李小龙
上海华测导航技术股份有限公司
摘要：随着北斗卫星导航系统的正式服务，卫星导航系统开始广泛应用于各行各业，GNSS接收机也在不断适应各行各业的应用需求，朝着智能化、功能丰富的方向发展。ARM处理器在嵌入式设备中应用尤为广泛，Linux系统则可以提供丰富的应用功能开发。为了满足更多的人机交互和运算，可采用ARM完成GNSS接收机底层硬件平台设计，利用Linux实现GNSS接收机丰富的功能。
关键词：GNSS接收机 智能 ARM Linux
随着北斗卫星导航系统的正式服务，卫星导航系统开始广泛应用于各行各业，GNSS接收机正在不同领域发挥着至关重要的作用，例如监测、导航、测绘等方面。近年来，嵌入式技术发展迅速，ARM处理器具有很强的性能，在功耗、成本方面优势尤为突出，成为很多工业、消费产品的首选；Linux是支持多任务、多进程，安全，稳定，免费的操作系统，可以基于Linux开发丰富的应用功能，实现诸多类似人机交互、功能复杂的应用需求。本文立足GNSS智能接收机，设计一种基于ARM的硬件平台，以及基于Linux的应用软件。
1 总体硬件设计方案
GNSS智能接收机主要由ARM处理器、GNSS板卡、液晶屏、按键、以太网模块、WIFI模块组成。本次设计采用的ARM处理器是Freescale ARM9产品系列的i.mx287工业级处理器，带有16KB缓存的454MHz内核，处理器性能强大，可以实现复杂应用，同时支持10/100M以太网，有UART、SPI、I2C等诸多总线接口，可以连接丰富外设，工作温度-40到85℃，满足工业级要求。GNSS板卡采用NovAtel公司的OEM729板卡，拥有555个动态通道，能够跟踪BDS+GPS+GLONASS+Galileo的多频卫星信号，具有50Hz的数据更新率，动态厘米级，静态毫米级的定位精度。
硬件框图如下：
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（1）GNSS板卡向射频天线提供3.3v的馈电，并实时处理射频天线接收的GNSS信号，计算出当前的位置、速度等信息。
（2）ARM处理器主要负责整个系统的应用处理，包括用户端的设置、查询等操作以及GNSS数据的处理。
（3）WiFi模块主要负责人机交互，支持WiFi AP功能和WiFi Client功能，用户可通过手机或者PC登陆GNSS智能接收机的Web网页进行查询、设置等功能。
（4）液晶屏提供一个直观的信息展示，用户通过液晶屏可以直观的看到GNSS接收机的相关信息，如当前定位坐标、定位状态、以太网地址等信息。
（5）以太网模块用来保障数据可以通过网络进行传输，也包括接收机的远距离查询和设置。
（6）按键用来设置GNSS接收机开启或关闭以及调整IP地址。
（7）GNSS智能接收机采用外接电源的方案，支持9.5 V DC至28V DC输入。
2 总体软件设计方案
嵌入式系统采用的是Linux 2.6.24内核，编写了GPIO、UART、I2C、Ethernet驱动，各单元分别通过不同的接口和处理器之间进行通讯，如按键通过GPIO和处理器进行通讯，WiFi、GNSS板卡通过串口和处理器进行通讯，液晶屏通过I2C、以太网模块通过Ethernet和处理器进行通讯。
整个软件系统架构如下图所示：
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整个软件系统架构分为三层，最下层为内核空间层，主要是内核的一些功能，为硬件接口的虚拟子系统，例如GPIO子系统、I2C子系统、网络设备子系统等；第二层为中间件层，主要是内核与应用的中间通道，是应用调用底层设备的接口，封装了WiFi、Key、GNSS、NET、LCD等接口，采用封装有利于应用的开发；最上层为应用层，一共分为6个单元，分别为中央处理单元、GNSS数据单元、网络通讯单元、液晶控制单元、按键控制单元、Web服务。
中央处理单元是所有进程的总控制进程，GNSS数据单元负责控制GNSS板卡并对GNSS板卡数据进行处理，网络通讯单元负责以太网的控制和数据传输，液晶控制单元负责液晶屏内容的显示，按键控制单元负责按键信息的传入，Web服务负责用户手机/PC浏览器通过WiFi连接GNSS接收机的数据请求。
整体的软件设计架构遵循模块化的设计思想，每个模块以单独的进程对外提供服务，各个模块进程之间通过共享内存进行通信，共享内存上被认为划分成一个个的队列成员，由两组链表分别管理未使用和使用中的队列成员。每个进程内部通过任务调度的方式顺序执行，其中包含两个必备任务：main_task和outtime_task。其中main_task负责读取通信对端模块的请求/回复消息，从而调用对应的回调函数，完成业务功能；outtime_task负责比较outtim_task任务两次调度的时间差，并处理时间差内的超时事件，超时事件处理完成后，更新时间轮拨码指针，等待下一次调度，从而实现进程内部的定时器管理功能。
3 结论
本文设计的GNSS智能接收机，具备：显示GNSS接收机当前位置信息、星空图，设置/显示接收机IP，网络传输GNSS数据，账号管理等功能，系统启动时间小于10s，设置信息响应时间小于1s，用户界面友好，系统运行稳定。