2024年9月17日发(作者：余晴波)
基于北斗二代系统的嵌入式船用导航仪硬件设计
应士君;邹绪平;刘卫;王坤
【摘 要】随着北斗二代系统的研制与建设,在导航领域我国将会从GPS主宰的局面
转向为以我国自主研发的北斗二代全球导航系统为主的局面。为了实现北斗船用导
航仪更轻便、快捷、低功耗和低成本,提出了一种采用ARM9系列的S3C2440A
为处理器的北斗船用导航仪硬件设计方案,详细给出了系统的硬件体系结构和具体
的硬件选型及接口电路设计。并对整个系统进行了硬件平台的搭建和测试,给出了
北斗信号处理部分的硬件设计电路板,实验表明这种硬件设计可行。%With the
development and construction of COMPASS system,the second generation
Beidou global navigation system of our country will be dominating in the
navigation field instead of order to achieve a portable,faster,lower-
power and lower-cost Beidou navigation device,a hardware design scheme
of the Beidou marine navigation system use the ARM9 series S3C2440A
processor,And the hardware architecture and specific hardware selection
and design of interface circuit of this system were illustrated in
the hardware platform of the entire system was built and
y,give the hardware circuit board of Beidou signal
experiment indicates that this hardware design is feasible.
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2012(020)008
【总页数】5页(P163-166,170)
【关键词】嵌入式;北斗二代系统;导航仪;硬件设计
【作 者】应士君;邹绪平;刘卫;王坤
【作者单位】上海海事大学,上海201306;上海海事大学,上海201306;上海海事大
学,上海201306;上海海事大学,上海201306
【正文语种】中 文
【中图分类】U666.134
目前，随着我国第十颗北斗卫星的成功发射，北斗区域卫星导航系统已完成基本系
统建设。北斗卫星导航系统基本上能满足测绘、渔业、交通运输、气象、电信、水
利等行业，以及大众用户的应用需求。在加上北斗导航卫星定位系统的ICD的公
布，那么对于北斗卫星导航仪的研究势在必行，而我国的北斗导航卫星定位系统同
时具备定位与通信功能、可同时解决“我在哪”和“你在哪”等应用优势。但是实
际的应用并不理想，主要表现在：1）民用领域应用不充分，未形成产业化的现状；
2）用户终端设备价格偏高，在市场上无法与GPS系统形成竞争；3）用户终端设
备研制开发滞后，跟不上应用需求。北斗导航在民用领域有着广泛的前景，但影响、
制约北斗系统在民用领域获得广泛应用的主要因素就是系统用户终端。而现有的导
航仪基本上都是基于FPGA、DSP或者是两者相结合为硬件平台的GPS导航仪[1]，
也有比较先进GPS采用ARM作为处理器。在这样的背景下，将ARM处理器运
用到北斗卫星导航系统上，研制一种超强信号灵敏度、出众的多路径抑制能力及抗
干扰/防欺骗能力；支持多频点、多种升级配置超越主流高端产品；完全自主知识
产权；从基带芯片到导航解算完全自主研发，技术支持、产品维护、软件升级、非
标定制等均有保障；体积小、功耗低、性能可靠的终端接收机具有重要的意义。
1 系统总体设计方案
本系统的硬件平台为三星公司的S3C2440A微处理器。S3C2440A的核心处理器
（CPU）是一个由Advanced RISC Machines有限公司设计的16/32为
ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU、AMBA、BUS及Harvard
高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。
每个都是由8字节的行组成。通过提供一整套完整的通用系统外设，S3C2440A
减少整体系统成本和无需配置额外的组件[2]。
北斗导航接收机主要由射频前端、A/D转换器、基带信号处理和导航解算部分组
成。射频前端接收卫星的射频信号，经前置放大器放大后，将信号下变频为中频信
号；A/D转换器采样中频信号，把模拟信号量化编码为数字信号；基带数字信号
处理部分主要功能为：卫星信号的二维捕获、载波相位和码相位的跟踪，并且测算
出伪距；最后导航解算部分采用一定的算法消除模型误差，求解伪距方程，解析出
卫星接收机天线的地理位置，从而实现卫星定位[3]。整体设计框图如图1所示。
图1 北斗二代卫星导航仪设计框图Fig.1 Design diagram of second
generation Beidou satellite navigator
ARM处理器主要是负责对北斗基带芯片数据的响应、处理和控制。北斗基带芯片
采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕获北斗系统B1和B3频点的精密测距码
和北斗/GPS卫星的普通测距码，具有较快的捕获速度、极高的动态跟踪范围和测
量精度。为降低开发难度，方便二次开发，系统采用的是“核心板+底板”的设计
方案[4]，这样可以在核心板不变动的情况下，更改底板的功能组成，以使用不同
的功能。同时，由于核心板采用多层PCB板设计，而底板采用双层板即可，从而
大大的降低了系统的成本。系统硬件设计原理框图如图2所示。
图2 系统硬件设计原理框图Fig.2 Schematic diagram of system hardware
design
2 系统硬件电路设计
2.1 核心板电路构成
核心板采用ARM开发板最小系统设计，由S3C2440A处理器作CPU、内存
SDRAM、闪存FLASH（NOR FLASH和NAND FLASH）、晶振电路、复位电路
和启动配置电路组成[5-6]。
2.2 北斗基带芯片处理模块及电路
北斗基带芯片采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕获北斗系统B1和B3频点
的精密测距码和北斗/GPS卫星的普通测距码，具有较快的捕获速度、极高的动态
跟踪范围和测量精度，通过串口输出标准的二进制或NMEA-0183格式的信号，
数据被传送到解析程序进行验证处理，计算出位置信息，并在液晶显示器上进行显
示[7]。这部分电路的主要工作原理和过程是将射频信号经过下变频成为模拟中频
信号再通过A/D转换得到导航信号，这些信号经过基带处理模块和导航信息处理
模块捕获、跟踪、解算得到输出的导航信息[7]。A/D转换和射频前端电路分别如
图3、4所示，北斗基带芯片部分电路如图5所示。
图3 A/D转换电路Fig.3 A/D conversion circuit
图4 射频前端Fig.4 RF front-end
2.3 底板硬件电路
2.3.1 彩色液晶屏接口及触摸屏驱动电路
S3C2440A内置有液晶控制器，可以支持最大256 k色TFT彩色液晶屏、最大4
k色STN彩色液晶屏。彩色屏上带有触摸屏（为四线电阻式触摸屏），用于检测
屏幕触摸输入信号，有利于提高人机交互的友好性。在使用的时候，需要一套切换
控制及ADC转换电路，用于切换触摸屏的X、Y轴输入，并进行A/D转换[8-9]。
接口与触摸屏驱动电路如图6所示。
2.3.2 网络接口电路
S3C2440A本身并没有网络接口，通过扩展网络接口的模式可以为系统提供以太
网接入，是本系统的一个重要的功能模块，主要用于电子海图更新以及相关数据上
传下载。该电路的核心芯片是DM9000E 10/100M以太网控制器，电路使用16
位总线方式进行控制，数据总线DATA0～DATA15与SD0～SD15连接，地址线
也进行相对应的连接，片选线nGCS3与芯片的AEN相连[8-9]。模块电路使用通
用的网络接口电路即可。
图5 北斗基带芯片电路Fig.5 Beidou baseband chip circuit
图6 液晶屏接口与驱动电路Fig.6 LCD interface and driver circuit
2.3.3 USB接口电路
S3C2440A具2两个USB Host控制器和1个USB Device控制器，本设计只使
用了DN0、DP0引脚作为唯一的下行口，为此还设计了1个USB集线器电路，
通过集线器可以方便对USB下行口进行扩展，USB集线器芯片采用的是MICRO
公司的AU9254[8-9]。用于电子海图、导航定位软件更新，导航数据下载保存等。
电路连接如图7所示。
2.3.4 RS-422接口电路
目前船舶驾驶台导航设备均采用RS-422接口进行数据互联，由于接收器采用高输
入阻抗和发送驱动器比RS-232更强的驱动能力，允许在相同传输线上连接多个接
收节点，所以RS-422支持点对多的双向通信，采用全双工通信模式，差模传输，
抗干扰能力强，能给ECDIS和雷达等导航设备提供实时北斗导航定位信息[10]。
电路如图8所示。
2.3.5 电源电路
本系统使用的电源电路图9所示，5 V的电源经过C46、C48和C49滤波后，由
两片低压差电源芯片将电源转换为稳定的3.3 V电源，分别给主板供电（电路图中
VDD33）和给核心板供电（电路图中PVDD33）。
图7 USB Host接口电路Fig.7 USB Host interface circuit
图8 RS-422接口电路Fig.8 RS-422 interface circuit
图9 系统电源电路Fig.9 System power supply circuit
3 硬件调试环境搭建及测试
在提出设计方案的基础上，通过实验来初步论证设计方案的可行性，本设计的系统
硬件平台搭建结果实物图如图10所示，北斗卫星导航信号处理部分初步设计电路
板如图11所示。
图10 硬件平台搭建实物图Fig.10 Physical map of hardware platforms
4 结 论
图11 北斗卫星导航信号处理电路板Fig.11 Circuit board of Beidou satellite
navigation signal process
文中主要针对我国船用导航仪设计、应用完全自主方面考虑，采用处理能力强大的
ARM处理器以及嵌入式WinCE作为系统的操作系统，以计算机技术为基础、软
硬件可剪裁设计。从实验结果可以看出，核心板加底板的设计方法能实现我国北斗
船用导航仪功能，本系统使用S3C2440A进行嵌入式系统硬件平台的搭建，为系
统进一步开发做好了准备。这种设计方案也方便二次开发，只要更改底板设计即可
实现不同领域的设计需求，降低了开发难度和成本，也缩短了开发周期。
【相关文献】
[1]Yerabati S，HU Zhen，Elkeelany -time GPS receiver implemented using Altera
FPGA board[J].IEEE SoutheastCon，2010，22（4）：332-334.
[2]江俊辉.基于ARM的嵌入式系统硬件设计[J].微计算机信息，2005，21：2-7.
JIANG re design of embedded system of ARM[J].Micro-computer
information，2005，21：2-7.
[3]Kaplan E D，Hegarty C 原理与应用 [M].2版.寇艳红，译.北京：电子工业出版社，2007.
[4]胡剑华，庄丽葵，王彪，等.基于S3C2440的嵌入式自动驾驶仪硬件设计与实现[J].科学技术与
工程，2010，10（34）：8565-8569.
HU Jian-hua，ZHUANG Li-kui，WANG re design of embedded autopilot
based on S3C2440[J].Science Techno-logy and Engineering，2010，10（34）：8565-8569.
[5]陈艳华，侯安华，刘盼盼.基于ARM的嵌入式系统开发与实例[M].北京：人民邮电出版社，
2008.
[6]GONG Min，FANG Kang-ling，WAN Ming，et ch and design of position and
navigation system based on ARM[J].Information Engineering and Computer Science，
2009，28（12）：1-4.
[7]华力创通科研部.北斗二代实验室系统技术方案[M].北京：华力创通科技股份有限公司，2011.
[8]巨政权，原亮，李浩，等.基于S3C2440和SM501的嵌入式系统硬件设计[J].计算机技术与发
展，2008，18（10）：207-209.
JU Zheng-quan，YUAN Liang，LI Hao，et re design ofembedded system based
on S3C2440 and SM501[J].Computer Technology and Development，2008，18（10）：
207-209.
[9]周立功.S3C2410&嵌入式Linux系统教程[M].广州：广东致远电子有限公司，2009.
[10]关政军，刘彤.航海仪器[M].大连：大连海事大学出版社，2009.
2024年9月17日发(作者：余晴波)
基于北斗二代系统的嵌入式船用导航仪硬件设计
应士君;邹绪平;刘卫;王坤
【摘 要】随着北斗二代系统的研制与建设,在导航领域我国将会从GPS主宰的局面
转向为以我国自主研发的北斗二代全球导航系统为主的局面。为了实现北斗船用导
航仪更轻便、快捷、低功耗和低成本,提出了一种采用ARM9系列的S3C2440A
为处理器的北斗船用导航仪硬件设计方案,详细给出了系统的硬件体系结构和具体
的硬件选型及接口电路设计。并对整个系统进行了硬件平台的搭建和测试,给出了
北斗信号处理部分的硬件设计电路板,实验表明这种硬件设计可行。%With the
development and construction of COMPASS system,the second generation
Beidou global navigation system of our country will be dominating in the
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and design of interface circuit of this system were illustrated in
the hardware platform of the entire system was built and
y,give the hardware circuit board of Beidou signal
experiment indicates that this hardware design is feasible.
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2012(020)008
【总页数】5页(P163-166,170)
【关键词】嵌入式;北斗二代系统;导航仪;硬件设计
【作 者】应士君;邹绪平;刘卫;王坤
【作者单位】上海海事大学,上海201306;上海海事大学,上海201306;上海海事大
学,上海201306;上海海事大学,上海201306
【正文语种】中 文
【中图分类】U666.134
目前，随着我国第十颗北斗卫星的成功发射，北斗区域卫星导航系统已完成基本系
统建设。北斗卫星导航系统基本上能满足测绘、渔业、交通运输、气象、电信、水
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时具备定位与通信功能、可同时解决“我在哪”和“你在哪”等应用优势。但是实
际的应用并不理想，主要表现在：1）民用领域应用不充分，未形成产业化的现状；
2）用户终端设备价格偏高，在市场上无法与GPS系统形成竞争；3）用户终端设
备研制开发滞后，跟不上应用需求。北斗导航在民用领域有着广泛的前景，但影响、
制约北斗系统在民用领域获得广泛应用的主要因素就是系统用户终端。而现有的导
航仪基本上都是基于FPGA、DSP或者是两者相结合为硬件平台的GPS导航仪[1]，
也有比较先进GPS采用ARM作为处理器。在这样的背景下，将ARM处理器运
用到北斗卫星导航系统上，研制一种超强信号灵敏度、出众的多路径抑制能力及抗
干扰/防欺骗能力；支持多频点、多种升级配置超越主流高端产品；完全自主知识
产权；从基带芯片到导航解算完全自主研发，技术支持、产品维护、软件升级、非
标定制等均有保障；体积小、功耗低、性能可靠的终端接收机具有重要的意义。
1 系统总体设计方案
本系统的硬件平台为三星公司的S3C2440A微处理器。S3C2440A的核心处理器
（CPU）是一个由Advanced RISC Machines有限公司设计的16/32为
ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU、AMBA、BUS及Harvard
高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。
每个都是由8字节的行组成。通过提供一整套完整的通用系统外设，S3C2440A
减少整体系统成本和无需配置额外的组件[2]。
北斗导航接收机主要由射频前端、A/D转换器、基带信号处理和导航解算部分组
成。射频前端接收卫星的射频信号，经前置放大器放大后，将信号下变频为中频信
号；A/D转换器采样中频信号，把模拟信号量化编码为数字信号；基带数字信号
处理部分主要功能为：卫星信号的二维捕获、载波相位和码相位的跟踪，并且测算
出伪距；最后导航解算部分采用一定的算法消除模型误差，求解伪距方程，解析出
卫星接收机天线的地理位置，从而实现卫星定位[3]。整体设计框图如图1所示。
图1 北斗二代卫星导航仪设计框图Fig.1 Design diagram of second
generation Beidou satellite navigator
ARM处理器主要是负责对北斗基带芯片数据的响应、处理和控制。北斗基带芯片
采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕获北斗系统B1和B3频点的精密测距码
和北斗/GPS卫星的普通测距码，具有较快的捕获速度、极高的动态跟踪范围和测
量精度。为降低开发难度，方便二次开发，系统采用的是“核心板+底板”的设计
方案[4]，这样可以在核心板不变动的情况下，更改底板的功能组成，以使用不同
的功能。同时，由于核心板采用多层PCB板设计，而底板采用双层板即可，从而
大大的降低了系统的成本。系统硬件设计原理框图如图2所示。
图2 系统硬件设计原理框图Fig.2 Schematic diagram of system hardware
design
2 系统硬件电路设计
2.1 核心板电路构成
核心板采用ARM开发板最小系统设计，由S3C2440A处理器作CPU、内存
SDRAM、闪存FLASH（NOR FLASH和NAND FLASH）、晶振电路、复位电路
和启动配置电路组成[5-6]。
2.2 北斗基带芯片处理模块及电路
北斗基带芯片采用的是HwaNavchip-1芯片，可快速捕获北斗系统B1和B3频点
的精密测距码和北斗/GPS卫星的普通测距码，具有较快的捕获速度、极高的动态
跟踪范围和测量精度，通过串口输出标准的二进制或NMEA-0183格式的信号，
数据被传送到解析程序进行验证处理，计算出位置信息，并在液晶显示器上进行显
示[7]。这部分电路的主要工作原理和过程是将射频信号经过下变频成为模拟中频
信号再通过A/D转换得到导航信号，这些信号经过基带处理模块和导航信息处理
模块捕获、跟踪、解算得到输出的导航信息[7]。A/D转换和射频前端电路分别如
图3、4所示，北斗基带芯片部分电路如图5所示。
图3 A/D转换电路Fig.3 A/D conversion circuit
图4 射频前端Fig.4 RF front-end
2.3 底板硬件电路
2.3.1 彩色液晶屏接口及触摸屏驱动电路
S3C2440A内置有液晶控制器，可以支持最大256 k色TFT彩色液晶屏、最大4
k色STN彩色液晶屏。彩色屏上带有触摸屏（为四线电阻式触摸屏），用于检测
屏幕触摸输入信号，有利于提高人机交互的友好性。在使用的时候，需要一套切换
控制及ADC转换电路，用于切换触摸屏的X、Y轴输入，并进行A/D转换[8-9]。
接口与触摸屏驱动电路如图6所示。
2.3.2 网络接口电路
S3C2440A本身并没有网络接口，通过扩展网络接口的模式可以为系统提供以太
网接入，是本系统的一个重要的功能模块，主要用于电子海图更新以及相关数据上
传下载。该电路的核心芯片是DM9000E 10/100M以太网控制器，电路使用16
位总线方式进行控制，数据总线DATA0～DATA15与SD0～SD15连接，地址线
也进行相对应的连接，片选线nGCS3与芯片的AEN相连[8-9]。模块电路使用通
用的网络接口电路即可。
图5 北斗基带芯片电路Fig.5 Beidou baseband chip circuit
图6 液晶屏接口与驱动电路Fig.6 LCD interface and driver circuit
2.3.3 USB接口电路
S3C2440A具2两个USB Host控制器和1个USB Device控制器，本设计只使
用了DN0、DP0引脚作为唯一的下行口，为此还设计了1个USB集线器电路，
通过集线器可以方便对USB下行口进行扩展，USB集线器芯片采用的是MICRO
公司的AU9254[8-9]。用于电子海图、导航定位软件更新，导航数据下载保存等。
电路连接如图7所示。
2.3.4 RS-422接口电路
目前船舶驾驶台导航设备均采用RS-422接口进行数据互联，由于接收器采用高输
入阻抗和发送驱动器比RS-232更强的驱动能力，允许在相同传输线上连接多个接
收节点，所以RS-422支持点对多的双向通信，采用全双工通信模式，差模传输，
抗干扰能力强，能给ECDIS和雷达等导航设备提供实时北斗导航定位信息[10]。
电路如图8所示。
2.3.5 电源电路
本系统使用的电源电路图9所示，5 V的电源经过C46、C48和C49滤波后，由
两片低压差电源芯片将电源转换为稳定的3.3 V电源，分别给主板供电（电路图中
VDD33）和给核心板供电（电路图中PVDD33）。
图7 USB Host接口电路Fig.7 USB Host interface circuit
图8 RS-422接口电路Fig.8 RS-422 interface circuit
图9 系统电源电路Fig.9 System power supply circuit
3 硬件调试环境搭建及测试
在提出设计方案的基础上，通过实验来初步论证设计方案的可行性，本设计的系统
硬件平台搭建结果实物图如图10所示，北斗卫星导航信号处理部分初步设计电路
板如图11所示。
图10 硬件平台搭建实物图Fig.10 Physical map of hardware platforms
4 结 论
图11 北斗卫星导航信号处理电路板Fig.11 Circuit board of Beidou satellite
navigation signal process
文中主要针对我国船用导航仪设计、应用完全自主方面考虑，采用处理能力强大的
ARM处理器以及嵌入式WinCE作为系统的操作系统，以计算机技术为基础、软
硬件可剪裁设计。从实验结果可以看出，核心板加底板的设计方法能实现我国北斗
船用导航仪功能，本系统使用S3C2440A进行嵌入式系统硬件平台的搭建，为系
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实现不同领域的设计需求，降低了开发难度和成本，也缩短了开发周期。
【相关文献】
[1]Yerabati S，HU Zhen，Elkeelany -time GPS receiver implemented using Altera
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[2]江俊辉.基于ARM的嵌入式系统硬件设计[J].微计算机信息，2005，21：2-7.
JIANG re design of embedded system of ARM[J].Micro-computer
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[3]Kaplan E D，Hegarty C 原理与应用 [M].2版.寇艳红，译.北京：电子工业出版社，2007.
[4]胡剑华，庄丽葵，王彪，等.基于S3C2440的嵌入式自动驾驶仪硬件设计与实现[J].科学技术与
工程，2010，10（34）：8565-8569.
HU Jian-hua，ZHUANG Li-kui，WANG re design of embedded autopilot
based on S3C2440[J].Science Techno-logy and Engineering，2010，10（34）：8565-8569.
[5]陈艳华，侯安华，刘盼盼.基于ARM的嵌入式系统开发与实例[M].北京：人民邮电出版社，
2008.
[6]GONG Min，FANG Kang-ling，WAN Ming，et ch and design of position and
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2009，28（12）：1-4.
[7]华力创通科研部.北斗二代实验室系统技术方案[M].北京：华力创通科技股份有限公司，2011.
[8]巨政权，原亮，李浩，等.基于S3C2440和SM501的嵌入式系统硬件设计[J].计算机技术与发
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JU Zheng-quan，YUAN Liang，LI Hao，et re design ofembedded system based
on S3C2440 and SM501[J].Computer Technology and Development，2008，18（10）：
207-209.
[9]周立功.S3C2410&嵌入式Linux系统教程[M].广州：广东致远电子有限公司，2009.
[10]关政军，刘彤.航海仪器[M].大连：大连海事大学出版社，2009.