卫星导航嵌入式教学实验平台建设与实践

张万威,王甫红,郭斐,刘万科

(武汉大学 测绘学院,湖北 武汉 430079)

卫星导航嵌入式教学实验平台建设与实践

张万威,王甫红,郭斐,刘万科

(武汉大学 测绘学院,湖北 武汉 430079)

针对目前导航工程专业卫星导航课程实验教学中存在的对学生系统分析解决问题能力与创新能力等的培养不足问题,将卫星导航与嵌入式系统集成开发相结合,设计建设了软硬件相结合的卫星导航嵌入式教学实验平台。详细介绍了该实验平台的软硬件构建方案以及实验课程内容建设。该实验平台已投入实际实验教学中并取得了良好的教学效果。

卫星导航;嵌入式;教学实验平台;实验课程建设

0 引 言

近年来,随着GPS、GLONASS、BDS和GALILEO四大卫星导航系统的建设与发展,卫星导航定位技术发展十分迅猛,其应用已经广泛渗透到国民经济和社会发展的各部门、各领域和各行业中。而卫星导航产业的迅猛发展需要大量的先进技术和导航专业人才支撑,为了顺应这一新形势,武汉大学充分利用在卫星导航学科的优势,率先提出增设“导航工程”新专业并得到了教育部批准,于2012年正式开始招生导航工程专业的本科生[1]。

在开设的“导航工程”新专业的培养方案中,导航工程专业的学生不仅仅要掌握基本的卫星导航定位原理,更要具备导航定位技术研发及拓展应用的能力。然而在卫星导航定位实践教学方面,传统的实践教学大多为演示性和验证性的,没有形成综合体系,相互之间关联性、系统性较差,学生独立思考和自主训练的机会和空间很少,缺乏对学生分析问题、解决问题能力及动手能力的培养,更达不到培养学生创新精神和创新能力的要求[2]。

针对目前导航工程专业实验教学中存在的对学生系统分析解决问题能力、与创新能力培养不足等问题,并充分考虑到卫星导航应用产品大多是在嵌入式系统之上的实际情况,将卫星导航与嵌入式系统集成开发相结合,设计建设了软硬件相结合的卫星导航嵌入式教学实验平台。本文详细介绍了该实验平台的软硬件构建方案以及实验课程内容的建设。

1 实验平台构建方案

1.1 实验平台硬件系统

卫星导航嵌入式教学实验平台的硬件系统框图如图1所示,它主要包括GNSS天线、GNSS OEM板卡、嵌入式DSP开发板、PC机等硬件设备。

图1 卫星导航嵌入式教学实验平台硬件系统组成

1) GNSS天线:用于接收卫星导航信号的天线, GNSS天线可选取Novatel GPS-702-GG天线,该天线既能接收GPS和GLONASS组合信号,又能接收单GPS信号的天线。

2) GNSS OEM板卡:用于对GNSS信号进行捕获跟踪,得到GNSS原始观测量及广播星历等,导航型OEM板可选用Novatel OEMstar板卡,该板卡具有14个接收通道,可以跟踪L1 GPS和GLONASS伪码和载波相位信号。

3) 嵌入式DSP开发板:用于在嵌入式环境下接收GNSS OEM板卡输出的数据并进行卫星导航定位解算,嵌入式开发板可选用合众达SEED-DEC6713开发板,TMS320C6713为高性能32位浮点DSP,其主频可达200 Mhz,片上共有264K×8位存储器,并具有丰富的片上外设资源[3]。

4) PC机: PC机用于设计上位机程序,实现通过串口实时接收嵌入式系统输出的数据并将解码的观测数据、卫星星历、导航定位解算等结果,实时动态的显示在设计的上位机界面上。

1.2 实验平台软件开发设计

实验平台软件开发包括嵌入式系统软件开发和PC上位机软件开发。嵌入式系统软件开发包括串口中断数据接收、GNSS子帧数据解码、卫星导航定位算法设计、导航定位结果打包及串口发送等。GNSS子帧数据解码及卫星导航定位算法设计具体参考文献[4-5],这里重点详细论述串口中断数据接收程序设计及嵌入式系统软件后台主程序设计。

1.2.1 串口中断数据接收程序设计

SEED-DEC6713开发板采用TL16C52B通用异步收发器UART,其上包含两路相互独立的异步接收器,接收和发送各带64字节FIFO,并各自带Modem接口信号,最高传输速率可达1.5 Mbps波特率。TL16C52B与DSP TMS320C6713的连接如图2所示。

图2 TL16C52B与DSP TMS320C6713的连接

TL16C52B提供两个中断请求信号INTA、INTB分别用于通道A和B申请C6713中断,在SEED-DEC6713中, INTA、INTB和USB中断一起复用C6713的EXT-INT6,下降沿有效[3]。EXT-INT6的中断服务函数名称为c-int6。

串口中断数据接收程序设计如图3所示。

图3 串口中断数据接收程序流程图

Novatel OEMstar板卡输出无论哪种类型的数都是以一完整子帧发送的,每一个子帧由帧头信息、有效数据、CRC校验码等组成,其中帧头包括3个字节帧同步字0xAA4412以及子帧长度等信息组成[5]。根据上述二进制数据格式规律,可在c-int6串口中断服务函数中设计接收程序,每次只接收一帧完整的数据,即先进行子帧帧头同步,再判断已接收数据长度是否等于子帧总长度,若该帧已接收完成,置子帧数据收齐标记为已完成,另外,为了避免读写数据冲突,一定要进行子帧数据的备份。

1.2.2 嵌入式系统软件后台主程序设计

嵌入式系统软件后台主程序设计如图4所示。

图4 后台主程序程序流程图

在后台主程序里,初始化完成后,配置Novatel OEMstar板卡[5],使其输出的二进制数据包括导航卫星星历数据、伪距多普勒观测数据、电离层参数数据三种类型,再判断串口中断数据接收程序中的子帧数据收齐标记是否为已收齐,若收齐则进行子帧解码,当子帧为观测数据时,调用自编的卫星导航定位解算主程序进行定位解算,然后将解算结果按自己设计的二进制格式进行打包,最后通过串口将二进制结果输出去。

2 实验课程内容建设

为了适应导航工程本科专业学生的培养,除了需要掌握嵌入式系统开发的基本方法之外,还在综合型实验中设置了较多与导航理论相关的实验课程。实验课程主要涵盖了成C/C++程序设计、DSP原理及应用、卫星导航定位原理等理论知识。学生在实验过程中,可以由易到难、由浅到深、由基础到综合再到创新进行实践,符合渐进性的教学规律。

2.1 基础型实验

基础型实验主要是为了让学生掌握嵌入式软件一般的开发流程以及嵌入式程序移植等基本技能,可为之后的综合型、创新型实验做好准备,本实验设计的基础型实验主要有:

1) 程序下载烧写实验。即用烧写工具将可执行文件固化到 DSP 的 FLASH 空间上。运行时通过Bootloader 将 FLASH 空间固化的程序下载到 RAM 上运行。

2) 嵌入式程序移植与软仿真实验。将PC集成的导航定位程序移植到嵌入式系统中,在DSP软仿真模式下,以读文件方式实现导航定位程序在嵌入式系统上正确运行,学生可以与PC程序计算结果对比,以检验程序移植的正确性。

2.2 综合型实验

综合型实验可以提高利用所学的一系列理论知识综合解决实际问题的能力以及培养团队协作精神,本实验设计的基础型实验主要有:

1) 嵌入式实时导航定位程序实现实验。根据GNSS OEM板卡输出数据的特点,设计嵌入式串口中断接收程序,在SEED-DEC6713开发板上实现实时导航定位解算,最后将导航定位结果按自己设计的格式进行打包并通过串口输出。

2) PC上位机软件开发实验。以MFC或LabVIEW等语言开发上位机软件,在PC机上实现串口接收开发板输出的二进制导航定位结果,并将结果实时动态地显示在设计好的软件界面上。

2.3 创新型实验

创新型实验中教师可逐步放手,不提供实习指导书,通过适当引导学生独立思考去开放自主的解决问题,着重培养学生的创新能力,本实验平台设计了一些创新型的实验,比如:

1) 导航定位算法嵌入式耗时测算实验。例如可使用的CCS软件的Clock工具、利用CPU定时器功能、用示波器捕抓测量对应的GPIO管脚输出的信号脉宽等方法来测算算法嵌入式耗时。

2) 导航定位结果地图显示实验。把计算输出的导航定位结果制作成KML软件,然后在google earth中显示运动轨迹,也可调用百度或高德地图SDK,实时显示运动轨迹。

3) 相关开放性拓展实验。如可为相对定位、定姿、定轨等算法的工程化应用提供了软硬件平台支撑,探索其工程化实践的实用性与效率。

3 结束语

卫星导航嵌入式教学实验平台,既能有助于学生更深刻的理解卫星导航原理,又能使其扎实掌握嵌入式系统平台下的卫星导航定位程序设计与工程实现,该平台贴近工程实际应用,且综合性很强,非常有利于锻炼和提高学生运用所学的专业理论知识解决实际问题的能力和实践动手能力,该平台已投入实际实验教学中并取得了良好教学效果。

[1] 郭斐,刘万科,楼益栋,等.导航工程专业卫星导航数据处理方法课程建设与思考[J].导航定位学报,2016,41(4):120-122.

[2] 刘万科,张小红,李征航.卫星导航定位系统课程建设[J].测绘地理信息,2016,41(5):89-92.

[3] 北京合众达电子技术有限公司.SEED-DEC6713用户指南(Rev.D)[R].2008.

[4] 李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2010.

[5] NovAtel.OEMStarTM firmware reference manual (OM-20000127 Rev.5)[R].2011.

Construction and Practice of Embedded Teaching Experiment Platform for Satellite Navigation

ZHANG Wanwei,WANG Fuhong,GUO Fei,LIU Wanke

(SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)

Aiming at the problems which lack of training students ability such as cultivation comprehensive analysis of problem solving ability and innovation ability in the satellite navigation experimental teaching of Navigation Engineering, based on satellite navigation and embedded system integrated development, an embedded teaching experiment platform of satellite navigation combining hardware and software is designed and constructed, The hardware and software of the experimental platform and the construction of the experimental course are introduced in detail. The experimental platform has been put into practical teaching and achieved good teaching effect.

Satellite navigation; embedded system; teaching experiment platform; experimental course construction

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.021

2017-04-18

武汉大学实验技术资助项目(编号:WHU-2015-SYJS-08)；武汉大学教学改革建设项目(编号:2015048)

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0099-04

张万威 (1986-),男,硕士,助理实验师,主要从事卫星导航与惯性导航的实验教学与科研工作。

王甫红 (1973-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事卫星导航定位和卫星定轨方法研究。

郭斐 (1984-),男,博士,讲师,主要从事GNSS卫星导航定位技术及应用的教学与研究工作。

刘万科 (1978-),男,博士,副教授,硕士生导师,主要从事卫星导航定位方面的教学与科研工作。

联系人: 张万威E-mail:wwzhang@sgg.whu.edu.cn