywords&keywords=%E5%8D%AB%E6%98%9F&search=1 t _blank 衛(wèi)星 HYPERLINK :/ eeworld .cn/designarticles/search.php?searchtype=keywords&keywords=%E6%8E%A5%E6%94%B6&search=1 t _blank 接收 HYPERLINK :/ eeworld .cn/desi

2、gnarticles/search.php?searchtype=keywords&keywords=%E5%AE%9A%E4%BD%8D&search=1 t _blank 定位 HYPERLINK :/ eeworld .cn/designarticles/search.php?searchtype=keywords&keywords=%E6%8E%A7%E5%88%B6&search=1 t _blank 控制 HYPERLINK :/ eeworld .cn/designarticles/search.php?searchtype=keywords&keywords=%E7%BD%91

3、%E7%BB%9C&search=1 t _blank 網(wǎng)絡 HYPERLINK :/ eeworld .cn/designarticles/search.php?searchtype=keywords&keywords=%E8%BD%A8%E9%81%93&search=1 t _blank 軌道 HYPERLINK :/ eeworld .cn/designarticles/search.php?searchtype=keywords&keywords=%E5%8F%82%E6%95%B0&search=1 t _blank 參數(shù) HYPERLINK :/ eeworld .cn/desi

4、gnarticles/search.php?searchtype=keywords&keywords=%E4%BC%A0%E8%BE%93&search=1 t _blank 傳輸GPS是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的英文縮寫，GPS利用導航衛(wèi)星進展測時和測距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。能提供個人候的定位、授時、測速功能。 GPS已被廣泛業(yè)用于航天、航空、航海、運輸、測量、勘探等諸多領(lǐng)域。隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路的開展和定位功能需求，GPS已經(jīng)開場更多地嵌入到移動手持設備、消費電子產(chǎn)品中。為此本文將對新型GPS技術(shù)方案與芯片及其應用作分析說明。首先應了

5、解GPS的構(gòu)成及特點。 1、GPS的 基本架構(gòu)及特點 GPS是一種精細的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由24顆繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)送位置和時間信息。這些衛(wèi)星均勻地分布在6個軌道上，每個軌道有4 顆衛(wèi)星。地面GPS接收機可接收5到12顆衛(wèi)星信號。為實現(xiàn)地面定位功能，GPS接收機至少需要接收4個衛(wèi)星信號，其中3個信號用來計算GPS接收機的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個信號提供同步時間校準。 GPS系統(tǒng)主要分為三個局部：其一、衛(wèi)星，在天上提供定位信息；其二、控制系統(tǒng)，在地面維護衛(wèi)星的正常運轉(zhuǎn)，保證衛(wèi)星的安康狀態(tài)；其三、接收機，一般用戶所使用的局部。其定位原理是將地球分為12個橫切面，每個橫切面

6、上有兩顆定位衛(wèi)星，互成180度的夾角，因而站在地球上的任一點，頭頂上總有十二顆定位衛(wèi)星。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的距離、坐標和角度是的，衛(wèi)星和人之間的距離是可測量的，根據(jù)幾何原理，通常接收機只要接到三顆衛(wèi)星的信息便可確定二維坐標即經(jīng)緯度，接收到四顆衛(wèi)星的信息便可確定海拔高度。 目前衛(wèi)星多達27顆網(wǎng)絡運行于非同步、近地軌道并覆蓋全球，保證了定位系統(tǒng)的運行。而GPS接收機至少需要鎖定4顆星，才能提供定位信息。這些衛(wèi)星播送或發(fā)送的長系列碼或數(shù)字組合稱偽隨機碼。GPS接收機可通過的衛(wèi)星偽隨機碼、光速以及保持衛(wèi)星位置的查詢表等參數(shù)，就能夠計算出衛(wèi)星的傳輸時間，再將傳輸時間轉(zhuǎn)為距離。在多個衛(wèi)星(大于4)的條件下，通

7、過求解三角方程就可以算出GPS接收機的位置，也提供了用戶的位置。 而GPS芯片是由一塊射頻集成電路、一塊數(shù)字信號處理電路和標準嵌入式GPS軟件構(gòu)成。射頻集成電路用于檢測和處理GPS射頻信號，數(shù)字信號處理電路用于處理中頻信號，標準嵌入式GPS軟件用于搜索和跟蹤GPS衛(wèi)星信號，并根據(jù)這些信號求解用戶坐標和速度，其主打市場是無線于持設備、汽車、便攜式汁算設備以及一些CPS專業(yè)用戶。其圖1所示是以手持式GPS系統(tǒng)芯片構(gòu)造示意框圖。 圖12、傳統(tǒng)的GPS與新技術(shù)GPS方案的優(yōu)勢 到目前為止，傳統(tǒng)GPS，如移動設備中所采用的全球定位技術(shù)都存在價格高、功耗大、尺寸大等問題。因此開發(fā)純軟件GPS接收機，通過軟

8、件完成GPS芯片的功能，從而進一步降低成本，促使更多的手持便攜設備采用GPS功能是針對市場對下一代技術(shù)的主要需求。 2.1新技術(shù)GPS方案的優(yōu)勢 在于它與其它基于硬件的多芯片方案相比，大大降低了系統(tǒng)成本、功耗和尺寸。該軟件方案可工作在自動和輔助兩種GPS模式，在每一秒鐘為系統(tǒng)(如汽車跟蹤)提供方位信息。也可以對算法進展調(diào)整，使其符合步行或室內(nèi)應用的要求，為蜂窩 、PDA、數(shù)碼相機、MP3播放器、膝上型電腦、便攜式DVD播放器等移動產(chǎn)品提供最優(yōu)的GPS設計。 2.2新技術(shù)GPS方案的術(shù)特征 是將專有的RF IC設計技術(shù)與新的軟件GPS技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了完全符合移動和便攜產(chǎn)品苛刻要求的解決方案，

9、例如Maxim的RF IC設計技術(shù)與Philips創(chuàng)新的軟件GPS技術(shù)相結(jié)合優(yōu)武就是典型代表。為此可從以下二點具體說明。 a 關(guān)于初始設計?；谠撔录夹g(shù)GPS方案的第一款是針對膝上型電腦USB附件而優(yōu)化的參考設計。該設計啟用了低成本高性能的GPS add-ons。其最簡單的形式可以是一個GPS條，將膝上型電腦轉(zhuǎn)化成一個大屏幕導航裝置。另一種應用是USB GPS附件，用于連接具備USB OTG的智能 。此外，這一小尺寸、低功耗設計可以與其它設備，如：USB存儲器驅(qū)動器或USB MP3相結(jié)合，在這些設備中實現(xiàn)GPS功能。 b 硬件/軟件的融合。整個參考設計基于GPS接收器前端,如基于Maxim的M

10、AX2741 GPS接收器前端，其MAX2741內(nèi)置LNA、自適應AGC和VCO。此外，MAX2741集成了一個1、2或3位ADC，用于支持2MHz至26MHz的參考頻率，采用2.7V至3.0V電源供電。而軟件(如Philips的Spot軟件)是用ANSI C編寫的600Kb程序代碼，能夠裝載并運行在各種標準處理器上，例如：ARM、Intel Xscale或TI-OMAP。軟件獲取GPS前端接收器輸出和衛(wèi)星定位信息，然后下載衛(wèi)星星歷，利用新技術(shù)進展信號處理，提取衛(wèi)星信號，產(chǎn)生有效的定位信息。 3、例舉新技術(shù)GPS方案的應用 3.1應用信息娛樂系統(tǒng)中現(xiàn)有的應用處理器完成GPSGalileo功能

11、獨特的基于軟件的GPS方案，無需改動的硬件即可完成GPSGalileoGa升級。與全球定位系統(tǒng)(GPS)類似，Galileo是歐洲太空總署正在開發(fā)的歐洲導航系統(tǒng)Galileo。預計在幾年之內(nèi)完全運轉(zhuǎn)起來。向GPS衛(wèi)星系統(tǒng)中參加Galileo導航系統(tǒng)，與僅僅具有GPS的系統(tǒng)相比，將會使性能得到極大地改善。由于汽車市場具有較長的設計周期，當今制造商們正在為這項新技術(shù)的應用做積極的準備。GPSGalileo(GNSS)技術(shù)利用系統(tǒng)主處理器來執(zhí)行所需的GNSS定位計算，無需價格昂貴而又龐大的基帶IC。因此將GNSS的整個硬件物料清單縮減為只需RF前端電路。這項新的技術(shù)所提供的性能與傳統(tǒng)的硬件連線多芯片

12、GPS方案相當，但成本卻是當前業(yè)界最低的，尺寸也最為纖小。該GNSS方案可為信息娛樂系統(tǒng)提供無與倫比的靈活性。軟件提供單機模式和援助模式，并可為滿足您的汽車導航需求而進展優(yōu)化。圖2為傳統(tǒng)的GPS方案與新型基于軟件GPS方案比較示意框圖。 圖23.2將UMPC或膝上型電腦變?yōu)橐粋€功能完備的GPS導航系統(tǒng) 獨特的軟件GPS，成本和尺寸削減50。全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)利用系統(tǒng)主處理器來執(zhí)行所需的GPS計算，無需價格昂貴而又龐大的GPS基帶IC。此外，高度集成和極為靈活的RFIC(如MAX274l)，可以最大程度的再利用其它系統(tǒng)資源，例如參考時鐘。并且，這種基于軟件的GPS只需要元件數(shù)較少的BOM

13、表，進一步削減了GPS方案的尺寸和成本。GPS方案提供無與倫比的靈活性，可拓寬超級移動PC(UMPC)、膝上型電腦、PDA和智能 中基于位置的應用功能。提供獨立及輔助GPS模式和不同大小的軟件，并可針對不同的應用進展優(yōu)化，例如汽車導航、個人導航或單點位置校正應用。其示意圖與圖2一樣。 4、核心芯片是GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵局部之核心芯片的優(yōu)劣在很大程度上決定了不同GPS產(chǎn)品的性能差異，芯片技術(shù)直接關(guān)系到GPS產(chǎn)品的技術(shù)指標和未來開展走向。GPS芯片由一塊射頻集成電路、一塊數(shù)字信號處理電路和標準嵌入式GPS軟件構(gòu)成.射頻集成電路用于檢測和處理GPS射頻信號，數(shù)字信號處理電路用于處理中頻信號，標準嵌入式G

14、PS軟件用于搜索和跟蹤GPS衛(wèi)星信號，并根據(jù)這些信號求解用戶坐標和速度，其主打市場是無線于持設備、汽車、便攜式汁算設備以及一些CPS專業(yè)用戶。這可以由嵌入式CPS導航系統(tǒng)的核心技術(shù)來看，以三星ARM9系列中的1632位RISC處理器S3C2410A芯片為例，該芯片強大的實時處理能力和豐富的外圍接門非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。而該系統(tǒng)就是基于該芯片的這些特點而設計的。該系統(tǒng)以SC2410A微處理器為核心，與2片32M的SDRAM(HY57V561620CT)和64M的NANDFlash(K9F1208UOB)整合為最小的一套系統(tǒng)；另外，就是在系統(tǒng)外部加裝可用于收GPS信號的GPS模塊，用于顯示的液

15、晶面板，以及LJDAl341TS的語音芯片系統(tǒng)。而ST公司提供完整的GPS解決方案，包括GPS基帶控制器以及RF接收器。ST的STA2051采用ARM7TDMI內(nèi)核，增加了一個專用APB和12通道的GPS相關(guān)器,內(nèi)部B256K+16K的FLASH存儲器和6K的SRAM，以及標準STR710的所有外設資源。ST配合STA2051發(fā)布基于ST專有嵌入式操作系統(tǒng)OS的完整的軟件運行庫實現(xiàn)，實現(xiàn)GPS完整解決方案同時可提供開放的ARM和外設資源給用戶，在功耗和成本上更具優(yōu)勢。STA2051產(chǎn)品家族包括TQFP64的汽車級的STA201和消費級的STA2051GO，以及TQFPl44的更多IO資源的ST

16、A2051E。STA2051主要特性：0.18um工藝，3.3V單電源工作，低功耗；ARM 7TDMI，32位RISC引擎，Debug接口，JTAG；內(nèi)嵌256k字節(jié)+16k字節(jié)FLASH，64k字節(jié)SRAM；EMI(External Memory Interface)擴展存儲器接口(僅TQFPl44)，分為4區(qū)，最大可擴展至64M字節(jié)；12通道GPS硬件相關(guān)器(STMicroelectronics IP)；獨立的RTC(Real-Time-Clock)帶喚醒功能；CAN控制器(CAN Protocol rev2.0partA and B)高達1 Mbits；四路16-位多功能定時器(捕捉,比

17、較，計數(shù)，PWM)；四路UARTS，雙SPI，雙I2C和USB(僅144 PIN)等串口通信;智能卡(1S0 7816-3 inclClock generation)；看門狗及喚醒控制(RTC或外部觸發(fā))；HDLC控制(inclNRZI，F(xiàn)M0 and Manchester encoder)；4通道12位ADC變換器(Sigma-Delta)；片上電壓穩(wěn)壓器為CPU及核心邏輯；工作溫度：-40+85。50通道LEA-5 GPS模組，可提供超越現(xiàn)有水平的速度、靈敏度及整合方便性。LEA-5GPS模塊系列擁有GPS市場最快的首次定位時間。這些單機多用途的GPS接收器采用u-blox 5 GPS與G

18、ALILEO芯片，不僅具有豐富功能和彈性連結(jié)能力，應用整合也很方便，使體積與成本都受嚴格限制的汽車電子、消費和工業(yè)等各種應用能夠迅速上市。u-blox5提供超快速的首次定位時間，它所采用的GPS架構(gòu)不僅擁有50個通道，還提供超過100萬個相關(guān)器(correlators) 以及獨立的定位與搜尋引擎，可以進展大規(guī)模的平行搜尋。在u-blox的AssistNow A-GPS服務協(xié)助下，u-blox5芯片與模塊不到1秒就能取得衛(wèi)星訊號和完成首次定位。這些LEA-5模塊不但是目前市場上最快速和最靈敏的GPS模塊，而且體積很小及成本很低，最適合群眾市場的GPS消費裝置采用。LEA-5HGPS模塊內(nèi)含閃存，

19、這能簡化軔體升級和系統(tǒng)設定值儲存；以ROM為根基的LEA-5S那么能進一步降低成本。這兩套模塊都提供u-blox的OMASUPL兼容A-GPS界面，并且支持AssistNow online和AssistNow offlineA-GPS服務。LEA-5 GPS模塊是u-blox公司瑞士的芯片，它有以下5個顯著特點：有等效超過l 000 000個相關(guān)器的并行通道，靈敏度由原來的-l 5 8d bm提升到不低于-160dbm；功耗不大于50mW；同時支持GPS及伽利略兩種定位平臺；冷啟動時間由原來的34s縮短到冷啟動29s，加上A-GPS輔助定位技術(shù)，室外冷啟動可在ls之內(nèi)；GPS通道數(shù)由第四代的1

20、6通道增加至第五代50個通道。u-blox-g5可以應用于手機及PDA等移動產(chǎn)品，極大地擴展廠移動領(lǐng)域的市場。5、GPS芯片應用-用MAX2742構(gòu)建GPS接收機接收機是GPS全球定位系統(tǒng)中重要組成部份,對使用者來說GPS接收機應用日益廣泛,值此對GPS接收機架構(gòu)先作剖析。5.1 GPS接收機 基本架構(gòu)一個典型的GPS接收機包含如圖3所示的功能塊，它包括：射頻局部(GPS-RF前端)、GPS信號處理器和主處理器。 圖3其中RF局部包括：GPS天線、RF濾波器和GPS RF前端。RF局部接收衛(wèi)星信號，從載波頻率中別離出偽隨機碼，并將其送至GPS信號處理器，在多數(shù)現(xiàn)有的接收機中，RF前端局部加上G

21、PS信號處理器能夠同時處理4至12顆衛(wèi)星信號。這種并行處理的能力提供了更高的定位精度，縮短了輸出數(shù)據(jù)的時間。主處理器向用戶提供數(shù)據(jù)，即可以通過一個GUI(圖象用戶接口)、顯示屏，或者其它操作系統(tǒng)途徑向用戶提供數(shù)據(jù)(見圖4左側(cè)所示)，至于何種途徑這取決于實際應用的要求。而同步和定時是GPS接收機的重要特性，為此用數(shù)控溫補晶體振蕩器TCXO如DS4000實現(xiàn)同步與定時的目的,見圖4所示。 HYPERLINK :/ eepw .cn/article/75790.htm o style=FONT-SIZE: HYPERLINK :/ eepw .cn/article/75790.htm o style=FONT-SIZE: 在圖3的框圖中，存在2個振蕩源，包括REF(基準)晶體(或振蕩器)和RTC(實時時鐘)晶體。REF晶體或振蕩器可以相當準確或不準確，取決所使用的接收機。典型范圍介于13MHz至30MHz之間，取決于生產(chǎn)廠家。在那些采用GPS接收機作為精細時間基準的應用中,REF振蕩器可以是銣源、OCXO、甚至TCXO。在這種情況下，主處理器將修正衛(wèi)星和接收機之間的任何定時滑動。RTC晶體為GPS接收機捕獲信號過程提供實時時鐘信息