GPS由空間衛(wèi)星星座地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶接受設(shè)備3部分組成。作為一種實(shí)時(shí)定位測(cè)速授時(shí)的導(dǎo)航系統(tǒng)，其在定位精度和觀測(cè)時(shí)間上面的優(yōu)勢(shì)使其成為該領(lǐng)域的首選。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)有的GPS接收機(jī)基本構(gòu)成方框圖如圖1所示。

　　本系統(tǒng)的信號(hào)接收機(jī)硬件主要包括4個(gè)功能單元：天線單元、射頻單元、相關(guān)器單元、微控制器單元?；诂F(xiàn)有架構(gòu)，結(jié)合各功能模塊的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一款彈載GPS接收機(jī)，以期實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、測(cè)速和授時(shí)。

　　相關(guān)核心模塊選型如下：

　　Zarlink公司生產(chǎn)的GP2015作為接收機(jī)的射頻前端，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的下變頻處理，GP2021芯片作為C/A 碼基帶相關(guān)器，對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解擴(kuò)，得到導(dǎo)航電文；TI公司的浮點(diǎn)型數(shù)字處理器TMS320C6747，對(duì)接收機(jī)自檢、測(cè)定、搜捕衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

　　天線單元

　　天線單元主要由天線、濾波器和前置放大器組成，該單元電路圖如圖2所示 。天線的作用是將衛(wèi)星信號(hào)極微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流。濾波器用于抑制帶外的干擾信號(hào)。而前置放大器則是將信號(hào)電流予以放大，有時(shí)還兼有變頻作用。

　　射頻單元

　　該單元電路核心芯片采用ZARLINK公司推出的GPS射頻前端芯片GP2015 。它具有低功耗、低成本和高可靠性等特性，采用TQFP封裝，封裝尺寸小，工作電源電壓為3~5 V ，當(dāng)芯片工作在3V電壓下，其功耗為200 mW。

　　GPS Ll信號(hào)通過天線、預(yù)選頻濾波器和低噪聲放大器后輸入到GP2015 ，GP2015將該射頻信號(hào)與不同頻率的本振信號(hào)經(jīng)三級(jí)下變頻到中頻 （IF）， 在GP2021提供的5.714 MHz的采樣頻率下，將中頻信號(hào)變換成頻率為1.405 MHz的2位TTL電平輸出。所以，該單元的設(shè)計(jì)任務(wù)主要有兩個(gè)：晶體振蕩器設(shè)計(jì)和濾波電路設(shè)計(jì)。

　　GPS接收機(jī)定位精度、信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以及信號(hào)的一致性要求較高，從而對(duì)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)時(shí)鐘穩(wěn)定性提出了較高的要求。本系統(tǒng)采用高精度溫補(bǔ)型晶體振蕩器TCXO，該晶體振蕩器與外部匹配電路共同工作，產(chǎn)生穩(wěn)定的10.000 MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，在25 標(biāo)準(zhǔn)溫度下，其調(diào)整頻差為士1ppm， 負(fù)載電容為15pF。 在電源與GND之間串接10uF和100 nF電容，以有效濾除電源雜波。晶體振蕩匹配電路原理圖如圖3所示。

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　　GP2015的濾波電路設(shè)計(jì)分為三級(jí)：第一級(jí)，設(shè)計(jì)為二階的切比雪夫?yàn)V波器，性能指標(biāo)為中心頻率175.42 MHz ，帶寬為2MHz如圖4所示 ：第二級(jí)，濾波器采用Mitel 公司的聲表面濾波器DW9255，中心頻率為35.4 MHz， 帶寬為2MHz（如圖5所示），第三級(jí)，屬于GP2015片內(nèi)濾波，它的作用是濾除進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換器的噪聲和干擾信號(hào)。

　　相關(guān)器單元

　　對(duì)于與GP2015的組合匹配電路，GP2021接收來自GP2015的40MHz的差分時(shí)鐘信號(hào)、MAGO、SIGO 、PLLRDY和PRESET信號(hào)。將GP2015和GP2021的差分時(shí)鐘引腳直接相連；MAGO、SIGO及CLK采用串聯(lián)端接電阻，減少信號(hào)的反射。設(shè)計(jì)GP2015與GP2021接口電路原理圖如圖6所示。

　　微控制器單元

　　選用TMS320C6747對(duì)GP2021進(jìn)行讀操作和寫操作，獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)及控制GP2021的信號(hào)捕獲和跟蹤過程。GP2021提供了多種標(biāo)準(zhǔn)接口方式與C6747進(jìn)行通信，包括ARM6、Motorola、 Intel486 、Intel80186的接口，接口的配置取決于GP2021片上標(biāo)號(hào)為NARMSYS，WRPROG及NINTELMOT的引腳高低電平的組合邏輯，如表1所示。

　　可以將GP2021等價(jià)為異步隨機(jī)存儲(chǔ)器，采用C6747的外部存儲(chǔ)器接口EMIFA與GP2021進(jìn)行匹配。C6747的EMIFA接口包含3根控制線，13根地址線，16根數(shù)據(jù)線。將EMIFA的片選EMA_CS ［3］與NCS相連，它的地址空間為0x62000000-0x63FFFFFF。EMIFA中其他的引腳就按功能進(jìn)行相連。由于GP2021與C6747的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的引腳都支持LVTTL，所以無需電平轉(zhuǎn)換就可直接相連，不會(huì)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。通過設(shè)置C6747中EMIFA接口片選信號(hào)EMA_CS的READ_SETUP、READ_STROBE、READ_HOLD、WRITE_SETUP、WRITE_STROBE、TA、WRITE_HOLD的時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)與GP2021數(shù)據(jù)傳輸。

　　另外GP2021中ACCUM_INT引腳輸出一個(gè)間隔505.05us的信號(hào)，保證GP2021與C6747之間的接口正常傳輸。C6747內(nèi)增強(qiáng)型的TIMER定時(shí)器具有通過TIMER外部時(shí)鐘輸入引腳捕獲外部輸入事件的功能。由此將TIMER的時(shí)鐘輸入引腳直接與ACCUM_INT相連。所以C6747與GP2021接口電路如圖7所示。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：本設(shè)計(jì)經(jīng)過單片機(jī)控制超聲波諧振電路的頻率和負(fù)載功率，結(jié)合GPS接收機(jī)硬件和軟件進(jìn)行了導(dǎo)航電文譯碼測(cè)試，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS衛(wèi)星的捕獲和跟蹤。以GP2015、GP2021芯片組為核心架構(gòu)，以C6747為相關(guān)計(jì)算處理器的GPS硬件電路設(shè)計(jì)，充分考慮了低功耗、高性能及小封裝的彈載環(huán)境要求；以常用信號(hào)捕獲算法為基礎(chǔ)，給出了GPS定位軟件的核心流程框圖。