GPS接收机硬件电路设计—电路图天天读（280） - 全文

　　GPS由空间卫星星座地面监控系统和用户接受设备3部分组成。作为一种实时定位测速授时的导航系统，其在定位精度和观测时间上面的优势使其成为该领域的首选。

　　硬件电路设计

　　现有的GPS接收机基本构成方框图如图1所示。

　　本系统的信号接收机硬件主要包括4个功能单元：天线单元、射频单元、相关器单元、微控制器单元。基于现有架构，结合各功能模块的发展现状，设计出一款弹载GPS接收机，以期实现实时定位、测速和授时。

　　相关核心模块选型如下：

　　Zarlink公司生产的GP2015作为接收机的射频前端，实现对信号的下变频处理，GP2021芯片作为C/A 码基带相关器，对中频数字信号进行解调和解扩，得到导航电文；TI公司的浮点型数字处理器TMS320C6747，对接收机自检、测定、搜捕卫星信号，进行相关计算。

　　天线单元

　　天线单元主要由天线、滤波器和前置放大器组成，该单元电路图如图2所示 。天线的作用是将卫星信号极微弱的电磁波能转化为相应的电流。滤波器用于抑制带外的干扰信号。而前置放大器则是将信号电流予以放大，有时还兼有变频作用。

　　射频单元

　　该单元电路核心芯片采用ZARLINK公司推出的GPS射频前端芯片GP2015 。它具有低功耗、低成本和高可靠性等特性，采用TQFP封装，封装尺寸小，工作电源电压为3~5 V ，当芯片工作在3V电压下，其功耗为200 mW。

　　GPS Ll信号通过天线、预选频滤波器和低噪声放大器后输入到GP2015 ，GP2015将该射频信号与不同频率的本振信号经三级下变频到中频 （IF）， 在GP2021提供的5.714 MHz的采样频率下，将中频信号变换成频率为1.405 MHz的2位TTL电平输出。所以，该单元的设计任务主要有两个：晶体振荡器设计和滤波电路设计。

　　GPS接收机定位精度、信号的准确性和稳定性，以及信号的一致性要求较高，从而对标准基准时钟稳定性提出了较高的要求。本系统采用高精度温补型晶体振荡器TCXO，该晶体振荡器与外部匹配电路共同工作，产生稳定的10.000 MHz的基准时钟信号，在25 标准温度下，其调整频差为士1ppm， 负载电容为15pF。 在电源与GND之间串接10uF和100 nF电容，以有效滤除电源杂波。晶体振荡匹配电路原理图如图3所示。

 

　　GP2015的滤波电路设计分为三级：第一级，设计为二阶的切比雪夫滤波器，性能指标为中心频率175.42 MHz ，带宽为2MHz如图4所示 ：第二级，滤波器采用Mitel 公司的声表面滤波器DW9255，中心频率为35.4 MHz， 带宽为2MHz（如图5所示），第三级，属于GP2015片内滤波，它的作用是滤除进入A/D 转换器的噪声和干扰信号。

　　相关器单元

　　对于与GP2015的组合匹配电路，GP2021接收来自GP2015的40MHz的差分时钟信号、MAGO、SIGO 、PLLRDY和PRESET信号。将GP2015和GP2021的差分时钟引脚直接相连；MAGO、SIGO及CLK采用串联端接电阻，减少信号的反射。设计GP2015与GP2021接口电路原理图如图6所示。

　　微控制器单元

　　选用TMS320C6747对GP2021进行读操作和写操作，获取导航数据及控制GP2021的信号捕获和跟踪过程。GP2021提供了多种标准接口方式与C6747进行通信，包括ARM6、Motorola、 Intel486 、Intel80186的接口，接口的配置取决于GP2021片上标号为NARMSYS，WRPROG及NINTELMOT的引脚高低电平的组合逻辑，如表1所示。

　　可以将GP2021等价为异步随机存储器，采用C6747的外部存储器接口EMIFA与GP2021进行匹配。C6747的EMIFA接口包含3根控制线，13根地址线，16根数据线。将EMIFA的片选EMA_CS ［3］与NCS相连，它的地址空间为0x62000000-0x63FFFFFF。EMIFA中其他的引脚就按功能进行相连。由于GP2021与C6747的地址总线、数据总线和控制总线的引脚都支持LVTTL，所以无需电平转换就可直接相连，不会出现逻辑错误。通过设置C6747中EMIFA接口片选信号EMA_CS的READ_SETUP、READ_STROBE、READ_HOLD、WRITE_SETUP、WRITE_STROBE、TA、WRITE_HOLD的时间就可以实现与GP2021数据传输。

　　另外GP2021中ACCUM_INT引脚输出一个间隔505.05us的信号，保证GP2021与C6747之间的接口正常传输。C6747内增强型的TIMER定时器具有通过TIMER外部时钟输入引脚捕获外部输入事件的功能。由此将TIMER的时钟输入引脚直接与ACCUM_INT相连。所以C6747与GP2021接口电路如图7所示。

　　编辑点评：本设计经过单片机控制超声波谐振电路的频率和负载功率，结合GPS接收机硬件和软件进行了导航电文译码测试，成功地实现了对GPS卫星的捕获和跟踪。以GP2015、GP2021芯片组为核心架构，以C6747为相关计算处理器的GPS硬件电路设计，充分考虑了低功耗、高性能及小封装的弹载环境要求；以常用信号捕获算法为基础，给出了GPS定位软件的核心流程框图。