FPGA與GPS-OEM板的串行通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

　　全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System簡(jiǎn)稱GPS)是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，GPS能提供全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)三維定位，并可提供精確的時(shí)間信息。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和地面接收機(jī)部分組成。GPS定位技術(shù)的基本原理是利用測(cè)距交會(huì)定位的方法。用戶接收機(jī)接收到衛(wèi)星發(fā)播的信號(hào)并利用本機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)噪聲碼取得距離觀測(cè)量和導(dǎo)航電文：再根據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差改正信息來(lái)計(jì)算接收機(jī)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(qiáng)等特點(diǎn)。近年來(lái)，GPS在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)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(jī)價(jià)格比較昂貴，而且難以滿足特定條件下的應(yīng)用需求。因此，眾多用戶期望按照自己的使用環(huán)境和性能要求來(lái)設(shè)計(jì)和使用個(gè)性化的GPS定位接收機(jī)。出于電路面積、占用空間以及電路穩(wěn)定性和可靠性等因素的考慮，本設(shè)計(jì)選擇現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的接收、提取以及存儲(chǔ)。

　　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(hào)接收機(jī)的任務(wù)是捕獲按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的若干待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。然后對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，再解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文．最后實(shí)時(shí)計(jì)算出觀測(cè)站的三維位置、三維速度和時(shí)間等。

　　GPS-OEM板是GPS接收機(jī)的核心部件。該電路板具有接收GPS信號(hào)、處理信號(hào)、輸出觀測(cè)信號(hào)和定位結(jié)果等功能。用戶利用OEM板進(jìn)行二次硬件開(kāi)發(fā)可研制成各種應(yīng)用的GPS接收機(jī)?，F(xiàn)以GARMIN公司的GPS25 OEM板為例，該板作為GPS接收機(jī)的主要組成部分，可接收來(lái)自天線單元的信號(hào)，并通過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)量，最后產(chǎn)生計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息(包括：緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向、衛(wèi)星狀況等)，并由RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口輸出串行數(shù)據(jù)，該OEM板為12通道的GPS接收機(jī)，可以同時(shí)跟蹤多達(dá)12顆GPS衛(wèi)星，并可連續(xù)追蹤GPS衛(wèi)星，以實(shí)現(xiàn)快速定位。

　　最終用戶可以使OEM板工作在出廠設(shè)定的默認(rèn)狀態(tài)，此時(shí)無(wú)需設(shè)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(hào)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(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式。其輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。輸出默認(rèn)波特率為4800 baud。內(nèi)容包含緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)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(yīng)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(shè)置信息只在系統(tǒng)本次上電，并進(jìn)行設(shè)置后才有效。每次重新上電時(shí)均需重新設(shè)置。NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式如下：

　　$地址區(qū)>，數(shù)據(jù)區(qū)>，數(shù)據(jù)區(qū)>，…校驗(yàn)區(qū)>，CR>LF>

　　其中： $為語(yǔ)句起始標(biāo)志； 地址區(qū)為識(shí)別符； 數(shù)據(jù)區(qū)為發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容； ，為數(shù)據(jù)區(qū)分隔符； 校驗(yàn)區(qū)內(nèi)為校驗(yàn)和；CR>LF>為語(yǔ)句結(jié)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，基本上可以滿足一般的導(dǎo)航需求。GPRMC語(yǔ)句的結(jié)構(gòu)為：$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，lO>，11>，*hhCR>LF>。其中， GP為交談識(shí)別符， RMC為語(yǔ)句識(shí)別符；*是檢驗(yàn)和識(shí)別符。 hh是校驗(yàn)和，它們代表了$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(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)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(jié)，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(zhǔn)，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(yīng)用中，一般只需提取時(shí)間和位置信息，并對(duì)定位數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。