GPS软件接收机信号实时接收与传输技术 - 通信/网络 - 电子

<strong>引言</strong>

近些年来，GPS全球定位系统在城市交通、导航、气象、土地测量测绘以及*现代化建设等各个领域都发挥了重要的作用。相较于传统的GPS接收机射频前端和信号处理部分由专用芯片来实现，软件接收机以FPGA、DSP等硬件平台作为基础，将GPS信号量化成数字信号，通过可移植的软件算法来实现各种功能。

在GPS软件接收机中，经射频前端(RF)将高频卫星信号3级下变频至中频信号，再交由DSP进行基带算法和导航解算处理。接收机对信号接收和传输的连续性和实时性要求很高。TI公司C67系列的DSP具有丰富的外设，其中增强型直接存储器访问(EDMA)和多通道缓冲串口(MCBSP)是其无需CPU的参与就能够完成GPS卫星数据实时传输的重要环节。

<strong>1 信号接收及传输方案</strong>

本系统采用TMS320C6713 DSP作为系统的核心处理器。射频前端选用ZARLINK公司的GP2015芯片完成信号的相关滤波、下变频以及A／D采样。在GP2015和DSP之间采用1片FPGA芯片EPlC3T144C8N进行相关的逻辑控制，如图1所示。接收机天线接收端的卫星信号功率约为2．7×10-6w，信噪比较低，必须先经过由有源天线和射频滤波器组成的前置滤波器模块，对频率为1 575．42 MH2的L1波段信号进行滤波，去除噪声及其他干扰。射频前端芯片选用ZARLINK公司的GP2015，一款针对GPS接收机的主流芯片。芯片本身使用温补晶振，通过1．4 GHz的PLL环路，产生3路本地载波信号对天线接收的高频信号实现3级变频：1 575．42 MHz→175．42 MHz→35．42 MHz→4．309 MHz，最后对4．309 MHz的模拟信号用5．714MHz的采样频率进行A／D转换得到SIGN、MAG两路信号，其中心频率落在1．405 MHz上。DSP使用MCBSP接收2路信号，再通过EI)MA从MCBSP的接收寄存器中取得数据，转存至指定外部存储器，以供CPU调用处理。


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<strong>2 DSP 硬件设备设置</strong>

2．1 MCBSP设置

TMS320C6713提供2个MCBSP端口，可以与工业标准的编／解码器、 AICS(模拟接口芯片)以及其他串行A／D、D／A接口实现全双工串行通信。MCBSP提供了双缓存的发送寄存器和三缓存的接收寄存器，允许连续的数据流传输。

MCBSP通过7个引脚(DX、DR、CLKX、CLKR、FSX、FSR和CLKS)与外设接口。在接收GPS信号的时候，DR引脚上接收到的数据首先进入接收转移寄存器(RSR)，然后被复制到接收缓冲寄存器(RBR)，RBR再将数据复制到数据接收寄存器(DRR)中，等待EDMA控制器读取。GPS软件接收机不需要向前端发送数据，所以发送功能不作介绍。信号传输的操作由串行口控制寄存器SPCR和引脚控制寄存器PCR来决定。接收控制寄存器RCR设置接收的各种参数，如帧长度等。

信号在MCBSP中传输时需要提供同步时钟以及帧同步信号，它们既可以由内部采样速率产生器。产生，也可以由外部脉冲源驱动。在本文介绍的方案中，射频前端的SIGN和MAG信号的时钟CLK由FPGA提供。GP2015的LVDS接口产生差分信号，与同样具有LVDS接口的ALT。ERA公司的FPGA芯片 EPlC3T144C8N接口，由FPGA通过对输入的40 MHz的差分信号进行7分频，得到5．714 MHz的时钟并提供给GP2015及DSP分别用作中频采样时钟信号和MCBSP的外部时钟信号。同时再对5．714 MHz信号进行一次32分频，提供给DSP处理器的McBSP0、MCBSP1用作帧同步信号。系统接口的示意图和相关信号的时序图如图2、图3所示。


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2．2 EDMA设置

TMS320C6713的EDMA控制器提供16个增强通道，各通道之间彼此独立。在没有CPU参与的情况下，EDMA控制器可以在后台完成片内存储器和外设之间的数据搬移。它由以下几部分组成：事件和中断处理寄存器、事件编码器、参数 RAM、地址硬件发生器。其中事件寄存器完成对EDMA事件的捕获控制，事件产生同步信号触发EDMA通道开始数据传输；EDMA的参数RAM存放有与事件相关的传输参数；地址硬件发生器产生EMIF与外设之间读／写操作所需的地址信号。EDMA的16个通道共享1个中断信号EDMA_INT，当EDMA 完成1次传输任务，可触发EDMA中断。TMS320C6713的EDMA的参数RAM包括6个字，其结构如图4所示。在OPT中，用户可以通过对各个位置“0”或“1”来设置事件优先级别、数据单元大小、源地址／目的地址变更模式、传输结束代码、是否使能链接(1inking)功能、同步传输方式等。


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<strong>3 乒乓缓存实时传输</strong>

3．1 传输分析

GPS软件接收机通过MCBSP端口接收信号，将卫星数据保存在指定映射的存储器中，随后EDMA通道搬运数据至片内L2缓存以供CPU提取并处理。L2缓存有CPU一半的时钟速度，CPU处理数据速度较块。CPU数据处理必须与EDMA数据传输保持同步，也就是要保证在CPU访问之前EDMA 把数据传输到缓冲区中。但是受片内二级存储器容量和数据实时性的限制，会面临这样一个问题：后写入缓冲区的数据可能会覆盖先期写入但尚未处理的数据。为此，需要在L2缓存开辟2对乒乓缓存(ping-pong buffer)，分别接收GPS的SIGN和MAG信号，并利用EDMA的多组参数链接功能，根据数据实时传输的特点，对EDMA参数RAM进行设置。

以接收SIGN信号为例，首先开辟1个EDMA通道1，它的触发事件设为MCBSP0的传输。入口参数0PT设置为一维单帧传输，采用读／写同步方式，数据单元长度为32位，源地址固定不变，目的地址按1个数据单元长度递增，并使能链接功能。SRC设为MCBSP中DRR2的映射地址，：DST 设为ping—buffer的首地址，ELECNT设为缓冲区的大小，FRMCNT、FRMIDX、ELEIDX、ELERLD均设为0。随后再开辟2路空闲的EDMA通道——通道2和通道3，它的设置和之前相同，只是在DST目的地址处分别指向pong—buffer和ping—buffer。随后将 EDMA通道1的链接地址link指向通道2，通道2的link地址指向通道3，通道3的链接地址指向通道2。MAG信号的EDMA链接功能和乒乓缓冲的配合设置相同，不再描述。乒乓缓存的相关设置如图5所示。


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3．2 程序设置

利用EDMA和MCBSP实时传输GPS信号的程序在CCS3．3环境下进行编写和调试，结果证明数据传输正确无误。以下程序简要说明了GPS 软件接收机的软件传输配置。


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<strong>结语</strong>

本文在基于GP2015和TMS320C6713的基础上，提出了一种软件接收机的大致方案，并且利用MCBSP和EDMA实现了对 GPS卫星信号的实时接收和传输。文章重点介绍了DSP硬件设备的有关参数设置，以及乒乓缓存的使用方法，并给出部分程序以供参考。

参考文献

1. TI TMS320C6713 TMS320C6713B floating point digital signal processors 2008
2. 江思敏.刘畅 TMS320C6000 DSP应用开发教程 2005
3. TI Applications using the TMS320C6000 enhanced DMA 2008
4. TI TMS320C 6000 Chip Support Library API Reference Guide 2004
5. TI TMS320C6000 DSP Multi-channel Buffered Serial Port (MCBSP)Reference Guide 2004
6. 李方慧.王飞 TMS320C6000 系列DSPs原理与应用 2003
7. 田黎育.何佩琨 TMS320C6000 系列DSP编程工具与指南 2006

来源：单片机与嵌入式系统应用 作者：南京邮电大学 王浩为 陈小惠 2009（5）