基于arm的GPS導航定位系統(tǒng)設計

1、江蘇科技高校 本科畢業(yè)設計（論文）I 基于 ARM 的 GPS 導航定位系統(tǒng)設計ARM-based GPS n avigati on system desig n 摘要GPS（全球定位系統(tǒng) ）是一種全方位的實時定位技術 ARM 處理,隨著 GPS 技術的進展,以器作為主 CPU 的嵌入式硬件平臺幾乎已經(jīng)成為信息產業(yè)的硬件標準；一方面,它具有體積小、性能強、功耗低、牢靠性高等特點；另一方面,它為高速、穩(wěn)固地運行嵌 入式操作系統(tǒng)供應了硬件基礎；本文以 Windows CE 為嵌入式操作系統(tǒng),對基于 ARM 的 GPS 定位系統(tǒng)的開發(fā)進行了爭論與實現(xiàn)；硬件平臺設計以三星公司的ARM920T 核的 S

2、3C2410 為微處理器,對以下三個方面的技II 術進行了爭論：一是對GPS 及嵌入式技術進行了介紹,介紹了 GPS 技術原理、特點、和定位方式；二是搭建基于ARM 的硬件平臺,對電源電路,儲備電路等進行了設計；三是對GPS 模塊及通訊接口進行了設計；關鍵字 ：GPS ARM Windows CE 操作系統(tǒng)Abstract GPS （Global Positi oning System ） is a comprehe nsive real-time positi oning tech no logy, with GPS tech no logy to ARM processor as the

3、mai n CPU of the embedded hardware platform has almost become the in formatio n in dustry hardware sta ndards.O n the one hand ,it has a small,strong performance,low power,high reliabity:on the other hand,it is high speed,stable operati on and provides a hardware based embedded operati ng syste m.ln

4、 this paper, Win dows CE embedded operat ing system, ARM-based GPS positi oning system and impleme ntati on of III developme nt studied. Platform desig ned to Samsu ng S3C2410 ARM920T microprocessor core, on the followi ng three tech niq ues were studied: one on the GPS and embedded tech no logies a

5、re in troduced, in troduced the prin ciple of GPS tech no logy, features, and positi oning means ; Second, ARM-based hardware platform built on the power supply circuit, memory circuit desig n, etc.; Third, GPS module and the com muni catio n in terface is desig ned. Keywords: GPS ARM Win dows CE Op

6、eratio n System 目錄第一章緒論 . 1 3 1 4 1.1 嵌入式技術爭論背景. . 1.2 GPS 技術爭論背景. 32 其次章 GPS 技術基本原理. . 3 2.1 GPS 基本原理 . 2.1.1 衛(wèi)星的位置 . 2.1.2 衛(wèi)星與用戶間的相對距離. 42.1.3 衛(wèi)星信號的解算 . 2.1.4 GPS 的定位方式. . 5IV 2.2 GPS 進展前景. 11 69 8 第三章嵌入式系統(tǒng)設計. 83.1 嵌入式系統(tǒng) . . 8 WINDOWS CE 嵌入式操作系統(tǒng). 10 WINDOWS CE 系統(tǒng)框架 . 3.4 嵌入式軟件平臺開發(fā). . 3.2 Boot Load

7、er 開發(fā) . 10 3.3 OAL 開發(fā) . 13 3.5 ARM 技術介紹 . 2 ARM 處理器的體系結構 . 13 3 ARM920T 微處理器概述 . 14 第四章 系統(tǒng)硬件及 GPS 模塊設計. . 154.1 總體硬件設計方案 . . . 15 4.1.1 系統(tǒng)硬件的挑選 . . 154.1.2 S3C2410 處理器 . . 154.2 系統(tǒng)硬件電路設計 . . . 16 4.2.1 電源電路 . . 184.2.2 串口電路 . 4.2.3 Flash 電路 . .18 .19 4.2.4 SDRAM 電路 . 204.2.5 顯示電路 . .214.3 GPS 模塊電路設計

8、 . . 224.3.1 GPS 模塊挑選 . . 224.3.2 GPS 模塊與主機的串口通信 . . 23第五章系統(tǒng)軟件設計 . . 255.1 NEMA0183 協(xié)議 . . 255.2 GPS 程序設計 . . 255.3 用戶界面 . . . 29總結 . .30致謝 . .31參考文獻 . .32附錄 . .33V第一章緒論1.1 嵌入式技術爭論背景隨著運算機和通信技術的快速進展,嵌入式系統(tǒng)己經(jīng)廣泛滲透到人們的工作、生活中,從家用電器、手持通訊設備、信息終端、儀器外表到汽車、軍事裝備、制造工業(yè)、過程掌握等；特殊是隨著嵌入式系統(tǒng)與 目越來越In ternet 的日益結合,使得嵌入式應

9、用項多樣化,使嵌入式電子產品的功能也日益強大；嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、的牢靠性高的優(yōu)點,是嵌入式系統(tǒng)核心；而 ARM 處理器具有高性能低功耗、低成本等顯著優(yōu)點,已成為高性能、低功耗嵌入式微處理器的代名詞,是目前 32 位、 64 位嵌入式處理器中應用最為廣泛的一 個系列；而英國先進 RISC 機器公司這一生產模式最為勝利的典范,既不生產芯片,也不 銷售芯片,而是設計出高效的 P 內核,授權給各半導體公司使用；半導體公司在 ARM 技術的基礎上,依據(jù)自己公司的產品定位,添加自己的設計并推出芯片產品；最終由OEM 客戶 采納這些芯片來構建基于ARM 技術的最終應用系統(tǒng)產品；經(jīng)過十

10、多年的進展,ARM 公司己是業(yè) 界領先的 IP 供應商；ARM 微處理器得到了眾多半導體廠家和整機廠商的大力支持,全球己有十多家 公司 在采納 ARM 技術, 20 家最大的半導體廠商中有 19 家是 ARM 的用戶,包括 TI、PHILIPS 和INTEL 等公司；優(yōu)良的性能和精確的市場定位極大地豐富了 基于 ARM ARM 資源,加速了核的、面對各種應用系統(tǒng)芯片的開發(fā)應用,使得 ARM 獲得了更廣泛的應用,確 立了 ARM技術的市場領先位置；ARM 在高性能嵌入式應用領域獲得了龐大的勝利,己在 32 位嵌入式應用中穩(wěn)居世界第一；在 2022 年,基于 ARM 核的芯片占據(jù)了整個 32、64

11、 位 嵌入式微處理器市場的 79.5%,全世界已使用了 20 多億個核；如今, ARM 公司已經(jīng)成為業(yè) 界的龍頭老大,每個人口袋中都裝著 ARM 是毫不夸張的,由于幾乎全部的手機、移動 設備、 PDA都是用基于 ARM 核的系統(tǒng)芯片開發(fā)的；嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)軟件,一般用于比較復雜的嵌 入式系統(tǒng)軟件開發(fā)中；嵌入式操作系統(tǒng)一般具有實時特點,是嵌入式系統(tǒng)的靈魂,它的出現(xiàn)大大提高了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率,削減了系統(tǒng)開發(fā)的總工作量,而且提高了 嵌入式應用軟件的可移植性；目前常見的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux ,Win dows CE等；其中 Win dows CE.Net 是微軟推

12、出的一款面對嵌入式應用的操作系統(tǒng),它繼承了 Windows 家族優(yōu) 1 秀的圖形用戶界面,是一款多任務、模塊化、實時性能好、通信才能強大且支持 多種 CPU 的操作系統(tǒng)； Windows CE . net 是微軟特地為信息設備、移動應用、消費類電子 產品等領 域設計開發(fā)的操作系統(tǒng)產品,己開頭廣泛應用于數(shù)碼相機、智能手機、PDA 、工 業(yè)掌握 等嵌入式領域；GPS 技術爭論背景自從 1978 年 2 月 22 日第一顆 GPS 試驗衛(wèi)星進入軌道以來,巨27 年間 GPS 已經(jīng)顯 示了它大的社會、軍事作用與經(jīng)濟、社會效益；GPS 衛(wèi)星發(fā)射的導航、定位信號,作為一種時空信息資源,可在全球范疇內向很多

13、用戶供應位置、速度和時間信息；GPS 是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞系統(tǒng),空間部分由 24 顆衛(wèi)星組成,主要是用于軍用,現(xiàn)在己經(jīng)慢慢轉變?yōu)檐娒駜捎孟到y(tǒng)；隨著 藏的龐大GPS 向民用開放,它所蘊商機也被挖掘出來； GPS 不僅用于導彈、飛船的導航定位,更是廣泛用于飛機、汽車、船舶的導航定位,公安、銀行、醫(yī)療、消防,林業(yè)、環(huán)保、資源調查、物理勘探、電信等都離不開導航定位,特殊是隨著衛(wèi)星導航接收機的集成微型化,顯現(xiàn)各種融通 信、運算機、GPS 于一體的個人信息終端,使衛(wèi)星導航技術從專業(yè)應用走向大眾應用,成 為繼通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的 IT 其次個新的增長點；隨著嵌入式系統(tǒng)的高度

14、進展和GPS 應用的逐步廣泛,特殊是我國北斗導航系統(tǒng)的使用,現(xiàn)在車載導航系統(tǒng)和手持導航設備的開發(fā)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)進展的一個熱 門方面；GPS 主要功能有定位、測量及授時等,而動態(tài) 即瞬時 定位是 GPS 接收機、掌握 系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及顯示器等幾部分；目前,車載導航系統(tǒng)在美國、日本已經(jīng)商品化,在我 國也早已綻開了很多的爭論和設計；中國是個 GPS 應用大國,車載導航監(jiān)控系統(tǒng)的研制 具有廣泛的有用價值和市場前景,但是從系統(tǒng)的技術水平和產品的質量和成熟程度來說,我們仍處在往上進展時期；目前,城市建設進展速度越來越快,道路變得也越來越復 雜,在這種情形下,隨著汽車的日益普及,找到一種方式,使人們能夠

15、淡定的面對錯綜復 雜的交通網(wǎng),己經(jīng)迫在眉睫；利用 GPS 進行車輛定位導航是個不錯的挑選；因此,爭論 和開發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的 GPS 定位系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義；2 其次章 GPS 技術基本原理 GPS 基本原理GPS 的基本定位原理是：衛(wèi)星不問斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息,用戶接 收到這些信息后,經(jīng)過運算求出接收機的三維位置,三維方向以及運動速度和時間信 息；2.1.1 衛(wèi)星的位置GPS 衛(wèi)星的位置信息包括在衛(wèi)星發(fā)射的信號中；衛(wèi)星信號包括三種信號重量：載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼；內容有：1 衛(wèi)星星歷及星鐘校正參數(shù)；2 測距時間間距；3 大氣附加推遲校正參數(shù)；4 與導航有關的信息；一般的 GPS 接收

16、機只能接收；接收機依據(jù)特定的算法,能夠從L1 信號中提取出數(shù)據(jù)碼 Dt,即導航電文；導航電文的詳細內容包括遙測碼,轉換碼,第一數(shù)據(jù)塊,其次數(shù)據(jù)塊,和第三數(shù) 據(jù)塊五部分；遙測碼 TLM 位于每個子幀的第一個子碼,作為捕捉導航電文的前導；其中所含 的同步信號為各子幀供應了一個同步起點,使用戶便于說明電文數(shù)據(jù)；轉換碼 HOW 是子幀的其次個子碼,它的主要作用是幫忙用戶從以捕捉的 C/A 碼轉換到 P 碼的捕捉；第一數(shù)據(jù)快的主要內容是：衛(wèi)星時鐘校正參量及其數(shù)據(jù)齡期,星期的周數(shù)編號和 大氣校正參數(shù)及衛(wèi)星工作狀態(tài)等；其次數(shù)據(jù)塊包括其次和第三子幀,它載有衛(wèi)星的星歷；這是 基本 數(shù)據(jù)；GPS 定位中最常用的第

17、三數(shù)據(jù)塊由第四子幀和第五子幀構成,它的內容為系統(tǒng)內全部衛(wèi)星的粗略星 歷、粗略時鐘校正量、衛(wèi)星識別及衛(wèi)星工作正常與否的字符；每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)需要占 用一個子幀,該數(shù)據(jù)塊的目的是使用戶只要收到一顆衛(wèi)星的信號就可以初略知道其他衛(wèi) 星的情 況；3 當 GPS 接收機接收到信號后,就可以依據(jù)這個編排格式提取出運算所需的數(shù)據(jù)；2.1.2 衛(wèi) 星與用戶間的相對距離GPS 使用單向測距方法來測定某顆衛(wèi)星與用戶的相對距離；它使用兩臺時鐘,一 臺在 用戶接收設備上,一臺在衛(wèi)星上；運算衛(wèi)星與用戶之間的距離,實質上是通過比 較 GPS 接收機中復原的衛(wèi)星鐘和用戶本身的時鐘之間的差,即測量衛(wèi)星鐘要傳播到用戶 所花的 時間

18、即傳播時延得以實現(xiàn)；假如兩者時間精確同步,即兩時鐘信號同頻同相,那 么,禾 U 用距離等于時間乘以光速的原理,得到衛(wèi)星和用戶間的真實距離 R=C t；但是衛(wèi)星鐘和用戶鐘卻不能精確同步,當兩者存在鐘差 并不 t 時,這樣測得的距離是用戶和衛(wèi)星問的真實距離,而是偽距 Pseudo range 簡稱 PR,表示為 PR=R+CAt , t 取值是有正負的,用戶鐘慢于衛(wèi)星鐘就取正,反之取負；2.1.3 衛(wèi)星信號的解算用戶接收機在接收到衛(wèi)星發(fā)出后的無線電信號后,假如它有與衛(wèi)星鐘精確同步的 時鐘,便能測量出信號到達的時間,從而算出信號的空間傳播時間；再用這個時間 乘以信號在空間的傳播速度,便能求出接收機與

19、衛(wèi)星的間距 z2 2-1 R,R=Xi-x2+Yi-y2+Zi-式2 1中 R 為觀測量, Xi,Yi,Zi 為衛(wèi)星的坐標, x,y,z為接收機坐標；其中 衛(wèi)星坐標為己知量,接收機坐標待求；這樣,抱負情形下,假如測得觀測點與三顆衛(wèi) 星的距離,便可確定三個未知數(shù),即可完成定位；實際上,一般接收機上的時鐘不行能非常精確,因此由它測出的衛(wèi)星信號在空間 的傳播時間是不精確的；因而測出的距離也不精確,而是偽距；設接收機在接收衛(wèi) 星信號的瞬時,接收機與衛(wèi)星導航系統(tǒng)的鐘差為定值 R=Xi-x2+Yi-y2+Zi- z2+.t. C 2-2 式中, c 為衛(wèi)星信號傳播速度常數(shù),其中的未知數(shù)比式 t,就上述公式

20、就要改寫成：2-1 多了個 t, 這時,只要測出接收機距四顆衛(wèi)星的偽距便得到 4 個這樣的方程,如下：R=X1-x2+Y1-y2+Z1- z2+.t. C 2-3 R=X2-x2+Y2-y2+Z2- z2+.t. C 4 R=X3-x2+Y3-y2+Z3- z2+.t. C R=X4-x2+Y4-y2+Z4- z2+.t. C 以上四個方程聯(lián)立便可以解出四個未知量 置,x,y,z 和即求出了接收機的位并可將接收機的時間進行修正；GPS 衛(wèi)星定位原理示意圖如2-1 所示：衛(wèi)星 4 XV4 fZ4 圖 2-1 GPS 定位原理圖2.1.4 GPS 的定位方式用 GPS 進行定位有很多定位方式,依據(jù)

21、參考點的位置不同,定位方式可分為以下 幾種：3. 靜態(tài)定位和動態(tài)定位假如在定位過程中,用戶接收天線處于靜止狀態(tài),或者明確的說,待定點在協(xié)議 地球坐標系中的位置,被認為是固定不動的,那么這些待定點的位置的定位測量被 稱為靜態(tài)定位；由于待定點固定不動,因此可通過大量重復觀測提高定位精度；正因如 此,靜態(tài)定位在大地測量、地球動力學爭論等方面獲得廣泛的應用；相反,在定位過程中,用戶接收天線處于運動狀態(tài)：這是待定點位置隨時間變 化；確定這些待定點的位置,被稱為動態(tài)定位；4. 肯定定位和相對定位肯定定位是以地球質心為參考點,測定接收天線 即待定點 在協(xié)議地球左邊系中 的絕對位置,又稱為單點定位；單點定位工

22、作和數(shù)據(jù)處理都比較簡潔,其定位結果受 衛(wèi)星星5 歷誤差和信號傳播誤差影響顯著,所以定位精度較低,適用于低收精度測量領 域；假如挑選地面某個固定點為參考點,確定接機天線相位中心相對參考點的位置 , 稱為相對定位；由于相對定位至少適用兩臺以上的接收機,同步跟蹤測量 4 顆以上的 GPS 衛(wèi)星,因此所獲得的觀測量和誤差都具有相關性；采納適當?shù)臄?shù)學模型,即可排除 或者削弱觀測量所含的誤差,使定位結果達到相當高的精度；在我國, GPS 在導航、授時校頻和高精度測量三個領域應用的比較廣泛,涵蓋軍 事部門、交通部門、由 E 電部門、地礦、煤礦、石油、建筑以及農業(yè)、氣象、土地管理、金融、公安等部門和行業(yè)；在G

23、PS 應用領域中,車輛應用所占的比重在各項應用中最大,約占總數(shù)的 50%左右；但是目前市場上的 GPS 車載終端基本上僅具有定位跟蹤及監(jiān)控治理功能,而集定 位、導航與多媒體信息的即時傳輸于一身的車載定位導航智能治理系統(tǒng),由于受到許 多綜合因素的制約,特殊是受到我國汽車工業(yè)進呈現(xiàn)狀、電子地圖配套限制以及人均GDP 水平的整體制約,仍沒有形成較大的市場；就國際上的進展情形而言,GPS 應用產品產業(yè)己經(jīng)是當前國際上八大無線通信產業(yè)之一,也是目前世上進展的最快的三大信息產業(yè)之一,結合已成GPS 與 3G 無線通信網(wǎng)絡的為全球通信導航界的熱點；在國際市場上, 汽車類 GPS 設備銷售額雄居各類 GPS

24、市場之首；據(jù)業(yè)內人士估計,將來幾年,國際上對 GPS 導航系統(tǒng)的需求量,將以每年 50% 以上的速度遞增；到 2022 年為止,已有近 50%的新車型和 90%的豪華車型將具備部分互聯(lián) 網(wǎng)功能,這意味著這些車都已經(jīng)應用了車載電腦系統(tǒng),汽車定位及監(jiān)控、甚至導航產品市場份額；4.2.4 GPS 進展前景GPS 應用產品產業(yè)己經(jīng)是當前國際上八大無線通信產業(yè)之就國際上的進展情形而言,一,也是目前世界上進展的最快的三大信息產業(yè)之一,的結合已 成為全球通信導航界的熱點；在國際市場上,汽車類GPS 市場之GPS 與 3G 無線通信網(wǎng)絡GPs 設備銷售額雄居各類首；據(jù)業(yè)內人士估計,將來幾年,國際上對 GPS

25、導航系統(tǒng)的需求量,將以每年 50%以上的 速度遞增；到 2022 年為止,已有近 50%的新車型和 90%的豪華車型將具備部分 互聯(lián)網(wǎng)功 能,這意味著這些車都已經(jīng)應用了車載電腦系統(tǒng),汽車定位及監(jiān)控、甚至導航產 品市場 份額達到百億美元；在 GPS 應用領域中,車輛應用所占的比重越來越大,而且隨著市場的進展,當前GPS 6 接收機向著小型化、智能化方向進展；以前的 GPS 接收機由于受處處理器速度的 限制,無 論在體積上,在處理速度上都無法滿意實時性較高的要求；因此,采納嵌入式系 統(tǒng)為框架,以高性能的處理器來處理定位信息,成為目前 7 第三章嵌入式系統(tǒng)設計 3.1 嵌入式系統(tǒng)GPS 定位系統(tǒng)的進

26、展趨勢；嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心,運算機技術為基礎,軟硬件可裁剪,適用于應用系 統(tǒng)對功能、牢靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用運算機；系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 由包括嵌入式處理器、儲備器、傳感器和輸入輸出設備等一系列微電子芯片與器件構成 的硬件部分,和嵌入在儲備器中的嵌入式操作系統(tǒng)、掌握應用軟件部分組成,共同實現(xiàn) 諸照實時掌握、監(jiān)視、治理、移動運算、數(shù)據(jù)處理等各種自動化處理任務；與通用型運算機系統(tǒng)相比,嵌入式系統(tǒng)功耗低、牢靠性高；功能強大、性能價格 比高；實時性強,支持多任務：占用空間小,效率高；面對特定應用,可依據(jù)需要 敏捷定制；嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必需高效率地設計,去除冗余,力爭在同樣的硅

27、片面積上實現(xiàn)更高的性能,這樣才能在詳細應用中對處理器的挑選更具有競爭力；a. Win dows CE 嵌入式操作系統(tǒng)Microsoft Windows CE 是一個開放的、可裁減的、32 位的實時嵌入式窗口操作系 統(tǒng),目前我們使用的版本是 Windows CE 5.0 ；它具有牢靠性好、實時性高、內核體積 小等特點,被廣泛應用于工業(yè)掌握、信息家電、移動通信、汽車電子、個人電子消費品等各 個領域；Windows CE 的設計目標模塊化和小內存占用Win dows CE 被分為一些不同的模塊,其中內核 Kernel 、圖形窗口大事子系統(tǒng)GWES 、文件系統(tǒng)和通信 Communication 模塊是

28、 4 個主要模塊；每個模塊進一步被劃分為更小的組件,每個組件代表模塊的一種特點；典型的 Windows CE 設備只有 8 到 32MB 的 ROM ,而 Windows CE 的最小內核只 有500KB ,最小內核不僅可以處理進程、線程、同步對象等操作系統(tǒng)對象,而且也 可以讀 / 寫文件、注冊表和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；a. 強大的實時性才能Windows CE 強大的中斷和線程調度機制和內核操作系統(tǒng)服務保證它為一個硬實 時操作系統(tǒng)；依據(jù)測試,在一個主頻為 以 達到 40-60u& 8 b. 強大的開發(fā)工具支持200MHz 的參考系統(tǒng)中, Windows CE 的實時 性最小可Platform Buil

29、der是 Windows CE 操作系統(tǒng)的開發(fā)工具,它集成了一個完全的IDE 接口,使平臺設計者可以完全在IDE 中快速創(chuàng)建、調試和部署windows CE 操作系統(tǒng)；Win dows CE 使用與 windows95 / 98/ NT/ 2022 相同的 WiIl32 編程模型,是 開Will32API 的一 個子集；發(fā)人員可以便利的使用Microsoft Embedded Visual C+以及 Visual Studio.Net來開 發(fā)基于Windows CE 的應用程序； Windows CE 開發(fā)工具集成的模擬器答應開發(fā)人員不依 賴于目標硬件在開發(fā)工作站上完成操作系統(tǒng)和應用程序的開發(fā)

30、、調試和部署,大大加速了 開發(fā)迸程；Win dows CE 系統(tǒng)框架Windows CE 為一種分層結構,從底層向上分別為硬件層、和OEM 層、操作系統(tǒng)層應用層；這種層次性的結構試圖盡量將硬件和軟件、操作系統(tǒng)和應用程序隔離 開,以便于實現(xiàn)系統(tǒng)的移植,便于進行硬件、驅動程序、操作系統(tǒng)和應用程序等開發(fā)人員 分工合作、并行開發(fā)；硬件層硬件層是指由 CPU 、儲備器、 I, O 端口、擴展板卡等組成的嵌入式硬件系統(tǒng),是 Windows CE 操作系統(tǒng)必不行少的載體；OEM 層OEM 層主要由 CSP 代碼和 BSP 代碼組成,其中CSP 支持不同的微處理器體系結構,而BSP 支持不同的微處理器擴展和外

31、設,它由 組成；5. 操作系統(tǒng)層Boot Loader 、OAL 和驅動程序代碼操作系統(tǒng)層既要為下層OEM 層供應接口和服務,也要為上層的應用程序供應服務于應用程序編程接口,操作系統(tǒng)層主要有以下模塊：核心、塊、多Core DLL 、對象儲備模媒體技術模塊、圖形窗口和時間系統(tǒng)模塊、設備治理器模塊、通信服務與網(wǎng)絡模 塊、應用和服務開發(fā)模塊6. 應用層應用層是在操作系統(tǒng)供應的 Win32 API 的基礎上,由 Wn32 API 構建的應用程序 組成；一部分是由 Windows CE 供應的應用程序,另一部分是用戶依據(jù)自身設備需要定 制開發(fā)的應用程序；9 3.4 嵌入式軟件平臺開發(fā)341 Boot L

32、oader 開發(fā)Boot Loader 是在操作系統(tǒng)內核運行之前運行的一段小程序,通過這段程序,可以 初始化硬件設備、建立系統(tǒng)的內存空間映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個 已知的狀態(tài),以便為最終的調用操作系統(tǒng)內核預備好正確的環(huán)境,開發(fā)步驟如下：創(chuàng)建編譯環(huán)境Platform Builder集成開發(fā)環(huán)境供應了命令行編譯殼用來編譯Eboot 源代碼；打開命令提示符窗口,第一設置_WINCEROOT 環(huán)境變量：WinCE 安裝目錄,set_WINCEROUT=wince50 ; 其中 為用戶的然后進入目錄：cd%_WINCEROOT%publiccommonoakmisc: 處理命令,為特定的開發(fā)

33、預備環(huán)境變量；運行 Wince.bat 文件； wince.bat 為 批輸入命令： Sysgen ；這個命令將創(chuàng)建 Boot Loader 需要的靜態(tài)庫；實現(xiàn) Startup 函數(shù)Startup 函數(shù)是 Boot Loader 的入口代碼,是CPU 最先執(zhí)行的代碼也是最先編寫的源代碼,其主要完成CPU 的初始化工作；實現(xiàn) Main 函數(shù)Main 函數(shù)由 Boot Loader 的 Starup 函數(shù)調用 , 而 Main 函數(shù)接著調用 Blcommon 庫 中的BootloaderMain 函數(shù)；在 _WINCEROOT%Platformsmdk2410SrcBootloadereboot

34、下創(chuàng)建一個名為ma in .c 的文件,并添加代碼如下：void ma in void Bootloader Mai n; SpinFo rever; 完成以上功能之后, BootLoader 將跳轉到主代碼中執(zhí)行,主代碼包括對嵌入式開 發(fā)平臺的掌握和下載 Windows CE 內核文件等功能；一般 OEM 啟動代碼都是用匯編 編寫,而主10 代碼一般用 C 語言編寫,它負責其它全部任務,在執(zhí)行的同時仍能夠將執(zhí)行的相 關信息顯示在屏幕上；配置文件編寫Platform Build 集成環(huán)境下需要編寫配置文件幫助開發(fā)Eboot ,配置文件包括sources 文件、 makefile 文件和 .bi

35、b 文件；source 文件和 makefile 文件用于掌握Boot Loader 的編譯操作, makefile 文件驅動編譯過程,而編譯信息來自于source 文件；Makefile.def ,在編譯工具確定要編譯的源文件makefile 文件包含一個通用的配置文件的時候,它設置一個內部環(huán)境變量；編譯工具可以使用 變量來調Makefile.def 設置的環(huán)境用編譯器、鏈接器和其他工具；通過 Malcefile . def 文件中定義的規(guī)章,編譯工具編譯源文件中特定的源代碼并且鏈接任何目標模塊；.bib 文件可以定義操作系統(tǒng)鏡像要加載的模塊文件,細化物理儲備的空間安排,詳細描述了 Boot

36、 Loader 所使用的內存布局；OAL 開發(fā)OAL 是 Windows CE 內核與目標硬件之間的一個代碼層,主要來處理內核與目標硬件. 一甀設備之間的通信；下面結合S3C2410 的 BSP 中的詳細代碼對OAL 進行分析；攀昀戀昀戀 .愀攀攀.攙 . 一甀洀戀攀爀攀攙開. .昀. . .攙. .戀. 戀挀昀昀 . 攀tarup 函數(shù)Boot Loader 和 OAL 中均包含 Startup 函數(shù)；它的功能大致相同,都是要初始化最 小硬件環(huán)境, Boot Loader 是在為自己的執(zhí)行預備硬件環(huán)境,0AL 就是為 kemel 的執(zhí)行 預備硬件環(huán)境；假如可以確定這一硬件部分Boot Loa

37、der 己經(jīng)初始化過,就在OAL 中不必重復；. 一甀.攙 . 一甀洀戀攀爀攀攙開. .昀. . .攙. .戀. 戀挀昀昀 . 攀攀昀戀昀戀 .愀攀攀EMInit 函數(shù)OEMInit 函數(shù)由內核初始化函數(shù)調用,它的最小任務是設置在 初始Startup 中沒有進行化的其余硬件并注冊中斷,并可以添加附加代碼來初始化可選的函數(shù)指針和可選 得變量來加強系統(tǒng)的功能； OEMInit 主要完成以下功能：初始化中斷、初始化總線信息、啟動 KITL 、初始化電源治理、初始化可編程中斷掌握器、初始化時鐘、初始化內存；.攙.一甀洀戀攀爀攀攙開. .昀. .攙.戀.戀挀昀昀 .攀攀昀戀昀戀 .愀攀攀 .一核輸入 /

38、輸出內核的輸入 / 輸出函數(shù)指 OEMloControl 函數(shù)；當設備驅動程序或應用程序調用KenelloControl 函數(shù)并傳遞一個 IOCTL 時, Windows CE 內核會依次調用 OEMIoControl 函數(shù), 0EMIoControl 函數(shù)答應設備驅動程序或應用程序與內核模式的 OAL 代碼進行通信；11 .攙.一甀洀戀攀爀攀攙開. .昀. .攙.戀.戀挀昀昀 .攀攀昀戀昀戀 .愀攀攀 .一斷處理Windows CE 的中斷實際上是由兩部分 ISR 和 IST 組成的；其中 IST 包含在驅動 程序中,而 ISR 包含在 OAL 層中；所以要想支持一個硬件發(fā)生中斷的話,第一必

39、需從 OAL 層為其作好預備,一般分兩步完成：一是創(chuàng)建中斷標識符,二是創(chuàng)建并注冊 ISR；調試串口Win dows CE 設置了一個默認的串口作為調試信息的輸出,用戶通過調試命令打 印調試信息的時候, WinCE 系統(tǒng)就將此打印信息從默認的調試串口輸出；留意Win dows CE 下默認的調試串口與串口驅動不是一個概念,即便是默認的調試串口能用的話,也 不能說明它的驅動己經(jīng)做好了,只能說它能發(fā)送 Win CE 的調試數(shù)據(jù)343 Windows CE 內核定制本課題是通過 Platform Builder5.0 （簡稱 PB）軟件來定制 WINCE 操作系統(tǒng)的；在定 制系統(tǒng)之前,第一應安裝主板支

40、持軟件包（BSP ）, 它是一個包括啟動程序、OEM 適配層程序（ OAL ）、標準開發(fā)板（ SDB）和相關硬件設備的驅動程序的軟件包；一般由 開發(fā)板廠家供應,然后依據(jù)自己需要進行修改；用 PB 創(chuàng)建一個操作系統(tǒng)主要分成生成新平臺、定制平臺生成映像文件、下載平臺 3 部分；（1）生成新平臺啟動 PB, 在 File 中挑選 NEW Platform ,依據(jù)向導依次挑選 BSP ,挑選平臺的應用 程序和媒體,挑選平臺的網(wǎng)絡和通信,最終點擊完成；這樣一個新的平臺就生成 了；定制平臺生成映像文件同樣是在 PB 環(huán)境中定制平臺；將前面安裝好的BSP 中的驅動程序加到平臺中,在本課題設計中,需要加入的驅

41、動有：CE.NET,FAT 文件儲備系統(tǒng)；MFC,Standard SDK for Windows 在此過程中,可以將自己寫好的驅動程序和應用程序,通過編寫 Win dows CEComponet （CEC）文件,生成新的BSP ,加入到要定制的平臺中去；完成定制之后,運行Build 中的 Gen erate Platform Headers通過后在運行Build 中 的Build Platform, 編譯通過后運行 n k.bi n ,這就Make Image ,生成映像文件；此文件名稱為是我們最終需要的燒寫文件；在此過程中,很重要一步就是生成 SDK （軟件開發(fā)工具包 ）；（3）下載平臺得

42、到燒寫文件 nk.bin 后,就要將它下載到我們的開發(fā)板中去；WIN CE 系統(tǒng)的燒寫分12 為兩部分文件燒寫： Bootloader 和 nk.bin ；3.5 ARM 技術介紹ARM 既可以認為是一個公司的名字,也可以認為是對一類微處理器的通稱,仍 可以認為是一種技術的名字；ARM 公司自 1990 年 11 月在英國劍橋成立以來,在32 位 RISC CPU開發(fā)領域不斷取得突破；目前,ARM 公司供應七個處理器核系列：ARM7 、AEM9 、ARM9E 、ARM10E 、ARM11 、SecurCore 以及 Cortex ；ARM 技術已遍及工業(yè)掌握、消費類 電子產品、通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡系統(tǒng)

43、、無線系統(tǒng)等各類市場,并逐步滲入到我們生活的各個方面r；ARM 公司始終以 IP 的身份向各大半導體制造出售只是產權,而自己不介入芯片 的生產和銷售,加上其設計的芯片具有低功耗、成本低、高性能、高效率等顯著優(yōu) 點,因此獲得眾多半導體廠家和整機廠商的 32 位 RISC 嵌入式市場； 世界各大半導體生產 商從 ARM公司購買其設計的 ARM 微處理器核,依據(jù)各自不同的應用領域,假如適當?shù)耐?圍電路,從而形成自己的 ARM 微處理器芯片進入市場；ARM 處理器的體系結構RISC 體系結構RISC 體系結構是針對傳統(tǒng)的CISC 固有的缺點提出來的；經(jīng)過大量的爭論和分析,發(fā)現(xiàn)在 CISC 的指令集中大

44、致有20% 的指令被反復調用,使用量約占整個程序的80%; 而有80% 左右的指令就很少使用,其使用量約占整個程序的 簡潔地減少指令,而是使其更加簡潔合理,提高運算速度；較高的簡20% ；RISC 體系結構并非RISC 結構優(yōu)先選取使用頻率單指令,防止復雜指令：將指令長度固定,指令格式和尋址方式種類削減；以邏 輯掌握為主,不用或少用微碼掌握；RISC 指令集能使流水線處理器更有效地執(zhí)行,仍 能使編譯器使編譯器生成更優(yōu)化的代碼；ARM/Thumb 雙指令集ARM 微處理器同時支持 ARM 指令集和 Thumb 指令集； ARM 指令集 32 位的指 令集,把一些常用的 ARM 指令壓縮成 16

45、位操作碼就得到了 Thumb 指令集；在執(zhí)行時,16 位指令透明的實時解壓縮成為全32 位 ARM 指令且沒有性能缺失；雖然Thumb 指令是 16 位長度,但其操作寄存器中全部為 32 位值,而且數(shù)據(jù)拜訪和取指令使用的也是全 32 位地 址； Thumb指令集為 ARM 指令集的功能子集,可節(jié)約 30%-40% 以上的儲備空間,同時具備 32 位代碼的全部優(yōu)點；13 寄存器結構ARM 處理器共有 37 個處理器,被分為如干個組包括31 個通用寄存器和6 個狀態(tài)寄存器,均為 32 位；ARM920T 微處理器概述ARM920T 內核以 ARM9TDMI 為處理器核心,實現(xiàn)了MMU 內存治理單元

46、 、 AMBA 先進微掌握器總線體系結構 總線以及分開的16KB 指令 Cache 和 16KB 數(shù)據(jù)Cacha 內存治理單元 MMUARM920T 處理器核的頁面尋址方式基本上和 ARM720T 處理器核相同,支持 64KB 大頁, 4KB 小頁, 1KB 微小頁等頁面的變換和拜訪；由于 ARM920T 處理器采納了 分別式的指令 Cache 和數(shù)據(jù) Cache, 故也有相應的指令 Cache 結構I-MMU 和數(shù)據(jù) D-MMU ；ARM920T 處理器核采納分別式 Cache 結構,指令 cache 和數(shù)據(jù) Cache 都為 16KB ,采納分段 CAM RAM 的 64 路相聯(lián)映像方式,

47、每個 個字； Cache的剔除算法采納隨機法和循環(huán)法；寫緩沖器Cache 分為 8 段,每段 64 行,每 行 8ARM920T 處理器核的寫緩沖器可以緩沖 4 個地址和 16 個數(shù)據(jù)字；14 第四章 系統(tǒng)硬件及 GPS 模塊設計4.1 總體硬件設計方案整體電路框圖如圖 4-1 所示：圖 4d 系統(tǒng)總體砒件圖 |GPS 導航定位系統(tǒng)的設計可分為S3C2410 處理器和 GPS 模塊電路,其中GPS 模 塊將接收到的定位數(shù)據(jù)通過串口傳送給處理器,完成 4.1.1 系統(tǒng)硬件的挑選 在本硬件平臺上采納的處理器是三星公司的GPS 的導航定位功能；S3C2410A 儲備模塊采納 FLASH ,和SDRA

48、M 供應系統(tǒng)所需的內存,其中 FLASH 采納的是 K9F1208UDM ,SDRAM 采納的是三星公司的兩片 K4S561632C-TC75 芯片；電源采納 3.3V 和 1.8V 供電,系統(tǒng)處理 器芯片采納 1.8V 供電,儲備模塊采納 3.3V 供電；顯示模塊采納的是 PD064VT5, 它是一 種用非晶硅 TFT 作為開關器件的有源矩陣液晶顯示器；S3C2410 處理器ARM 處理器的選型需要綜合考慮多方面的內容包括ARM 處理器內核版本、 CPU 工作頻率、片內儲備器容量、片內外圍電路、成本以及技術支持等；針對所設計的GPS 定 位系統(tǒng)、 GPS 信號采集和信息處理顯示等任務,我們選

49、用三星公司的 S3C2410 處理器；S3C2410 處理器是一款基于 要是15 ARM920T 內核的 16/ 32 位 RISC 嵌入式微處理器 ,主面對手持設備以及高性價比、低功耗的應用；為降低系統(tǒng)成本,S3C2410 處理器內部集成了 SDRAM 內存掌握器、 NAND Flash 掌握器、 LCD 掌握器、等多種接口；以下是 S3C2410 的一些基本特性：RISC 體系結構,支持 32 位 ARM 指令集和 16 位的 Thumb 指令集；五級整數(shù)流水線 包括預取、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫入 ,指令執(zhí)行效率更高；全性能的 MMU,支持虛擬儲備系統(tǒng),可以穩(wěn)固運行 內部高級掌握總線 AMB

50、A 體系結構；支持從 NAND FLASH 儲備器啟動,帶有WinCE 以及 Linux 操作系 統(tǒng)；4KB 內部啟動引導緩沖區(qū)；它帶有 55 個中斷源 看門狗定時器 ,5 個定時器 , 9 個 UART,24 個外部中斷 ,4 個 DMA,2 個 RTC,2 個 ADC,1 個 I2C,2 個 SPI,2 個 USB, 一個 LCD 和一個電池治理 ;外部中 斷源的觸發(fā)模式可為電平觸發(fā)也可為邊沿觸發(fā)；對緊急中斷懇求支持FIQ 快速中斷懇求 LCD 掌握器支持 TFT, 支持“640X 480320240 ,160X160 等多種屏幕尺寸；三通道 UART 串口,可編程波特率,可基于 DMA

51、或中斷方式工作 ,四通道 PWM 定時器,I/O 口, 8 通道 10 位 ADC 和觸摸屏接口, USB 主設備, USB 從設備等；內核工作電壓 ：1.8V 最高 200MHZ,2.0V 最高 266MHZ,3 . 3V 儲備器工作電壓3V 外圍 I/O 工作電壓；4.2 系統(tǒng)硬件電路設計在系統(tǒng)的框架圖中, SDRAM K9F1208UDM 和 SDRAM K4S561632C都使用 3.3V 電源供電, FLASH 模塊的 WE ,ALE ,CLE ,CE ,RE ,RnB 制器相腳分別與 S3C2410A 的 FLASH 控連, 8 個 I/O 口分別與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線 DATA31:0

52、相連； SDRAM 模塊的nscs ,nsras ,nseas ,nWE ,LDQM , UDQM,SCKE ,SCLK 腳與 S3C2410 的儲備掌握器 相連,A0-A12,BA0,BA1 分別與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線的 ADDR26:0 相連； LCD 模塊的HSYNC,VSYNC,DENB,CLK 及數(shù)據(jù)位經(jīng)過電平轉換 j 分別與 LCD 掌握器相連,GPS 模塊引腳與 MAX232 相連后經(jīng)過電平轉換與系統(tǒng)的串口相連；如圖 4-2 所示：16 圖 4-2 系統(tǒng)硬件平臺接線圖17sr3-oHxNXz we npI.i H f魯1 3 3 $ . 2y；呼8 c 一 loau2li.rc*20M

53、KMby89 awE呻83NHAOW&SV2窩OOPCJWCV3y3 d.5 0 H . *5a .口P P R1 4I8338b .a8 o421 電源電路電源電路是整個系統(tǒng)工作的基礎,設計的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)固性；設計電源 應考慮的因素有：輸出的電壓、電流、功率；輸入的電壓、電流；安全因素；輸出 紋波：電池兼容和電磁干擾；體積限制；功率限制等；為了簡化系統(tǒng)電源電路的設計,要求整個系統(tǒng)的輸入電壓為高質量的 5V 直流穩(wěn)壓電源,輸入電壓經(jīng)轉換器可完成5V 到 3.3V 和 1.8V 的電壓轉換,如圖4-3,4-4 所 示：叫r r 9 TJ1圖 4-4 1.8V 電源電路4.2.2 串口電路

54、串行口是運算機一種常用的接口,具有連接線少,通訊簡潔,得到廣泛的使用 常18 用的串口是 RS-232-C 接口,它是在 1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng),調制解調器廠家及運算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準；RS-232-C 采納的標準接口是 9 芯或 26 芯的 D 型插頭,常用 9 芯 D 型插頭；要完 成最基本的串行通信功能,實際上只需要 RXD,TXD, 和 GND 就可以,但由于 RS- 232-C 標準所定義的高低電平規(guī)律與 S3C2410A 的異步串行接口不同,兩者之間通信必需 進行電平轉換,因此采納的器件是圖 4-5 電平轉換原理圖Flash 電

55、路MAX232CPE ,如圖 4-5 所示：FLASH 是一種非易失,可在系統(tǒng)內用電擦寫,掉電后信息不丟失的儲備器；它具 有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程、擦除等特點,并且 可由內部嵌入的算法完成對芯片的操作,在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應用；FLASH 在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要儲存的用戶數(shù)據(jù) 等；19 由于微掌握器需要儲備在非易失的儲備介質中以確保掉電后程序也不丟失,目前 用的比較多的是 FLASH ,FLASH 又有 NOR 和 NAND FLASHH 兩種,考慮到大容 量的 NOR FLASH 成本較高, S3C2410 支持

56、NAND FLASH 啟動方式,因此挑選 NAND FLASH 用于存 放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要儲存的用戶數(shù)據(jù)等；在此系統(tǒng)中我們使用 K9F1208UDM 作為 NAND FLASH 儲備器； K9F1208UDM 的儲備 容量為 64MB, 數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位,工作電壓為 2.7-3.6V ,采納 TSOP-48 封裝 ; 僅需要 3.3V電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作,圖 4-6 所示：圖 4-6 FLASH 儲備電路424 SDRAM 電路S3C2410 與 NAND FLASH 連接關系如SDRAM 具有容量大、存取速度快、低成本的特點,因而廣泛應用到微機處理

57、系 統(tǒng)中；SDRAM 主要用來存放執(zhí)行代碼和變量,是系統(tǒng)啟動之后主要進行存取操作的存 儲器；由于 SDRAM 需要定時刷新以保住儲備的數(shù)據(jù),因而要求微處理器具有刷新掌握邏 輯；20 了； 4.2.5 顯示電路 圖 4-7 SDRAM 儲備電路 K4S561632C 和 S3C2410 的連線原 理如圖4-7 所示32M ,工作電壓為 3.3V；兼容 LVTTL 接口, 16 位數(shù)據(jù)寬度； SDRAM 接口；目 前常用的 SDRAM 為 8 位/ 16 位數(shù)據(jù)寬度；本設計中采納兩片三星號不導通,為“ 0 時啟用； VCC 與 GND 分別接 5V 電源和地,這樣信號就從A 傳到 B 本 LCD

58、模塊采用的是 PD064VT5, 它是一種液晶顯示器；從 CPU 的 LCD 掌握器出來K4S561632C-TC75 芯片構建 32 位的 SDRAM 儲備系統(tǒng)；每片 K4S561632C 的存 儲容量為低電平常信號由“B 端輸入“A 端輸出；“E 為使能端,如該引腳為“ 1” A 端的信輸入輸出端口轉換用,DIR= “ 1 高電平常信號由“A 端輸入“B 端輸出, DIR= “ O” 信號和數(shù)據(jù)信號外,仍需要一個 22V 左右的工作電壓和上千伏的背 光電壓；引腳 DIR 為的信號線包括 24 根數(shù)據(jù)線和如干掌握線；對于 256 色 LCD 只需要其中低 8 位數(shù)據(jù)線即 S3C2410 及其

59、他一些 ARM 芯片在片內具有獨立的 便利的與可；這些信號線是經(jīng)過 到 LCD 模塊的, 8 位 LCD 模塊除了需要掌握21 SDRAM 刷新掌握規(guī)律,可以 74HC245 隔離后接GPS 模塊電路設計GPS 模塊挑選在本設計中挑選的 GPS 接收模塊為麗浪公司生產的 R36, 該模塊使用串口與開發(fā) 板進行通訊；由于該模塊使用 TTL 電平,為了將 GPS 模塊與板子的串口相連,需要 設計一個EIA 與 TTL 電平的轉換電路 ,同時仍要設計一個為 22 GPS 模塊供電的供電電路；它也適用于一個發(fā)送端,幾個接收端都能夠同時接收的回路；它使用的是異步的串行通訊,其串行通訊的參數(shù)如下：波特率：

60、 9600 數(shù)據(jù)位： 8bit 停止位： 1 奇偶校驗位：無 本系統(tǒng)采納 GPS R36 模塊,它已將天線集成在整個模塊中,它采納 SISR star chipset 芯片組；其定位精度小于 10m ,超高靈敏度達 -159dbm , 冷/暖/熱啟動時間 42/38/1 秒；內建鋰電池,便利快速定位,體積小巧,內建被動式天線；信號環(huán)GPS-R36 在窗口里面弱境下,衛(wèi)星仰角只有7 度,衛(wèi)星信號只有14 的信號強度都可以精確快速定位；GPS 模塊與主機的串口通信在此設計中采納的是RS-232-C 串口接口,它適合與數(shù)據(jù)傳輸速率在0-20220bit/s 范圍內的通信,它的電器特性為：在 TXD