基于獨立DSP平臺的實時衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的設(shè)計

目前，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，中國、歐盟和日本等國都在積極發(fā)展自己獨立的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。自1980年第一臺商品GPS信號接收機(jī)問世以來，GPS信號接收機(jī)不斷更新?lián)Q代，目前的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)主要由專用集成芯片（ASIC）搭建而成，擁有集成度高、速度快的優(yōu)點。但隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)代化的開展，在軌飛行的導(dǎo)航衛(wèi)星日漸增多，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用趨于多樣化，固定的硬件結(jié)構(gòu)難以完成快速系統(tǒng)更新，暴露出硬件接收靈活度低、升級昂貴的弱點。而軟件接收機(jī)通常是通過下變頻芯片將衛(wèi)星導(dǎo)航信號降到較低的中頻，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行數(shù)字化，接收機(jī)的捕獲、跟蹤、定位等功能則由軟件在通用的信號處理平臺上實現(xiàn)，易于在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行性能升級和功能擴(kuò)展。
　　從目前研究現(xiàn)狀來看，軟件接收機(jī)的實現(xiàn)大多基于PC機(jī)或FPGA/DSP組合平臺[1]。而FPGA平臺雖然是一個可編程的平臺，但其靈活性和擴(kuò)展性與純軟件相比仍然有所欠缺，而DSP通常在此平臺中僅實現(xiàn)定位解算功能。因此，實現(xiàn)基于獨立DSP平臺的通用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)是一項十分有意義的工作，可以極大程度地擴(kuò)展軟件接收機(jī)的靈活性。本文主要探討基于獨立DSP的軟件接收機(jī)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，討論如何在現(xiàn)有DSP平臺上提供多星座衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)支持，同時分析系統(tǒng)自舉引導(dǎo)功能的實現(xiàn)和基于DSP/BIOS操作系統(tǒng)的軟件接收機(jī)任務(wù)調(diào)度管理。
1 接收機(jī)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　GNSS軟件接收機(jī)平臺采用模塊化設(shè)計，可以分為中頻數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、結(jié)果輸出模塊和電源及復(fù)位模塊。本文所設(shè)計的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)硬件系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　基本的工作原理：由射頻前端GP2015對天線接收的信號進(jìn)行下變頻，輸出模擬中頻信號，ADC對中頻信號進(jìn)行采樣和量化，然后傳輸?shù)絋MS320C6416 DSP進(jìn)行相關(guān)的運算處理，完成衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤和定位解算等功能，最后將解算的結(jié)果通過輸出模塊傳送到顯示終端顯示定位結(jié)果及相關(guān)信息。
1.1?TMS320C6416簡介
　　TMS320C6416是TI公司推出的高性能定點DSP[2]，其時鐘頻率可達(dá)1 GHz，最高處理能力為8 000 MIPS，軟件與C62X完全兼容，采用先進(jìn)的甚長指令結(jié)構(gòu)(VLIW)的DSP內(nèi)核有6個ALU(32/40 bit)，每個時鐘周期可以執(zhí)行8條指令，所有指令都可以條件執(zhí)行。該DSP采用二級緩存結(jié)構(gòu)，一級緩存(L1)由128 Kbit的程序緩存和128 Kbit的數(shù)據(jù)緩存組成，二級緩存（L2）為8 Mbit，有2個擴(kuò)展存儲器接口(EMIF)，1個為64 bit(EMIFA)，1個為16 bit(EMIFB)，可以提供64條獨立的DMA通道[3]。
　　本系統(tǒng)使用50 MHz有源晶振作為DSP的外部輸入時鐘,內(nèi)部鎖相環(huán)使用×20模式（CLKMODE1=1，CLKMODE0=0），系統(tǒng)的主頻為1 GHz。
1.2?多星座數(shù)據(jù)采集模塊
　　為了使軟件接收機(jī)能夠支持多衛(wèi)星導(dǎo)航星座的中頻數(shù)據(jù)采集與處理功能，本系統(tǒng)同時提供了模擬中頻采集接口和數(shù)字中頻采集接口,2個接口可以同時使用，也可以任選其一，從而使系統(tǒng)具備較高的軟件可擴(kuò)展性。多星座中頻數(shù)據(jù)采集模塊的原理框圖如圖2所示。

　　在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用ADI公司的高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9283實現(xiàn)模擬中頻信號到數(shù)字中頻信號的轉(zhuǎn)化。由于接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號能量比噪聲信號能量低約為20 dB，因此量化位數(shù)的高低對檢測衛(wèi)星導(dǎo)航信號的影響是有限的，若采用高位數(shù)量化會增加數(shù)據(jù)運算量和系統(tǒng)的復(fù)雜度，通常的商用接收機(jī)大多采用1 bit或2 bit量化。本設(shè)計中量化位數(shù)為1 bit和2 bit可選配置。經(jīng)過ADC數(shù)字化的中頻信號送到DSP的McBSP0和McBSP2端口，并隨后觸發(fā)EDMA事件,完成數(shù)據(jù)拷貝和緩存[4]。與此同時,采樣時鐘作為McBSP口的外部時鐘同步輸入信號，將8 bit同步減法計數(shù)器74HC40103D設(shè)計成32進(jìn)制計數(shù)器對采樣時鐘進(jìn)行分頻來產(chǎn)生幀同步信號，實現(xiàn)串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。為避免因負(fù)載過多時鐘驅(qū)動能力不足，采用了可配置時鐘驅(qū)動芯片CY2308作為時鐘驅(qū)動。圖3所示為多星座數(shù)據(jù)采集的硬件連接原理圖。

　　為避免數(shù)據(jù)丟失，采用乒乓緩存的方法緩沖采集到的數(shù)據(jù)流,在DSP的片上內(nèi)存為每個McBSP通道開設(shè)乒緩沖區(qū)和乓緩沖區(qū)。以12 MHz、1 bit采樣為例，在片上內(nèi)存開辟2個30 KB的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，即每個緩沖區(qū)能夠存放20 ms的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行后，EDMA控制器先將McBSP0采集到的數(shù)據(jù)寫入乒緩沖區(qū)，20 ms后乒緩沖區(qū)滿，EDMA控制器向CPU發(fā)出中斷請求，對緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理。同時，EDMA向乓緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，這樣通過不斷的乒乓切換完成數(shù)據(jù)的緩沖存儲。
1.3?查找表數(shù)據(jù)存儲管理
　　在捕獲、跟蹤中需要用到大量查找表，為了降低接收機(jī)的啟動時間，直接把這些數(shù)據(jù)表格作為固件燒入到Flash中，而不用每次都由DSP通過程序重新生成。所有查找表需要約15 MB的空間，為了降低存儲空間，使用LZW無損壓縮算法進(jìn)行壓縮至約2 MB。系統(tǒng)初始化時,DSP先讀取Flash中的數(shù)據(jù)表格，然后執(zhí)行解壓程序?qū)ζ浣鈮?，并存于片外?a target="_blank">SDRAM中提供給接收機(jī)做運算時調(diào)用。
　　本設(shè)計中使用了2片4 MB×32位的SDRAM芯片MT48LC4M32并聯(lián)連接到DSP的EMIFA口，把程序運行過程中對實時性要求較低的數(shù)據(jù)段和查找表分配到SDRAM中。總線運行在166 MHz的高速狀態(tài)，由專用的可配置的時鐘芯片ICS525對50 MHz的時鐘倍頻產(chǎn)生。
1.4?定位結(jié)果輸出模塊
　　衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)需要周期性地輸出定位結(jié)果以及其他相關(guān)信息，通常輸出速率為1 Hz~5 Hz，DSP的串行接口McBSP即可滿足要求。為了能夠?qū)⒔Y(jié)果在顯示設(shè)備上顯示，數(shù)據(jù)的輸出需要兼容NMEA0183協(xié)議，因此需要將McBSP口擴(kuò)展成符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的異步串行接口。
　　將DSP的McBSP端口的工作模式設(shè)為SPI模式作為主設(shè)備，直接與MAX3111進(jìn)行連接，DSP通過執(zhí)行相關(guān)的指令，設(shè)置MAX3111的相關(guān)控制字，完成波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗等的設(shè)定，然后向MAX3111輸出有效信息，利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)UART到RS-232格式及電平的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)DSP與RS-232設(shè)備進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸。
2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1多星座接收機(jī)軟件設(shè)計
　　在多星座軟件接收機(jī)中，對于來自多個不同星座的中頻數(shù)據(jù)的一部分軟件處理模塊可能是相同的。例如，對于GPS導(dǎo)航接收機(jī)和Galileo導(dǎo)航接收機(jī)可以采用共同的定位模塊。與單星座的軟件接收機(jī)相比，多星座的軟件接收機(jī)可能會有多個EDMA/McBSP的中斷處理程序和信號跟蹤處理模塊。因此，在針對多星座接收機(jī)的軟件設(shè)計中，對這些模塊的處理需要額外進(jìn)行。軟件接收機(jī)的結(jié)果輸出如圖4所示。

2.2?自舉引導(dǎo)功能的實現(xiàn)
　　為了保證接收機(jī)能夠脫離主機(jī)獨立工作，本設(shè)計采用ROM自舉加載模式，接收機(jī)程序作為固件存儲在外部的非易失存儲器Flash中，DSP復(fù)位后，先把外部存儲的程序加載到片上高速內(nèi)存中，然后順序執(zhí)行片上RAM中的程序。由于C64x只自動復(fù)制1 KB到片上內(nèi)存，而接收機(jī)的程序遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個數(shù)量，所以需要采用二級程序加載的方法。二級程序加載按照如下方式進(jìn)行：
　　編寫二次引導(dǎo)程序代碼，然后燒寫到Flash中。系統(tǒng)復(fù)位后，DSP將通過EDMA控制器按照默認(rèn)的時序自動二次引導(dǎo)代碼加載到片上內(nèi)存的首地址中，傳輸完成后CPU從首地址開始執(zhí)行這段二次引導(dǎo)程序。二次引導(dǎo)代碼首先配置EMIFB的相關(guān)寄存器,使其工作在16 bit總線時序下，然后將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)相關(guān)程序加載到CPU的片上指定空間。當(dāng)二次引導(dǎo)程序執(zhí)行完畢后自動跳轉(zhuǎn)到主程序的入口處，開始執(zhí)行軟件接收機(jī)的相關(guān)程序。
　　值得注意的是本設(shè)計中Flash采用16 bit數(shù)據(jù)線，所以EMIFB的地址線的最低位BEA1沒有連接到Flash芯片地址線的最低位A-1，而C64x在ROM加載模式下是使用默認(rèn)時序8 bit加載，即在自加載情況下EMIFB不能訪問本設(shè)計中Flash的奇地址。為了保證自加載成功，需要對二次引導(dǎo)程序生成的二進(jìn)制（.bin）文件進(jìn)行修改，將有效數(shù)據(jù)存放在偶地址單元，在奇地址單元填充任意數(shù)據(jù)。圖5所示為16 bit Flash與DSP的連接及自舉示意圖。

2.3?接收機(jī)任務(wù)調(diào)度設(shè)計
　　軟件接收機(jī)程序是在CCS3.1開發(fā)環(huán)境下用C語言開發(fā)移植完成的。由于DSP平臺資源有限，為了滿足實時性，TI公司的DSP/BIOS操作系統(tǒng)將應(yīng)用程序按線程結(jié)構(gòu)化設(shè)計，每個線程完成1個模塊化的功能，并允許高優(yōu)先級線程搶占低優(yōu)先級線程以及線程間的同步和通信[5]。把接收機(jī)的跟蹤、捕獲、定位等功能模塊設(shè)置成相互獨立的線程，線程之間的切換通過硬件中斷或軟件中斷來實現(xiàn)，并根據(jù)實時性要求為各個線程分配優(yōu)先級，其中跟蹤優(yōu)先級最高，捕獲優(yōu)先級最低，定位線程通過周期(PRD)函數(shù)來實現(xiàn)，優(yōu)先級介于跟蹤和捕獲之間。軟件接收機(jī)各個線程的功能以及它們之間的關(guān)系如下：
　　(1) 數(shù)據(jù)采集硬件中斷
　　EDMA觸發(fā)的硬件中斷具有最高優(yōu)先級。該中斷由McBSP端口產(chǎn)生，并通過EDMA中斷觸發(fā)，每20 ms中斷1次。中斷響應(yīng)程序中主要完成乒乓緩沖區(qū)的切換和數(shù)據(jù)拷貝工作。中斷處理完成后，會立刻觸發(fā)跟蹤軟中斷，以保證及時完成衛(wèi)星信號的跟蹤。
　　(2) 信號處理軟中斷
　　跟蹤線程軟中斷處理程序如果發(fā)現(xiàn)有需要跟蹤的導(dǎo)航衛(wèi)星，則對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤運算。跟蹤線程結(jié)束后，會根據(jù)當(dāng)前DSP處理器占用情況分時隙調(diào)用捕獲軟中斷。跟蹤線程具有最高的軟中斷優(yōu)先級。該中斷執(zhí)行時間與同時跟蹤的衛(wèi)星數(shù)量有關(guān)。
　　捕獲線程中斷處理程序可被所有其他線程搶占，當(dāng)所有高優(yōu)先級的線程執(zhí)行完畢后，捕獲才能繼續(xù)執(zhí)行。捕獲線程對緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲處理，將已捕獲的衛(wèi)星信息告知系統(tǒng)，以在下一次硬件中斷后對其進(jìn)行跟蹤，在DSP平臺的平均執(zhí)行時間為50 ms。
　　(3) 定位線程周期中斷
　　定位周期線程執(zhí)行1次定位解算任務(wù)，并將定位結(jié)果寫入專門開辟的緩沖區(qū)中，隨后EDMA控制器會自動將結(jié)果通過McBSP1端口傳輸?shù)斤@示設(shè)備。該中斷的優(yōu)先級高于捕獲線程，但低于跟蹤線程，在DSP平臺的平均執(zhí)行時間為3 ms。
　　圖6所示為軟件接收機(jī)各線程之間的調(diào)度流程框圖。

3 實驗結(jié)果
　　在實驗中，將接收機(jī)平臺設(shè)置為12 MHz，1 bit采樣，通過射頻前端與GPS天線相連，實時接收GPS衛(wèi)星信號，利用RTDX技術(shù)通過JTAG口將結(jié)果傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行顯示。根據(jù)對各線程運算量的分析和實驗驗證可知,基于獨立DSP的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)平臺可以很好地完成6~10顆衛(wèi)星的實時跟蹤，并能準(zhǔn)確定位。圖7所示為對應(yīng)的電子地圖結(jié)果。除此之外，本文所提到的多星座軟件接收機(jī)也開展了仿真試驗測試，目前能夠?qū)γ總€星座系統(tǒng)實現(xiàn)4~5顆衛(wèi)星的實時跟蹤，其性能仍需進(jìn)一步提高。

　　本文詳細(xì)介紹了基于單顆高速定點DSP的實時衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)平臺的設(shè)計實現(xiàn)。提供了詳細(xì)的硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)上電自加載功能的實現(xiàn)方法以及接收機(jī)軟件任務(wù)調(diào)度流程。根據(jù)本方案實現(xiàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)具有低成本、低功耗、通用性好、功能可升級擴(kuò)展等優(yōu)點。