齊勁松，屈曄彬，張海峰，張 宇，孫 瑜

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.太原科技大學(xué)，太原 030024）

基于龍芯1A+BMN2200S的加固手持終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

齊勁松1，屈曄彬1，張海峰1，張 宇2，孫 瑜1

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.太原科技大學(xué)，太原 030024）

結(jié)合國產(chǎn)化工程實(shí)踐需要介紹了一款新型的基于龍芯1A+BMN2200S的GPS/北斗加固手持終端設(shè)計(jì)思路與方法，該手持終端主要應(yīng)用于單兵指揮系統(tǒng)。詳述了手持終端系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，國產(chǎn)麒麟linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植，BMN2200S模塊的原理，GPS和北斗信息的實(shí)時(shí)解算。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明能滿足軍用系統(tǒng)的高安全性和可靠性，并且有良好的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性的特點(diǎn)。

龍芯1A，麒麟linux，BMN2200S

引言

近幾年來隨著我國微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的設(shè)計(jì)水平得到了質(zhì)的飛躍，多種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能通用處理器及其他集成電路產(chǎn)品陸續(xù)研制成功。以龍芯為代表的1A、2F、3A、3B等處理器已經(jīng)形成多元化、系列化滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。同時(shí)我國自主開發(fā)的北斗定位系統(tǒng)也已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。開發(fā)基于龍芯系列處理器的核心模塊對(duì)于未來軍用計(jì)算機(jī)的發(fā)展、對(duì)于增加裝備的自主研發(fā)能力、掌握裝備升級(jí)換代的技術(shù)主動(dòng)權(quán)具有重要的意義，是武器裝備計(jì)算機(jī)平臺(tái)自主研發(fā)、創(chuàng)新的關(guān)鍵。加固手持指揮終端使用 loongson1A-Nano ETX Express主板作為核心模塊開發(fā)。Nano ETX Express主板遵循PICMG COM ExpressTM規(guī)范，研制自主可控的主板。本文針對(duì)某項(xiàng)目單兵手持終端設(shè)備需求采用全國產(chǎn)化芯片方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)并完成了整機(jī)實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)需求分析

上世紀(jì)90年代，我國軍工企業(yè)開始研究手持計(jì)算機(jī)設(shè)備，但當(dāng)時(shí)由于模塊集成化低，設(shè)計(jì)出的手持設(shè)備比較笨重不能滿足現(xiàn)代化軍事需求。近幾年來，國內(nèi)手持終端領(lǐng)域正逐步走向?qū)I(yè)化道路，并向小型、便攜、輕型化方向發(fā)展。軍用手持設(shè)備遵守低功耗、無風(fēng)扇、輕薄一體、小型化設(shè)計(jì)的原則，具有堅(jiān)固、耐用、便攜、觸控、操作界面良好、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。能完成與上級(jí)進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)信息交互；具有簡易的指揮功能；支持觸摸屏操作方式；可通過以太網(wǎng)與車載信息處理設(shè)備互通。本設(shè)計(jì)具有GPS/北斗導(dǎo)航、定位等功能，界面友好，操作簡便，符合用戶使用習(xí)慣，適宜車載環(huán)境、野外環(huán)境等各種惡劣環(huán)境中使用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

加固手持指揮終端是集GPS/北斗數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、信息顯示和信息收發(fā)等一體化高集成的小型化指控設(shè)備。它應(yīng)由CPU處理器模塊、顯示器（觸摸屏）、存儲(chǔ)模塊、電源模塊、無線模塊和GPS/北斗模塊等組成。系統(tǒng)組成圖，如圖1所示。

圖1 手持終端系統(tǒng)組成圖

2.2 核心主板硬件構(gòu)成

本設(shè)計(jì)采用國產(chǎn)CPU龍芯1A作為系統(tǒng)核心，遵循Nano ETX Express規(guī)范，板卡尺寸為60 mm×90 mm。板載8G-NANDFLASH用于系統(tǒng)存放及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，板載1G-DDR2內(nèi)存。龍芯1A是基于GS232的高性價(jià)比單芯片系統(tǒng)，主頻達(dá)到300 MHz，采用BGA256封裝，片內(nèi)集成一個(gè)GS232雙發(fā)射龍芯處理器核，性能媲美中高端ARM處理器。集成顯示DC最大分辨率可支持到1920*1080，集成2個(gè)10M/100/1000/自適應(yīng)MAC，集成1個(gè)32位200 MHz DDR2控制器，集成4個(gè)USB2.0接口，集成AC97控制器，集成4路串口，集成2個(gè)CAN總線控制器，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、安全應(yīng)用等領(lǐng)域。龍芯1A既可以作為獨(dú)立的SOC，也可以作為PCI南橋與通用CPU配合使用［1］。龍芯1A的體系結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 龍芯1A體系結(jié)構(gòu)框圖

觸摸屏采用 3.7寸國產(chǎn)唯信諾4線電阻屏V0076-FA-007，分辨率達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的480×800，由SPI總線初始化屏幕控制芯片并由I2C總線驅(qū)動(dòng)觸摸功能。電源采用力神LSH13-E067LB鋰電池，標(biāo)稱容量為4.2 Ah。機(jī)箱前面板下部有4×4矩陣鍵盤由GPIO擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。

GPS/北斗模塊采用北京微電子技術(shù)研究所自主研發(fā)的BMN2200S，該模塊基于BM3013設(shè)計(jì)的GPS/BD-2雙系統(tǒng)兼容型導(dǎo)航接收模塊。內(nèi)嵌高性能DSP運(yùn)算單元，完成衛(wèi)星信號(hào)的快速捕獲、跟蹤、位置/速度/時(shí)間解算等功能［2］。對(duì)外采用RS232標(biāo)準(zhǔn)串口進(jìn)行通信。該模塊尺寸只有29 mm×20 mm。其內(nèi)部原理框圖如圖3所示。

圖3 BMN2200S內(nèi)部原理框圖

BMN2200S與1A主板采用標(biāo)準(zhǔn)串口通信，波特率設(shè)置為115 200 kb/s，無校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。1A串口采用中斷方式與BMN2200S通信。

3 linux操作系統(tǒng)移植

3.1 內(nèi)核編譯環(huán)境的搭建

首先安裝gcc-3.4.6-2f.tgz交叉編譯工具鏈：

執(zhí)行tar-C/-zxvf/gcc-3.4.6-2f.tgz解壓linux的編譯工具鏈；

執(zhí)行export PATH=/opt/gcc-3.4.6-2f/bin:$PATH設(shè)置環(huán)境變量即可。

3.2 內(nèi)核的編譯

本設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)采用國產(chǎn)中標(biāo)麒麟linux，以滿足軍事領(lǐng)域國產(chǎn)化的安全需要。首先解壓內(nèi)核tar -zxvf loongson-linux-2.6.21.tgz并進(jìn)入解壓目錄cd loongson-linux-2.6.21；

執(zhí)行cp arch/mips/configs/ls1g_defconfig.config將默認(rèn)配置文件拷貝成.config文件。

執(zhí)行make ARCH=mips menuconfig后保存退出；

執(zhí)行make ARCH=mips CROSS_COMPILE=mipsel-linux。編譯后就可以生成帶ramdisk的內(nèi)核映像。在編譯內(nèi)核時(shí)還要將本系統(tǒng)所有外圍硬件驅(qū)動(dòng)添加到內(nèi)核中。

linux內(nèi)核編譯好后，還必須有根文件系統(tǒng)（root filesystem）才能使一個(gè)linux系統(tǒng)正常運(yùn)行。根文件系統(tǒng)用于存放系統(tǒng)運(yùn)行期間所需的應(yīng)用程序、腳本、配置文件等，通常包括：

bin/、sbin/：系統(tǒng)可執(zhí)行程序和工具；

lib/：動(dòng)態(tài)運(yùn)行庫；

etc/：系統(tǒng)配置信息和啟動(dòng)腳本；

usr/：用戶可執(zhí)行程序。

制作好文件系統(tǒng)后將編譯好的內(nèi)核及ramdisk系統(tǒng)下載到 FLASH上，設(shè)置啟動(dòng)方式為rdinit=/sbin/init，完成系統(tǒng)加載。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：接收并捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測算出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解算出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間［4］。

衛(wèi)星定位采用空間直角坐標(biāo)系及其相應(yīng)的大地坐標(biāo)系，空間坐標(biāo)系可以通過平移和旋轉(zhuǎn)從一個(gè)坐標(biāo)系方便地轉(zhuǎn)換至另一個(gè)坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系中的參考面是長半軸為a，以短半軸b為旋轉(zhuǎn)軸的橢球面。大地坐標(biāo)系的第1個(gè)參數(shù)為大地緯度B過空間點(diǎn)P的橢球面法線與XOY平面的夾角，自XOY面向OZ軸方向量取為正，第2個(gè)參數(shù)為大地經(jīng)度L為ZOX平面與ZOP平面的夾角，字ZOX平面起算右旋為正，第3個(gè)參數(shù)為大地高程H為P點(diǎn)的橢球面法線上自橢球面至P點(diǎn)的距離，以遠(yuǎn)離橢球面中心方向?yàn)檎Ｖ苯亲鴺?biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如下。

由于大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)公式復(fù)雜此處只列出高斯投影正算公式。

式中，X0由赤道到地面點(diǎn)p在參考橢球上的投影點(diǎn)p0之間的子午線弧度長；N為p0點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑；l為p0點(diǎn)的經(jīng)度L與投影帶的中央子午線經(jīng)度l0之差。

由于手持終端具有移動(dòng)性，所以要即時(shí)更新定位信息，程序?qū)⒏轮芷诙? s，任務(wù)周期定為20 ms。代碼的總體設(shè)計(jì)思想是：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后對(duì)它們進(jìn)行處理，輸出WGS84的B、L、X、Y和BJ54的B、L、X、Y、DOP值、收星時(shí)間、收星數(shù)、方位角。代碼實(shí)現(xiàn)了利用界面上顯示的快捷鍵可以完成定向模式和導(dǎo)航模式的切換、GPS和北斗星系的選擇、4種坐標(biāo)系的切換、退出等功能。有必要時(shí)還可以加入串口參數(shù)設(shè)置等功能。軟件設(shè)計(jì)基于QT3.0，和通用CISC-CPU不同本系統(tǒng)的圖形軟件要和系統(tǒng)內(nèi)核同時(shí)編譯并加載到板卡FLASH上，通過修改啟動(dòng)腳本使程序自動(dòng)運(yùn)行。具體操作如下：

將編譯好的代碼執(zhí)行文件（本設(shè)計(jì)程序名為GPSdecoder）放在/demo目錄下；

進(jìn)入/etc/profile，在文件最下放添加如下代碼；

保存并退出。

軟件啟動(dòng)后顯示的界面為衛(wèi)星視圖界面及經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面，相關(guān)截圖如圖4所示，系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖4 衛(wèi)星視圖界面及經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面截圖

圖5 手持終端系統(tǒng)工作流程示意圖

實(shí)際的數(shù)據(jù)計(jì)算以北京某地接收到的GPS衛(wèi)星信息為例進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)格式如下：$GPGGA，081143.00，3958.7232224，N，11618.1943811，E，1，07，3.57，104.5842，M，-6.5229，M，*43。其中$GPGGA為語句標(biāo)識(shí)頭，081 143.00為世界時(shí)間，3 958.723 222 4為緯度，N表示北緯，11 618.194 381 1為經(jīng)度，E表示東經(jīng)，1為定位位置表示，07表示收到7顆衛(wèi)星，104.584 2表示海拔高度，其余數(shù)據(jù)解釋略。我們要做的就是將經(jīng)度、緯度及高度進(jìn)行計(jì)算，將之轉(zhuǎn)換為84、54坐標(biāo)。在程序中設(shè)置了幾個(gè)全局變量，分別用于表示接收機(jī)的不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

圖6 定向模式或?qū)Ш侥Ｊ礁髯鴺?biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

下面將代碼作部分說明：

GeoCoor AntWGSGeo，*AntWGSXY；//天線的WGS84大地坐標(biāo)系

GeoCoor*AntBJBL，*AntBJXY； //天線的BJ大地坐標(biāo)系

首先定義高斯等相應(yīng)參數(shù)結(jié)構(gòu)體，利用Afa= GetDirection（AntWGSXY）；得到坐標(biāo)方位角。其函數(shù)原型為

程序在TTY（）即屏幕設(shè)備中利用循環(huán)根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)果輸出。

設(shè)計(jì)程序解算的 GPS語句格式為NMEA-0183，程序整體采用C++代碼實(shí)現(xiàn)，經(jīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)解算出的坐標(biāo)與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際坐標(biāo)相符。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)能夠完成GPS/北斗定位定向；適用于多源信息應(yīng)用的陸軍戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)；也可以通過以太網(wǎng)連接車內(nèi)設(shè)備，進(jìn)行命令收發(fā)、情報(bào)收發(fā)、實(shí)時(shí)指揮；可以通過軟件操作完成快捷下發(fā)命令、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)控通信鏈路狀態(tài)等功能。

5 總 結(jié)

本設(shè)計(jì)全部采用國產(chǎn)化芯片，避免了對(duì)進(jìn)口件的依賴，達(dá)到了軍品的高安全性、保密性要求的同時(shí)滿足輕薄、小型化設(shè)計(jì)的要求。通過環(huán)境實(shí)驗(yàn)證明本設(shè)備具有堅(jiān)固、耐用、便攜、觸控、操作界面良好、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)可供實(shí)際裝備使用。

［1］中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所.龍芯1A處理器用戶手冊［Z］.Revision1.0，2010.

［2］北京微電子研究所.BMN2200S用戶使用手冊［Z］.Revision1.0，2012.

［3］周潤景.Cadence高速電路板設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［4］徐紹銓.GPS測量原理及應(yīng)用［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.

Design of Reinforced-handset System Based on Loongson1A+BMN2200S

QI Jin-song1，QU Yan-bin1，ZHANG Hai-feng1，ZHANG Yu2，SUN Yu1
（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China；
2.Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030006，China）

This paper introduces a new type of reinforced-handset system design based on loongson1A+BMN2200S，which mainly used in Individual-command system domain.And particularly introduces hardware compose of the computer，Neokylin-linux system porting，principle of BMN2200S，algorithm of GPS/BD realtime-decode.Experiments proved that this system can satisfy the military reliability and security demand，and have the traits of real-time and practicable.

loongson1A，Neokylin-linux，BMN2200S

TP302.1

A

1002-0640（2014）11-0164-04

2013-08-05

2013-10-30

齊勁松（1981- ）男，山西太原人，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。