摘要：設(shè)計了一種專門用于物探測量且經(jīng)濟實用的GPS接收機。該接收機采用TI公司的TMS320F2812芯片為核心處理器,，對GPS-OEM板進行二次開發(fā),，給出了詳細的軟硬件設(shè)計思路和實現(xiàn)方案。測試結(jié)果表明,，在天氣情況良好的條件下,，單機定位精度小于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
0 引言
地球物理勘探野外工作在進行地球物理場測量的同時,，需進行點位及其高程測量。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接收機的精度不能保障；高精度GPS接收機可滿足精度要求,，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,，顯然增加了測地工作的成本,。針對目前GPS接收機發(fā)展現(xiàn)狀，本文旨在研制一種專用GPS接收機,，要求價格適中,、能實時定位、且在短時間內(nèi)單機定位精度能達到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運算速度高，有較高的數(shù)字信號處理能力，高可靠性的特點,，非常適于GPS實時信號的處理,。利用GPS-OEM進行二次開發(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,，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,，單機定位精度能達到1m左右，為進一步設(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,，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,，信標接收功能,，差分基準站／移動站，L-Dif,，E-Dif,，1 pps／Event Marker等多種功能，其單機定位誤差小于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,。
1．2 DSP核心處理模塊設(shè)計
為滿足接收機系統(tǒng)具備定位速度快,，可靠性高及實時性的要求，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芯片的運算速度、運算精度,、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,，主要基于以下幾點考慮：
(1)它的主頻高,，時鐘頻率可達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卡存儲器作為人機對話窗口,。能實時,、快速地輸出定位信息，通過軟件編程設(shè)計了簡單方便的,、友好的人機操作界面,。測量時可按照簡單的操作提示進行。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語言和匯編語言進行混合編程，對每一個功能模塊的子程序進行編譯和調(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)進行提取和轉(zhuǎn)換處理，以“,，”為標記進行分離數(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)換成十進制的,。另外，由于時間標準的不同,，要得到北京時間還需對提取的時間信息進行轉(zhuǎn)換處理。若需要坐標轉(zhuǎn)換則應(yīng)調(diào)用坐標轉(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，進行了4次天線在不同位置的實驗,，所有靜態(tài)點的數(shù)據(jù)采集時間均持續(xù)5 min(300個數(shù)據(jù)點),，記錄每個時間段對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)的文件。提取其中標準點的經(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,，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，單點定位的平面誤差小于1 m,。
CEP分析：為了對廠家所標定的(單機定位：小于2．5 m(2DRMS))指標進行檢驗,，在天氣晴朗的條件下，對采集的4個點的實測數(shù)據(jù),，利用計算圓概率誤差的方式進行了分析,；其中，每個點的測試時間為5 min,，各得到300個數(shù)據(jù)點,。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，所測的點都包含在半徑為1．05 m的圓內(nèi),，具體計算的各個點的定位實驗數(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)小于接收機的標定位置精度1．042 m(CEP)(由2．5 m(2DRMS)換算來)。
3．2 動態(tài)測試方案與分析
為了在運動中檢驗測量精度設(shè)計了本項實驗,。實驗地點在西操場上,，沿預(yù)操場的第一跑道和第三跑道繞行一周后回到原點，分別進行4次實驗,。繞行過程中保持勻速,。對所采集的數(shù)據(jù)進行提取、轉(zhuǎn)換處理后,，用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行仿真,，將實測經(jīng)緯度換算成距離單位后，畫出4次實驗的軌跡圖見圖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與直線軌跡存在誤差,，但是大致上還是比較理想的,。實驗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,?？傮w來講，該定位軌跡圖能較好地反應(yīng)實際的形狀,。說明該GPS模塊動態(tài)定位性能還是比較好的,，可以用于較準確的實時導(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。
所得到的單點的精度半徑(100％點)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)天線進行的單機靜態(tài)測試結(jié)果表明,，單點定位精度小于1m,，由4次動態(tài)測試可得該接收機的導(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)計實現(xiàn)單點定位精度較高,、價格適中的GPS接收的思路是正確的,，實現(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接收機是可行的，能達到實時定位的功能要求,；選用的TMS320-F2812DSP芯片能滿足實時性的要求,。其中所設(shè)計的DSP模塊電路可以能滿足系統(tǒng)要求。