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[MCU] 基于瑞萨CPKCOR-RA8D1的RTK系统设计

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abner_ma 发表于 2025-11-9 20:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
系统设计, ar, 瑞萨, CPKCOR-RA8D1,
   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：基于瑞萨CPKCOR-RA8D1开发板，搭载瑞萨RA8D1高性能单片机，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（UM982）
   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，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SPI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9-60V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。

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。
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  1. #include "hal_data.h"
    

  2. #include "FreeRTOS.h"
    

  3. #include "task.h"
    

  4. #include "queue.h"
    

  5. #include <string.h>
    

  6. #include <stdio.h>
    


  7. 

  8. // 宏定义
    

  9. #define UART_GNSS_BAUDRATE     115200    // UM982通信波特率
    

  10. #define UART_DIFF_BAUDRATE     115200    // 差分数据传输波特率
    

  11. #define MAX_GNSS_BUF_LEN       512       // GNSS数据缓冲区大小
    

  12. #define RTK_FIXED_STATE        3         // 固定解状态码（参考UM982手册）
    

  13. #define PPS_GPIO_PORT          BSP_IO_PORT_01    // PPS信号引脚（示例）
    


  14. 

  15. // UM982 UBX帧结构（简化）
    

  16. typedef struct {
    

  17.     uint8_t class;       // 消息类（如0x01=NAV）
    

  18.     uint8_t id;          // 消息ID（如0x02=POSLLH）
    

  19.     uint16_t len;        //  payload长度
    

  20.     uint8_t payload[256];// 数据载荷
    

  21.     uint16_t checksum;   // 校验和
    

  22. } ubx_frame_t;
    


  23. 

  24. // RTK状态信息
    

  25. typedef struct {
    

  26.     uint8_t rtk_stat;    // 0=单点解, 1=浮点解, 3=固定解
    

  27.     double lat;          // 纬度（度）
    

  28.     double lon;          // 经度（度）
    

  29.     double alt;          // 高程（米）
    

  30. } rtk_info_t;
    


  31. 

  32. // 全局变量
    

  33. QueueHandle_t g_gnss_queue;       // GNSS数据队列
    

  34. rtk_info_t g_rtk_info = {0};      // RTK状态全局变量
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  1. void hardware_init(void) {
    

  2.     // 初始化GPIO（PPS信号输入）
    

  3.     R_IOPORT_Open(&g_ioport_ctrl, g_ioport.p_cfg);
    

  4.     R_IOPORT_PinCfg(&g_ioport_ctrl, PPS_GPIO_PORT, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT);
    


  5. 

  6.     // 初始化GNSS UART（连接UM982）
    

  7.     g_uart0.p_api->open(g_uart0.p_ctrl, g_uart0.p_cfg);
    

  8.     g_uart0.p_api->baudSet(g_uart0.p_ctrl, UART_GNSS_BAUDRATE, NULL);
    


  9. 

  10.     // 初始化差分数据UART（传输RTCM）
    

  11.     g_uart1.p_api->open(g_uart1.p_ctrl, g_uart1.p_cfg);
    

  12.     g_uart1.p_api->baudSet(g_uart1.p_ctrl, UART_DIFF_BAUDRATE, NULL);
    


  13. 

  14.     // 创建FreeRTOS队列（用于传递GNSS数据）
    

  15.     g_gnss_queue = xQueueCreate(10, MAX_GNSS_BUF_LEN);
    

  16.     if (g_gnss_queue == NULL) {
    

  17.         // 队列创建失败处理
    

  18.         while(1);
    

  19.     }
    

  20. }
复制
  1. // UART0中断回调（接收UM982输出的UBX/RTCM数据）
    

  2. void uart0_callback(uart_callback_args_t *p_args) {
    

  3.     static uint8_t gnss_buf[MAX_GNSS_BUF_LEN] = {0};
    

  4.     static uint16_t buf_idx = 0;
    


  5. 

  6.     if (p_args->event == UART_EVENT_RX_CHAR) {
    

  7.         // 接收单字节数据
    

  8.         gnss_buf[buf_idx++] = (uint8_t)p_args->data;
    


  9. 

  10.         // 缓冲区满或检测到UBX帧尾（0x1B）时，发送到队列
    

  11.         if (buf_idx >= MAX_GNSS_BUF_LEN || gnss_buf[buf_idx-1] == 0x1B) {
    

  12.             xQueueSendFromISR(g_gnss_queue, gnss_buf, NULL);
    

  13.             buf_idx = 0;
    

  14.             memset(gnss_buf, 0, MAX_GNSS_BUF_LEN);
    

  15.         }
    

  16.     }
    

  17. }
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  1. // 校验UBX帧校验和
    

  2. static bool ubx_checksum_valid(ubx_frame_t *frame) {
    

  3.     uint8_t ck_a = 0, ck_b = 0;
    

  4.     // 计算校验和（覆盖class、id、len、payload）
    

  5.     ck_a += frame->class;
    

  6.     ck_b += ck_a;
    

  7.     ck_a += frame->id;
    

  8.     ck_b += ck_a;
    

  9.     ck_a += (frame->len >> 8) & 0xFF;
    

  10.     ck_b += ck_a;
    

  11.     ck_a += frame->len & 0xFF;
    

  12.     ck_b += ck_a;
    

  13.     for (int i=0; i<frame->len; i++) {
    

  14.         ck_a += frame->payload[i];
    

  15.         ck_b += ck_a;
    

  16.     }
    

  17.     // 对比帧中校验和
    

  18.     return (ck_a == (frame->checksum >> 8)) && (ck_b == (frame->checksum & 0xFF));
    

  19. }
    


  20. 

  21. // 解析UBX-NAV-RTK帧（获取RTK状态）
    

  22. static void parse_ubx_nav_rtk(uint8_t *data, uint16_t len) {
    

  23.     if (len < 4) return; // 最小长度检查
    

  24.     // RTK状态码位于payload第3字节（参考UM982手册）
    

  25.     g_rtk_info.rtk_stat = data[3];
    

  26.     // 打印状态（调试用）
    

  27.     switch(g_rtk_info.rtk_stat) {
    

  28.         case 0: printf("RTK状态：单点解\n"); break;
    

  29.         case 1: printf("RTK状态：浮点解\n"); break;
    

  30.         case 3: printf("RTK状态：固定解\n"); break;
    

  31.         default: printf("RTK状态：未知\n");
    

  32.     }
    

  33. }
    


  34. 

  35. // 解析UBX-NAV-POSLLH帧（获取经纬度）
    

  36. static void parse_ubx_nav_posllh(uint8_t *data, uint16_t len) {
    

  37.     if (len < 28) return; // 确保数据完整
    

  38.     // 纬度（1e-7度）：payload[8-11]为int32_t
    

  39.     int32_t lat_raw = *(int32_t*)(data + 8);
    

  40.     g_rtk_info.lat = lat_raw / 1e7;
    

  41.     // 经度（1e-7度）：payload[12-15]
    

  42.     int32_t lon_raw = *(int32_t*)(data + 12);
    

  43.     g_rtk_info.lon = lon_raw / 1e7;
    

  44.     // 高程（毫米）：payload[20-23]
    

  45.     int32_t alt_raw = *(int32_t*)(data + 20);
    

  46.     g_rtk_info.alt = alt_raw / 1000.0;
    

  47.     printf("位置：%.8f, %.8f, %.2f米\n", g_rtk_info.lat, g_rtk_info.lon, g_rtk_info.alt);
    

  48. }
    


  49. 

  50. // 主解析函数
    

  51. void parse_gnss_data(uint8_t *buf, uint16_t len) {
    

  52.     ubx_frame_t frame;
    

  53.     // 查找UBX帧头（0xB5, 0x62）
    

  54.     for (int i=0; i<len-2; i++) {
    

  55.         if (buf[i] == 0xB5 && buf[i+1] == 0x62) {
    

  56.             // 解析帧结构
    

  57.             frame.class = buf[i+2];
    

  58.             frame.id = buf[i+3];
    

  59.             frame.len = (buf[i+4] << 8) | buf[i+5];
    

  60.             memcpy(frame.payload, &buf[i+6], frame.len);
    

  61.             frame.checksum = (buf[i+6+frame.len] << 8) | buf[i+7+frame.len];
    

  62.             
    

  63.             // 校验并解析特定帧
    

  64.             if (ubx_checksum_valid(&frame)) {
    

  65.                 if (frame.class == 0x01 && frame.id == 0x39) { // NAV-RTK帧
    

  66.                     parse_ubx_nav_rtk(frame.payload, frame.len);
    

  67.                 } else if (frame.class == 0x01 && frame.id == 0x02) { // NAV-POSLLH帧
    

  68.                     parse_ubx_nav_posllh(frame.payload, frame.len);
    

  69.                 }
    

  70.             }
    

  71.             break;
    

  72.         }
    

  73.     }
    

  74. }
复制
  1. // 任务1：接收GNSS数据并解析
    

  2. void gnss_parse_task(void *pvParameters) {
    

  3.     uint8_t rx_buf[MAX_GNSS_BUF_LEN];
    

  4.     while(1) {
    

  5.         // 从队列读取数据
    

  6.         if (xQueueReceive(g_gnss_queue, rx_buf, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
    

  7.             parse_gnss_data(rx_buf, MAX_GNSS_BUF_LEN);
    

  8.             memset(rx_buf, 0, MAX_GNSS_BUF_LEN);
    

  9.         }
    

  10.     }
    

  11. }
    


  12. 

  13. // 任务2：基站模式下发送RTCM差分数据
    

  14. void base_station_task(void *pvParameters) {
    

  15.     uint8_t rtcm_buf[MAX_GNSS_BUF_LEN];
    

  16.     while(1) {
    

  17.         // 若为基站，将UM982生成的RTCM数据转发给流动站
    

  18.         // （实际应用中需过滤RTCM帧，此处简化为直接转发）
    

  19.         if (xQueueReceive(g_gnss_queue, rtcm_buf, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
    

  20.             // 检查是否为RTCM帧（帧头0xD3）
    

  21.             if (rtcm_buf[0] == 0xD3) {
    

  22.                 g_uart1.p_api->write(g_uart1.p_ctrl, rtcm_buf, MAX_GNSS_BUF_LEN, NULL);
    

  23.             }
    

  24.             memset(rtcm_buf, 0, MAX_GNSS_BUF_LEN);
    

  25.         }
    

  26.         vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 10ms间隔
    

  27.     }
    

  28. }
    


  29. 

  30. // 任务3：LED状态指示（固定解亮绿灯，否则闪烁）
    

  31. void led_indicator_task(void *pvParameters) {
    

  32.     while(1) {
    

  33.         if (g_rtk_info.rtk_stat == RTK_FIXED_STATE) {
    

  34.             // 固定解：绿灯常亮
    

  35.             R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_02, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
    

  36.             vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    

  37.         } else {
    

  38.             // 非固定解：绿灯闪烁
    

  39.             R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_02, BSP_IO_LEVEL_HIGH);
    

  40.             vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
    

  41.             R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_02, BSP_IO_LEVEL_LOW);
    

  42.             vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
    

  43.         }
    

  44.     }
    

  45. }


3. 系统功能模块
配置管理：通过串口指令或Web服务器（基于RA8D1的Ethernet）配置GNSS参数（如星座选择、更新率）、差分数据传输协议（TCP/UDP端口）。  
日志记录：将定位结果（时间、经纬度、高程、解状态）按格式写入Flash/SD卡，支持后期数据导出分析。  
异常处理：检测GNSS信号丢失、差分链路中断等故障，触发重试机制或报警（如蜂鸣器）。

成果展示：



  GPS Count 当前接收到有效信号的 GPS 卫星数量充足，GPS Lock3D RTK 固定解、HDOP/VDOP 数值小，说明当前定位精度高、可靠性强；Course Over Ground 则用于指示移动方向，适合导航或轨迹记录场景。

四、创新点
1. 时间同步：利用UM982的PPS信号与RA8D1的定时器同步，确保基站与流动站观测数据的时间戳误差小于1ms（RTK解算精度关键）。  
2. 差分数据完整性：在无线传输中加入校验（如CRC），避免数据丢包导致解算失败；实现数据缓存机制，应对短时间链路中断。  
3. 低功耗优化：通过RA8D1的睡眠模式（如STOP模式），在GNSS信号稳定时降低CPU主频，关闭闲置外设（如Ethernet），延长户外设备续航。  
4. 抗干扰设计：硬件上增加电源滤波电容、信号屏蔽层；软件上采用数据平滑算法（如卡尔曼滤波），减少多路径效应影响。
5.多通信接口输出，依靠瑞萨RA1丰富的通信接口，输出RS232.485，CANFD协议，RJ45,
五、应用场景
精准农业：流动站安装在农机上，通过RTK定位实现厘米级作业路径控制。  
工程测量：基站固定于已知点，流动站手持或车载，快速获取测点精确坐标。  
智能驾驶：通过RA8D1的CAN接口连接车载总线，或添加IMU（如BNO055）实现GNSS/IMU组合导航，提升遮挡场景下的定位连续性。



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