【CPKCOR-RA8D1】基于CPKCOR-RA8D1的GNSS RTK系统设计

ti · 本主题由从前有座_山于 2025-11-10 09:01 审核通过

  GNSS RTK（Global Navigation Satellite System Real-Time Kinematic，全球导航卫星系统实时动态差分）是一种高精度定位技术，通过基站与流动站的协同工作，可实现厘米级甚至毫米级的实时定位精度，广泛应用于测绘、精准农业、自动驾驶、工程施工等领域。基于瑞萨RA8D1微控制器设计GNSS RTK接收机，依靠瑞萨RA8D1单片机的高性能处理能力、丰富外设接口及低功耗特性，搭配GNSS模组（如UM982）实现实时动态差分定位。

一、系统设计目标
支持RTK差分定位（固定解精度达厘米级）。实现基站与流动站数据交互（如RTCM数据传输）。支持RS232，RS485，CAN，RJ45多种输出，支持ROS系统。具备高效数据处理、存储及外设扩展能力。满足低功耗、小型化及工业级可靠性要求。
二、硬件架构设计
   设计框图：

1. 核心控制器：CPKCOR-RA8D1基于瑞萨RA8D1高性能单片机。
   核心优势：基于ARM CortexM85内核（最高240MHz主频），支持单精度浮点运算（FPU），适合RTK解算辅助处理；内置丰富外设（UART、SPI、Ethernet、CAN、ADC等），满足多模组互联需求；支持安全加密（TrustZoneM），适合户外设备安全防护。支持单 / 双精度 FPU 和 DSP 指令，可辅助 RTK 解算中的浮点运算（如载波相位差分、基线解算），可以快速解析复杂的 RTCM3.x 帧结构。RA 系列内置多达 8 个 UART 接口，支持硬件流控（RTS/CTS）和 IrDA 模式，可直接通过外部电平转换芯片（如 MAX232/MAX485）实现 RS232/RS485 通信。UART 波特率最高可达 3Mbps，满足 RTK 差分数据（如 RTCM3.2）的高速传输需求；支持中断 / DMA 接收，避免数据丢包（关键于 RTK 固定解稳定性）。内置 2-6 个 CAN FD 控制器（兼容传统 CAN 2.0），支持最高 8Mbps 速率，具备错误检测、自动重传功能，适合工业环境下的多节点通信（如车载 RTK 与自动驾驶系统互联）。内置 10/100Mbps 以太网 MAC+PHY，支持 IEEE 1588 PTP 精确时间同步，可通过 TCP/UDP 协议传输海量差分数据（如基站向多个流动站广播 RTCM）。
2. GNSS模组接口（以UM982为例）
通信接口：主UART（如UART0）：连接UM982的TX/RX，传输原始观测数据（如UBX格式）和配置指令，波特率设为115200bps。  PPS同步：UM982的PPS（秒脉冲）输出连接RA8D1的GPIO（如P100），用于时间同步，确保基站与流动站时钟对齐（  RTK解算关键）。
  天线接口：UM982外接高增益GNSS天线（支持多星座：GPS、北斗、GLONASS、Galileo），通过SMA接口连接，需匹配低噪声放大器（LNA）减少信号损耗。
  3. 差分数据传输模块
基站→流动站数据链路：
无线传输：若为移动场景，通过RA8D1的UART1连接4G/5G模组（如移远EC20）或LoRa模组（如Semtech SX1276），传输RTCM3.2差分数据（波特率9600115200bps）。
有线传输：固定场景可通过RA8D1的Ethernet接口（内置MAC+PHY）连接局域网，基于TCP/UDP协议传输差分数据。
接口保护：在UART/Ethernet接口处添加TVS管（如SMBJ6.5A）和ESD保护电路，增强户外抗干扰能力。

4. 存储模块
数据记录：通过SPI1连接NOR Flash（W25Q128）存储配置参数、日志及历史定位数据；或通过SDIO接口连接SD卡，存储大容量原始观测数据（供后处理分析）。
  实时时钟（RTC）：外接低功耗RTC芯片，在GNSS信号丢失时提供时间基准，通过I2C接口与RA8D1通信。
5. 电源与外围电路
宽压输入：支持9-36V直流输入（适应车载/工业电源），通过DC-DC转换器（如LM2596）转换为5V，再经LDO输出3.3V给RA8D1、GNSS模组等。
指示灯：通过RA8D1的GPIO控制LED，指示系统供电、GNSS信号强度、RTK固定解状态（如固定解时绿灯常亮，浮点解时闪烁）。

三、软件系统设计
1. 开发环境与底层驱动
开发工具：使用瑞萨e² studio IDE，基于FreeRTOS实时操作系统（RA8D1官方支持），实现多任务调度。
外设驱动：
配置UART中断接收GNSS数据（UM982的UBX/RTCM帧），通过DMA减少CPU占用。
实现SPI/I2C驱动，控制Flash、RTC等外设。
开发网络驱动（Ethernet/LoRa/4G），封装TCP/UDP协议栈（如lwIP）用于差分数据传输。

#include "hal_data.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include
#include
// 宏定义
#define UART_GNSS_BAUDRATE 115200 // UM982通信波特率
#define UART_DIFF_BAUDRATE 115200 // 差分数据传输波特率
#define MAX_GNSS_BUF_LEN 512 // GNSS数据缓冲区大小
#define RTK_FIXED_STATE 3 // 固定解状态码（参考UM982手册）
#define PPS_GPIO_PORT BSP_IO_PORT_01 // PPS信号引脚（示例）
// UM982 UBX帧结构（简化）
typedef struct {
uint8_t class; // 消息类（如0x01=NAV）
uint8_t id; // 消息ID（如0x02=POSLLH）
uint16_t len; // payload长度
uint8_t payload[256];// 数据载荷
uint16_t checksum; // 校验和
} ubx_frame_t;
// RTK状态信息
typedef struct {
uint8_t rtk_stat; // 0=单点解, 1=浮点解, 3=固定解
double lat; // 纬度（度）
double lon; // 经度（度）
double alt; // 高程（米）
} rtk_info_t;
// 全局变量
QueueHandle_t g_gnss_queue; // GNSS数据队列
rtk_info_t g_rtk_info = {0}; // RTK状态全局变量

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void hardware_init(void) {
// 初始化GPIO（PPS信号输入）
R_IOPORT_Open(&g_ioport_ctrl, g_ioport.p_cfg);
R_IOPORT_PinCfg(&g_ioport_ctrl, PPS_GPIO_PORT, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT);
// 初始化GNSS UART（连接UM982）
g_uart0.p_api->open(g_uart0.p_ctrl, g_uart0.p_cfg);
g_uart0.p_api->baudSet(g_uart0.p_ctrl, UART_GNSS_BAUDRATE, NULL);
// 初始化差分数据UART（传输RTCM）
g_uart1.p_api->open(g_uart1.p_ctrl, g_uart1.p_cfg);
g_uart1.p_api->baudSet(g_uart1.p_ctrl, UART_DIFF_BAUDRATE, NULL);
// 创建FreeRTOS队列（用于传递GNSS数据）
g_gnss_queue = xQueueCreate(10, MAX_GNSS_BUF_LEN);
if (g_gnss_queue == NULL) {
// 队列创建失败处理
while(1);
}
}

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2. GNSS数据处理流程
数据解析：在FreeRTOS任务中解析UM982输出的UBX格式数据（如导航电文、原始伪距、载波相位），提取卫星信息、时间戳、位置初值。
RTK解算辅助：
若作为基站：RA8D1接收UM982的原始数据，结合已知基站坐标生成RTCM3.2差分电文（如1005、1077帧），通过传输模块发送给流动站。
若作为流动站：接收基站RTCM数据，与本地UM982的观测数据融合，通过RA8D1的FPU加速差分算法（或调用UM982内置RTK解算功能，直接获取固定解结果）。
解状态判断：解析UM982的RTK状态帧（如UBXNAVRTK），获取解类型（固定解/浮点解/单点解），通过LED或串口上报。

// UART0中断回调（接收UM982输出的UBX/RTCM数据）
void uart0_callback(uart_callback_args_t *p_args) {
static uint8_t gnss_buf[MAX_GNSS_BUF_LEN] = {0};
static uint16_t buf_idx = 0;
if (p_args->event == UART_EVENT_RX_CHAR) {
// 接收单字节数据
gnss_buf[buf_idx++] = (uint8_t)p_args->data;
// 缓冲区满或检测到UBX帧尾（0x1B）时，发送到队列
if (buf_idx >= MAX_GNSS_BUF_LEN || gnss_buf[buf_idx-1] == 0x1B) {
xQueueSendFromISR(g_gnss_queue, gnss_buf, NULL);
buf_idx = 0;
memset(gnss_buf, 0, MAX_GNSS_BUF_LEN);
}
}
}

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[code]// 校验UBX帧校验和
static bool ubx_checksum_valid(ubx_frame_t *frame) {
uint8_t ck_a = 0, ck_b = 0;
// 计算校验和（覆盖class、id、len、payload）
ck_a += frame->class;
ck_b += ck_a;
ck_a += frame->id;
ck_b += ck_a;
ck_a += (frame->len >> 8) & 0xFF;
ck_b += ck_a;
ck_a += frame->len & 0xFF;
ck_b += ck_a;
for (int i=0; ilen; i++) {
      ck_a += frame->payload;
      ck_b += ck_a;
}
// 对比帧中校验和
return (ck_a == (frame->checksum >> 8)) && (ck_b == (frame->checksum & 0xFF));
}

// 解析UBX-NAV-RTK帧（获取RTK状态）
static void parse_ubx_nav_rtk(uint8_t *data, uint16_t len) {
if (len < 4) return; // 最小长度检查
// RTK状态码位于payload第3字节（参考UM982手册）
g_rtk_info.rtk_stat = data[3];
// 打印状态（调试用）
switch(g_rtk_info.rtk_stat) {
      case 0: printf("RTK状态：单点解\n"); break;
      case 1: printf("RTK状态：浮点解\n"); break;
      case 3: printf("RTK状态：固定解\n"); break;
      default: printf("RTK状态：未知\n");
}
}

// 解析UBX-NAV-POSLLH帧（获取经纬度）
static void parse_ubx_nav_posllh(uint8_t *data, uint16_t len) {
if (len < 28) return; // 确保数据完整
// 纬度（1e-7度）：payload[8-11]为int32_t
int32_t lat_raw = *(int32_t*)(data + 8);
g_rtk_info.lat = lat_raw / 1e7;
// 经度（1e-7度）：payload[12-15]
int32_t lon_raw = *(int32_t*)(data + 12);
g_rtk_info.lon = lon_raw / 1e7;
// 高程（毫米）：payload[20-23]
int32_t alt_raw = *(int32_t*)(data + 20);
g_rtk_info.alt = alt_raw / 1000.0;
printf("位置：%.8f, %.8f, %.2f米\n", g_rtk_info.lat, g_rtk_info.lon, g_rtk_info.alt);
}

// 主解析函数
void parse_gnss_data(uint8_t *buf, uint16_t len) {
ubx_frame_t frame;
// 查找UBX帧头（0xB5, 0x62）
for (int i=0; i

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