摘要：以ARM9微处理器S3C2440A为硬件平台核心，WindowsCE嵌入式操作系统为软件平台，构建了微型化、便携的差分GPS导航定位系统。在Visual Studio2008开发环境中采用MFC编程技术，编写导航定位软件，通过RS232串口读取差分GPS接收设备输出的$GPRMC信息，解析后用于显示和导航参数计算。系统在开阔场地进行了实验，运行正常并得到了精度良好的导航定位结果，具有重要的实用价值。

差分GPS可提供连续、高精度、实时的时间基准、位置、速度、整周模糊度等数据，被广泛应用于各项海上试验中。在以小型船舶如小艇、渔船等为平台进行某些试验科目时，由于其空间狭小，防护性较差，使用常规差分GPS接收机加显控笔记本存在架设不便、供电困难、溅入海水等问题，而使用手持GPS接收机又存在精度低、稳定性差、屏幕小、导航不便等问题。嵌入式系统以其低功耗、小体积、高稳定性和便携等优势，在GPS的应用中占据重要的位置。文中研究基于嵌入式微处理器系统和WindowsCE5.0的便携式差分GPS导航定位系统。

1 系统的硬件设计

设计的导航定位系统硬件主要由3部分组成：ARM平台，差分GPS模块，移动电源模块。ARM平台主要负责整个系统的运行，差分GPS模块负责GPS定位信息的接收和发送，移动电源模块负责分别给ARM平台和差分GPS模块供电，硬件构成如图1所示。

1.1 ARM平台

由基于ARM920T内核的32位高性能嵌入式微处理器S3C2440A、64MB的SDRAM、64MB的Nand Flash的核心板和外围扩展接口资源7寸LCD触摸屏、USB口、JTAG接口、电源接口、复位电路、RTC电路、SD卡接口、1个RS232串口、1个UART接口(3个扩展串口)组成，SDRAM存储器用于运

行系统主程序，Nand Flash存储器具有掉电保护功能，用于存储操作系统内核、Boofloader的启动代码和开发程序，RS232串口COM1可用于和PC机通信，扩展串口COM0为3.3 VCMOS电平，用于采集差分GPS模块输出的数据信息。选用群创7寸TFT电阻式触摸屏，用于人机交互和显示导航软件信息，USB口用于下载WINCE内核文件及与软件开发主机进行数据交互，JTAG调试接口用于硬件调试和烧载Bootloader。

1.2 差分GPS模块

由加拿大Hemisphere公司的Crescent GPS OEM板HC12、电平转换板和差分天线组成。新月HC12是一款高性能单频12通道接收机(其中有2个通道专用于跟踪SBAS信号)，体积小、功耗低，通过接收SBAS或外部差分信号，可提供亚米级定位精度，数据输出采用NMEA-0183标准，输出速率可高达20Hz.此接收机还可以输出原始观测数据，用于后处理解算。在差分信号暂时失锁情况下，其**的COAST技术可以利用已收到的差分数据保持30分钟的稳定差分级定位精度。

新月HC12有3个全双工3.3 V CMOS电平串口(A，B，C)，COM A直接与ARM平台COM2相连，用于进行HC12参数设置或输出定位数据信息，COM B电平转换为RS232电平后可接入PC机，同样可用于HC12参数设置或输出定位数据信息，COM C串口备用。HC12输入电压为3.3 V，而电源模块输出电压为5 V，需要进行电平转换。电源电压转换选用AMS1117-3.3芯片，串口电平转换采用MAX3232芯片，HC12通过一34Pin(17pin X2)的转接头实现电源供电以及外部通信，电平转换电路如图2所示。

差分天线选用Hemisphere公司生产的A30天线，该天线可接收GPS、SBAS和Beacon信号，拥有多个波段接收能力，具有出色的缓解抑制噪声性能，在高电气噪声和其它**扰环境下都能够保持很好的GPS信号接收，适合使用在高精密的GPS应用中。

1.3 移动电源模块

由8块2400mAh三星18650圆柱形锂离子电芯和5V升压、保护、充电一体板组成，两个输出端口分别给ARM平台和差分GPS模块供电，输出电压5 V、电流1 A，其供电时间大于6小时。

2 系统软件设计

系统的软件是基于WINCE5.0嵌入式操作系统设计的，WINCE是一个多任务、完全抢占式的32位嵌入式操作系统，具有操作界面良好、实时性较高、占用资源少、通信能力强的特点，支持WINCE MFC、ATL、WINCE API和一些附加的编程接口及各种通信技术，可充分满足本软件的技术需求。开发工具采用微软的Visual Studio2008，安装完WINCE5.0的SDK(Software Development Kit，软件开发工具包)后，创建智能设备MFC工程，即可开始软件编写。SDK可以使用标准的，也可自行编译生成。

2.1 软件界面

图3所示为本系统接收GPS导航数据后处理并显示的软件界面。打开界面后，在“串口通信”区进行串口“端口号”和“波特率”设置，点击“打开”按钮，下方“收到”的编辑框就会不断地显示从差分GPS模块输出的NMEA格式导航数据，勾选“保存数据”可将输出的导航数据以文本格式保存，用于事后数据处理分析，在“发送”编辑框可借助NMEA0183指令进行HC12参数设置;在“定位信息”区有经纬度、航向、速度、GPS时间等参数实时显示，点击“**轨迹”可将海图显示区历史轨迹**;“导航信息”区可进行“目标点”添加、修改、删除、画圆、航线等设置，实时显示本船距目标点位置、方位、偏离等参数：在“海图操作”区可进行放大、缩小、本舰居中、目标居中、标记当前点位等操作，勾选“平移海图”后点按左侧海图区不动可进行上下左右移动;左侧蓝**域为海图显示区，可直观显示本船与各目标点位置关系、试验态势等。

2.2 设置HC12参数

通过串口建立差分GPS模块与ARM或PC机的连接，借助NMEA0183指令，通过任意一串口均可以设置HC12。可用开发软件串口通信区“发送”命令按钮或串口助手软件(WINCE或WINXP均可)进行通信，首先设置接收机应用模式为SBAS，再设置串口通信波特率、串口输出的NMEA语句及输出速率，*后设置*大差分龄期和卫星仰角。

差分GPS模块串行通讯参数为：波特率=19200，数据位=8位，停止位=1位，无奇偶校验。通过串口建立ARM和GPS的连接，GPS加电后便自动搜索卫星，并通过串口以每秒1次的频率向ARM发送GPRMC格式的定位信息，在定位信息有效后ARM便可以提取所需要的定位信息。

2.3 读取串口

获取GPS导航数据实际上就是通过串口读取HC12输出的NMEA格式数据的过程，下面介绍WINCE下读取串口程序的开发过程。

2.3.1 打开串口

点击“打开”按钮，进入此按钮的消息响应函数，函数中执行打开串口和串口参数配置等操作。首先调用CreateFile()函数打开指定的端口，接着对串口进行参数配置，包括波特率、数据位、停止位、奇偶校验等。参数设置过程为：先调用GetCommState()获取串口的当前配置，得到结构体DCB(Device Control Block，设备控制块)的指针，通过它给DCB结构体赋值，然后传给SetCommState()函数对串口进行配置。

*后设置串口的超时参数，设置方法与上述参数设置类似，先通过GetCommTimeouts()得到一个结构体指针，赋值后传给Set Comm Time outs()进行设置。

2.3.2 接收数据

串口打开后，自动开始接收，函数中调用了CreateThread()开辟了一个线程，用于接收串口数据。由于接受过程需要调用WaitCommEven()函数来不停地等待数据到来事件，会致使程序无法响应其他操作，因此采用开辟线程的办法来防止信息拥堵。

图4所示为接收串口数据的线程中执行的操作流程。程序实现了串口数据的接收，并把接收到的数据传递给Dig类，用于后期进行定位信息提取及显示等操作。

2.4 提取定位数据

NMEA-0183通信标准的输出数据采用的是ASCⅡ码，主要有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VCT等不同的结构，每种类型的帧均是以“$”开头，然后是两个字母的“识别符”和3个字母的“语句名”组成ID信息头，接着就是以逗号分割的数据体，末尾为校验和，以回车换行符结束。本设计只关心日期、时间、经纬度、地面速度等，选用GPRMC语句，表1中对该语句结构作了详细说明，按图5所示的流程即可完成GPS数据的提取。注意在编写程序中不要出现m_strRecv[i+k](k>0)这样的表达式，例如以(m_strDataReceived[i]==‘$’&&m_strDataReceived[i+3]==‘R’)为判断条件来提取ID头，容易造成超出数组元素个数的错误。

3 系统实验及精度分析

实验地点选在运动场场开阔处，先采用静态内符合法进行精度测试。连接差分GPS天线，给系统上电，运行开发软件，设置好串口参数，打开串口COM2，待差分GPS模块进入稳定差分定位后开始保存数据，采集数据约3 000组，用MATLAB处理采集数据，结果如图6所示。

导航定位等功能测试：手持该系统进行直线和圆形运动，观察海图区域航迹向轨迹形状;设定1个目标点，画半径为200米的圆并设置航线，分别按直线和曲线前进，观察距离、偏离、方位等参数变化;对海图进行放大、缩小和平移，分别点选本舰居中和目标居中，观察海图显示变化。

测试表明，终端软件能平稳地运行在嵌入式WINCE5.0系统上，操作界面简洁、直观、实用、功能**，具有良好的实时性和准确性，系统定位精度(2DRMS)优于1 m。

4 结束语

文中基于ARM硬件平台，以WINCE为嵌入式操作系统，在Visual Studio2008下开发了串口通信导航数据软件，通过串行接口实现差分GPS模块与ARM之间的通信，构建了一个体积小、功耗低、功能**的便携式差分GPS导航定位系统，并给出了详细的硬件和软件设计实现。实验表明：该系统能实时显示精度较高、持久有效的GPS定位数据，具有重要的实用价值���一定的参考意义。