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全球定位系統(Global Positioning System簡(jiǎn)稱(chēng)GPS)是美國第二代衛星導航系統。它是在子午儀衛星導航系統的基礎上發(fā)展起來(lái)的，GPS能提供全天候、連續、實(shí)時(shí)高精度導航參數，可實(shí)現三維定位，并可提供精確的時(shí)間信息。GPS系統由空間部分、地面監控部分和地面接收機部分組成。GPS定位技術(shù)的基本原理是利用測距交會(huì )定位的方法。用戶(hù)接收機接收到衛星發(fā)播的信號并利用本機產(chǎn)生的偽隨機噪聲碼取得距離觀(guān)測量和導航電文：再根據導航電文提供的衛星位置和鐘差改正信息來(lái)計算接收機的位置。由于GPS具有全球覆蓋以及精度高、定位速度快、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強等特點(diǎn)。近年來(lái)，GPS在國內外得到廣泛的應用，并在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了極大的作用，已成為信息時(shí)代不可缺少的一部分。然而，GPS定位接收機價(jià)格比較昂貴，而且難以滿(mǎn)足特定條件下的應用需求。因此，眾多用戶(hù)期望按照自己的使用環(huán)境和性能要求來(lái)設計和使用個(gè)性化的GPS定位接收機。出于電路面積、占用空間以及電路穩定性和可靠性等因素的考慮，本設計選擇現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)來(lái)實(shí)現GPS信號的接收、提取以及存儲。 1 OEM板的工作原理和通訊協(xié)議 1.1 OEM板的工作原理 GPS信號接收機的任務(wù)是捕獲按一定衛星高度截止角所選擇的若干待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行。然后對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線(xiàn)的傳播時(shí)間，再解譯出GPS衛星所發(fā)送的導航電文．最后實(shí)時(shí)計算出觀(guān)測站的三維位置、三維速度和時(shí)間等。 GPS-OEM板是GPS接收機的核心部件。該電路板具有接收GPS信號、處理信號、輸出觀(guān)測信號和定位結果等功能。用戶(hù)利用OEM板進(jìn)行二次硬件開(kāi)發(fā)可研制成各種應用的GPS接收機�，F以GARMIN公司的GPS25 OEM板為例，該板作為GPS接收機的主要組成部分，可接收來(lái)自天線(xiàn)單元的信號，并通過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程，從而實(shí)現對GPS衛星信號的跟蹤、鎖定、測量，最后產(chǎn)生計算位置的數據信息(包括：緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向、衛星狀況等)，并由RS-232標準串口輸出串行數據，該OEM板為12通道的GPS接收機，可以同時(shí)跟蹤多達12顆GPS衛星，并可連續追蹤GPS衛星，以實(shí)現快速定位。 最終用戶(hù)可以使OEM板工作在出廠(chǎng)設定的默認狀態(tài)，此時(shí)無(wú)需設置輸入語(yǔ)句。但要使用GPS的信息，則必須通過(guò)輸出語(yǔ)句來(lái)獲得。 1.2 GPS-OEM板通信協(xié)議 GPS-OEM板的型號甚多、性能各異，但它們的GPS定位信息串行輸出格式大多采用美國國家海洋電子協(xié)會(huì )制定的NMEA-0183通信標準格式。其輸出數據采用的是ASCII碼，數據格式設置為1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗。輸出默認波特率為4800 baud。內容包含緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛星狀況等信息．常用語(yǔ)句有6種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。一般應用只關(guān)心其時(shí)間、經(jīng)緯度、地面速度信息等，因此，通常采用GPRMC最小定位信息來(lái)獲得所需信息。不過(guò)要注意，這些設置信息只在系統本次上電，并進(jìn)行設置后才有效。每次重新上電時(shí)均需重新設置。NMEA-0183通信標準格式如下： $＜地址區＞，＜數據區＞，＜數據區＞，…＜校驗區＞，＜CR＞＜LF＞ 其中： "$"為語(yǔ)句起始標志； "地址區"為識別符； "數據區"為發(fā)送數據內容； "，"為數據區分隔符； "校驗區"內為校驗和；＜CR＞＜LF＞為語(yǔ)句結束符。 下面以GPRMC語(yǔ)句為例來(lái)介紹。該語(yǔ)句包含時(shí)間、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以滿(mǎn)足一般的導航需求。GPRMC語(yǔ)句的結構為：$GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜lO＞，＜11＞，*hh＜CR＞＜LF＞。其中， "GP"為交談識別符， "RMC"為語(yǔ)句識別符；"*"是檢驗和識別符。 "hh"是校驗和，它們代表了"$"與"*"之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個(gè)字符)。 $GPRMC語(yǔ)句數據區的內容如下： (1)UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式 (2)定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位 (3)緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸) (4)緯度半球N(北半球)或S(南半球) (5)經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸) (6)經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng)) (7)地面速率(000.0～999.9節，前面的0也將被傳輸) (8)地面航向(000.0～359.9度，以真北為參考基準，前面的0也將被傳輸) (9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式 (10)磁偏角(000.0～180.0度，前面的0也將被傳輸) (11)磁偏角方向，E(東)或W(西) 實(shí)際應用中，一般只需提取時(shí)間和位置信息，并對定位數據的有效性進(jìn)行驗證。 2 串行通信系統的設計 2.1 系統通信原理 由于FPGA接口采用TTL電平，而OEM板的串行通信采用RS-232標準電平，故需電平轉換，電平轉換接口可以通過(guò)MAX202芯片來(lái)實(shí)現。GPS25有兩個(gè)串行口，其端口1可用來(lái)輸入差分修正信息和輸出衛星的原始測量信息，而端口2則用來(lái)輸入設定語(yǔ)句和輸出定位語(yǔ)句，因此，只需將FPGA接口與GPS25串行口2對應連接即可．其接口電路如圖l所示。FPGA的全局時(shí)鐘Global_clk由24 MHz的晶振產(chǎn)生。 2.2 OEM板的個(gè)性配置 當FPGA模塊完成開(kāi)機上電后．其中的異步串行發(fā)送電路將發(fā)送用戶(hù)制定的配置語(yǔ)句，以對OEM板進(jìn)行個(gè)性化的設置。 由于GPS25的默認波特率是4800 bit／s。故應將FPGA中異步串行發(fā)送電路的波特率時(shí)鐘也設置為此值，具體可通過(guò)對系統的全局時(shí)鐘進(jìn)行分頻來(lái)實(shí)現，發(fā)送完結束標志符后，FPGA中的定位信息接收讀取電路即可開(kāi)始工作，并等待數據的接收。本例用$GPRMC語(yǔ)句接收OEM板的定位信息，如果應用系統有特殊要求，還需要進(jìn)行初始化、配置以及對輸出語(yǔ)句進(jìn)行選擇。應該注意的是，NMEA-0183格式中的校驗和無(wú)需發(fā)送。 初始化可用$GRMI語(yǔ)句來(lái)實(shí)現，其結果是： 其中，＜1＞～＜4＞項用以設置地理位置，它們的格式與$GPGGA語(yǔ)句的對應項相同，第＜5＞項為UTC日期，格式為"日日月月年年"，第＜6＞項為UTC時(shí)間，格式與$GPGGA語(yǔ)句相同，第＜7＞項中，A=自動(dòng)定位，R=設備復位。 OEM板的配置可利用$PGRMC語(yǔ)句來(lái)完成。該語(yǔ)句共有14個(gè)有效項，其中第＜10＞項選擇波特率，1～7分別代表標準波特率300～19200，配置時(shí)，可以用空項表明保持原配置項不變。例如，配置為9600波特、輸出秒脈沖時(shí)，其則語(yǔ)句為： GPS25的輸出語(yǔ)句共有10多條，默認的輸出語(yǔ)句為$GPGGA等5條。用戶(hù)對輸出信息的設定可以通過(guò)$PGRMO語(yǔ)句實(shí)現。其結構是： 其中，＜1＞為合法語(yǔ)句名，如GPRMC；＜2＞為語(yǔ)句狀態(tài)，1表示禁止該語(yǔ)句輸出，2表示允許該語(yǔ)句輸出，3表示禁止所有語(yǔ)句輸出，4表示允許所有語(yǔ)句輸出。 例如，下列輸入語(yǔ)句只允許OEM板輸出$GPRMC語(yǔ)句： $PGRMO，3＜CR＞＜LF＞；禁止所有語(yǔ)句輸出。 $PGRMO，GPRMC，2＜CR＞＜LF＞；允許$GPRMC語(yǔ)輸出。 3 定位信息的接收與讀取 3.1 接收模塊的設計 本設計中的接收模塊主要負責接收由OEM板串口2輸出的導航定位信號。該模塊包括對TXD端的起始位檢測電路，采樣電路，波特率發(fā)生器和異步FIFO緩存設計等。本例中的波特率發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)鐘分頻器，所產(chǎn)生的分頻時(shí)鐘是波特率時(shí)鐘的16倍，目的是為了在接收時(shí)進(jìn)行精確的采樣，以提出異步串行數據，同時(shí)，也可為異步FIFO提供寫(xiě)時(shí)鐘。 接收之前應對從OEM板直接輸出的RXD信號進(jìn)行同步處理，以濾除輸出中的干擾，降低異步時(shí)域數據傳輸中亞穩態(tài)產(chǎn)生的概率，提高系統的穩定性和可靠性。本設計采用兩級D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現信號同步。根據異步傳輸的通訊協(xié)議，當電路檢測到OEM板同步后的輸出端syn_TXD發(fā)生負跳變時(shí)。整個(gè)接收采樣電路開(kāi)始工作。為了避免干擾和得到正確的起始位，在波特率時(shí)鐘檢測過(guò)程中，至少必須有一半屬于邏輯0，即8個(gè)時(shí)鐘周期后，才可認定收到是可靠的起始位。當接收到正確的起始位后．接著(zhù)的數據位將每隔16個(gè)采樣周期被采樣一次。即取每一位的第8次的波特率時(shí)鐘采樣值來(lái)確保采樣正確。圖2所示是本系統的串口接收狀態(tài)圖。連續采樣8次后，即一個(gè)字節數據接收完成之后，便可設置位結束標志。每采樣一個(gè)字節數據，都先放入FIFO中緩存。由于GPRMC格式數據所傳輸的最大字節數是72Byte，故當接收完一組數據之后，都要對FIFO的滿(mǎn)信號置位，并由外部的全局時(shí)鐘控制將里面緩存的數據讀出，以供后續部分處理。讀完之后，即可接收到后續模塊的結束標志，然后復位讀使能，以等待下一組數據的到來(lái)。其仿真結果如圖3所示。 3.2數據校驗和存儲設計 要正確讀取OEM板的輸出語(yǔ)句，首先是判斷語(yǔ)句類(lèi)型，其次是存放數據，然后再確定語(yǔ)句的結束標志。本例中將接收的數據存放在FPGA內部設定的RAM中，而對時(shí)間，位置等信息的提取和處理則在其它部分完成。 數據校驗模塊由FIFO的滿(mǎn)信號啟動(dòng)。當檢測到滿(mǎn)信號有效時(shí)。校驗模塊連續的讀取數據并進(jìn)行處理。當檢測到起始標志"$"后，即進(jìn)入數據讀取和檢測。輸出數據是以語(yǔ)句的形式出現的，每條語(yǔ)句代表一種數據，每種數據都有它自己的識別碼，所以，要根據收到的語(yǔ)句識別碼來(lái)判斷該語(yǔ)句是否為所需要的內容(如GPRMC中，"GP"為識別符，"RMC"為語(yǔ)句名)。 根據NMEA-0183通信標準格式的內容，可對所接收到的數據進(jìn)行檢驗。即對接收到的信息逐字節異或。當接收到"*"時(shí)，比較下一字符"hh"與實(shí)際異或值是否相等。若相等，即所接收的數據正確；若不等，則所接收數據無(wú)效，系統隨之復位存儲設備，并等待檢測下一組數據。當檢測到結束符＜CR＞＜LF＞時(shí)，標志數據讀取結束，系統向FIFO發(fā)出結束標志，并等待下一次數據檢測。其系統校驗流程圖如圖4所示。 4 結束語(yǔ) 本文結合PFGA和GPS-25型OEM板的硬件特點(diǎn)，分析了FPGA和OEM板的串行通訊問(wèn)題，同時(shí)重點(diǎn)分析了讀取GPS定位信息的設計問(wèn)題。 |
