GPS由空間衛(wèi)星星座地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶接受設備3部分組成。作為一種實時定位測速授時的導航系統(tǒng)，其在定位精度和觀測時間上面的優(yōu)勢使其成為該領域的首選。
硬件電路設計
現(xiàn)有的GPS接收機基本構成方框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)的信號接收機硬件主要包括4個功能單元：天線單元、射頻單元、相關器單元、微控制器單元。基于現(xiàn)有架構，結合各功能模塊的發(fā)展現(xiàn)狀，設計出一款彈載GPS接收機，以期實現(xiàn)實時定位、測速和授時。
相關核心模塊選型如下：
Zarlink公司生產的GP2015作為接收機的射頻前端，實現(xiàn)對信號的下變頻處理，GP2021芯片作為C/A 碼基帶相關器，對中頻數字信號進行解調和解擴，得到導航電文；TI公司的浮點型數字處理器TMS320C6747，對接收機自檢、測定、搜捕衛(wèi)星信號，進行相關計算。
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)星信號極微弱的電磁波能轉化為相應的電流。濾波器用于抑制帶外的干擾信號。而前置放大器則是將信號電流予以放大，有時還兼有變頻作用。
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 ，當芯片工作在3V電壓下，其功耗為200 mW。
GPS Ll信號通過天線、預選頻濾波器和低噪聲放大器后輸入到GP2015 ，GP2015將該射頻信號與不同頻率的本振信號經三級下變頻到中頻 （IF）， 在GP2021提供的5.714 MHz的采樣頻率下，將中頻信號變換成頻率為1.405 MHz的2位TTL電平輸出。所以，該單元的設計任務主要有兩個：晶體振蕩器設計和濾波電路設計。
GPS接收機定位精度、信號的準確性和穩(wěn)定性，以及信號的一致性要求較高，從而對標準基準時鐘穩(wěn)定性提出了較高的要求。本系統(tǒng)采用高精度溫補型晶體振蕩器TCXO，該晶體振蕩器與外部匹配電路共同工作，產生穩(wěn)定的10.000 MHz的基準時鐘信號，在25 標準溫度下，其調整頻差為士1ppm， 負載電容為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。
GP2015的濾波電路設計分為三級：第一級，設計為二階的切比雪夫濾波器，性能指標為中心頻率175.42 MHz ，帶寬為2MHz如圖4所示 ：第二級，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，屬于GP2015片內濾波，它的作用是濾除進入A/D 轉換器的噪聲和干擾信號。
相關器單元
對于與GP2015的組合匹配電路，GP2021接收來自GP2015的40MHz的差分時鐘信號、MAGO、SIGO 、PLLRDY和PRESET信號。將GP2015和GP2021的差分時鐘引腳直接相連；MAGO、SIGO及CLK采用串聯(lián)端接電阻，減少信號的反射。設計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GP2021進行讀操作和寫操作，獲取導航數據及控制GP2021的信號捕獲和跟蹤過程。GP2021提供了多種標準接口方式與C6747進行通信，包括ARM6、Motorola、 Intel486 、Intel80186的接口，接口的配置取決于GP2021片上標號為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等價為異步隨機存儲器，采用C6747的外部存儲器接口EMIFA與GP2021進行匹配。C6747的EMIFA接口包含3根控制線，13根地址線，16根數據線。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行相連。由于GP2021與C6747的地址總線、數據總線和控制總線的引腳都支持LVTTL，所以無需電平轉換就可直接相連，不會出現(xiàn)邏輯錯誤。通過設置C6747中EMIFA接口片選信號EMA_CS的READ_SETUP、READ_STROBE、READ_HOLD、WRITE_SETUP、WRITE_STROBE、TA、WRITE_HOLD的時間就可以實現(xiàn)與GP2021數據傳輸。
另外GP2021中ACCUM_INT引腳輸出一個間隔505.05us的信號，保證GP2021與C6747之間的接口正常傳輸。C6747內增強型的TIMER定時器具有通過TIMER外部時鐘輸入引腳捕獲外部輸入事件的功能。由此將TIMER的時鐘輸入引腳直接與ACCUM_INT相連。所以C6747與GP2021接口電路如圖7所示。
編輯點評：本設計經過單片機控制超聲波諧振電路的頻率和負載功率，結合GPS接收機硬件和軟件進行了導航電文譯碼測試，成功地實現(xiàn)了對GPS衛(wèi)星的捕獲和跟蹤。以GP2015、GP2021芯片組為核心架構，以C6747為相關計算處理器的GPS硬件電路設計，充分考慮了低功耗、高性能及小封裝的彈載環(huán)境要求；以常用信號捕獲算法為基礎，給出了GPS定位軟件的核心流程框圖。
