GPS天线模块 - ATmega16A低成本的GPS接收系统设计

　　GPS天线形式是多种多样的，可以是螺旋线圈天线、偶极子天线或是微带天线。通常会在天线的前端加入一个低噪声放大器，使得接收机内维持一个低的噪声系数，这时需要由接收机前端通过RF同轴电缆对放大器供电。需要注意的是，当使用GPS接收机解算位置的时候，实际上是在估计天线的电子相位中心的位置，而电子相位中心与物理相位中心常常不在同一点。对于测量型GPS接收机天线，电子和物理相位中心会有厘米级的差异。

　　系统采用的是SDT11E型GPS接收机，它的天线单元如图4所示。它具有的功能是接收由卫星发射来的信号。

　　2.4 控制模块

　　该GPS接收系统中，主要采用Atmel公司的AVR芯片ATmega16A作为系统的控制器，控制器主要实现控制GPS模块、控制无线收发模块、控制USB传输模块、处理接收的GPS信号、从Flash芯片中存取数据等功能。

　　由于GPS模块、无线收发模块、USB模块均采用串行接口，控制器内部只带有一个串口功能，因此采用通用I/O口模拟串口通信方式完成对GPS和收发模块的控制。同时设计了带接收中断功能的串口模块，以实现系统控制功能。本收发模块中对接收到的GPS信号进行了简化处理，提取出了经纬度、高度及时间信息，增加了数据存储的有效信息量。I/O口模拟串口通信模块工作流程如图5所示。

　　2.5 无线收发模块

　　为提高该系统的定位精度，并有效降低系统功耗，本系统采用无线收发方式实现数据传输，无线收发模块设计原理图如图6所示。

　　该无线收发模块主要使用MaxStream公司的9XTend模块，其主要特点是：与传统无线调制方式相比，在相同的发射功率的情况下采用扩频通信方式可以传输更远的距离。它是MaxStream公司目前传输距离最长(视距传输距离为40 km)的低功耗OEM RF模块。9XTend在5 V电压下，电流消耗只有780 mA，输出功率可达1 W(30 dBm)。该收发器的接收灵敏度达-110 dBm，可使用户在1.5英里、15英里视距和40英里(通过高增益天线)接收900 MHz信号，数据吞吐量为230 kbps，数据率可达115.2 kbps。通过对该模块的使用，有效地实现了对GPS信号的接收。

　　2.6 数据存储模块

　　数据存储模块用Flash芯片来存储该系统采集的GPS位置信息，便于进行后期数据处理。该GPS接收系统使用的Flash芯片为K9F1208U0M，它是Samsung公司生产的采用NAND技术的大容量、高可靠Flash存储器。图7是K9F1208U0M芯片与ATmega16A的外围连接电路。

　　K9F1208U0M的接口控制方法：K9F1208U0M在应用时必须通过外部ATmega16A来控制其内容的读写。K9F1208U0M的数据总线与ATmega16A的数据口PA口相连，用ATmega16A的地址高位引脚PB6作为K9F1208U0M的片选信号(CS);PB5接K9F1208U0M的命令数据选择端(CME)/DATA)，而PB4接K9F1208U0M的地址锁存允许端(ALE)。

　　读写操作流程：进行写操作时先要写入命令字80H，通知K9F1208U0M要进行写操作，然后顺序写入目的地地址和待写入的数据。应该注意的是，地址只需写入一次，便可以连续写入多个字节数据。地址指针的调整是由K9F1208U0M内部逻辑控制的，不用外部干预。写入操作是以页为单位(1～528字节)进行的，即每次连续写入能超过528个字节。这是由K9F1208U0M的工作方式决定的：写入的数据先保存至Flash内部的页寄存器(528字节)中，然后再写入存储单元。数据写完之后还要给K9F1208U0M发出1个写操作指令10H，通知其将页寄存器中的数据写入存储单元，随后就应该对状态引脚进行查询。如果该引脚为低，表明此次写操作结束。最后的步骤是数据校验，如果采用了ECC校验模式，则此步骤可以省略。

　　使用ATmega16A控制器完成Flash驱动函数主要包括：读ID;块擦除;写入一页数据;坏块检测;读取一页数据。

　　另外，注意事项有：在以K9F1208U0M为数据存储介质的系统设计中，需要注意无效块的问题。无效块即包含一个和多个无效数据位的块。由于结构方面的原因，一块(32页)中有一个无效位也会导致整个块无效。因此，系统必须在写入数据时避开无效块。出厂时，每片K9F12 08U0M的无效块信息均保存在一个无效块信息表中，可以根据该表中的原始无效块信息识别无效块的位置。在K9F1208U0M的使用过程中，应随时对无效块情况进行检查和更新，以保证无效块表内容的准确性。