一種GPS定位替代系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

5 替代系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA 的核心部分是邏輯單元陣列(LCA -LogicCell Array)；LCA 的主體部分是由相同的可編程邏輯模塊(CLB) 構(gòu)成的矩陣，每個(gè)LCA 含有可編程的組合邏輯和寄存器，LCA通過內(nèi)部的可編程布線通道的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)，把邏輯晶體管按設(shè)計(jì)要求連接在一起以綜合陣列中的邏輯功能。這些功能和互連是由存儲(chǔ)在單片存儲(chǔ)器(EEPROM)中的可配置程序控制。LCA 的配置文件由這些存儲(chǔ)器自動(dòng)裝入或由微處理器將其作芯片初始化的一部分進(jìn)行初始定義。FPGA 芯片邏輯功能的配置基于內(nèi)部陣列分布的SRAM，即通過對(duì)分布的SRAM 的不同的加電配置來決定各個(gè)部分的邏輯定義。FPGA 由五部分組成：

1) 輸出塊(IOBs)：提供封裝腿與CLB 之間的接口它支持多種IO 接口信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)；

2) 配置邏輯塊(CLBs)：提供構(gòu)造邏輯的功能元件；

3) 多個(gè)4K的專用塊RAM；

4) DLL：共4個(gè)位于片子四個(gè)角,用于時(shí)鐘分布延時(shí)補(bǔ)償和時(shí)鐘域控制；

5) 三態(tài)緩沖器,將驅(qū)動(dòng)專用分段水平布線資源。

本設(shè)計(jì)主要包括輸入、輸出，子模塊黑盒子(Black Box)聲明，以及子模塊之間的連接關(guān)系，子模塊間的接口以及子模塊與頂層模塊的接口，設(shè)計(jì)所做的實(shí)驗(yàn)是基于Quartus II，它是Altera前一代FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境 MAX+plusII 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用便捷。在Quartus II提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便的進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。由于FPGA的原理、編程和使用方法已經(jīng)有大量的文章論述了，本文不在此進(jìn)一步解釋程序中的編程。從結(jié)構(gòu)上講，本設(shè)計(jì)的整個(gè)定位系統(tǒng)總共由3部分組成， 它們分別是：功能控制鍵輸入系統(tǒng)，3個(gè)無線電收音機(jī)報(bào)時(shí)接收器的并行輸入系統(tǒng)，計(jì)算部分和顯示部分。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。每一個(gè)地方發(fā)送過來的信號(hào)的頻率都是不一樣的，所以系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置不同的頻率接收不同的電臺(tái)報(bào)時(shí)。本設(shè)計(jì)中規(guī)定來自北京的接收信號(hào)1，來自上海的接收信號(hào)2，而來自武漢的接收信號(hào)3。在所需要的信號(hào)接受完后，經(jīng)過FPGA芯片系統(tǒng)對(duì)接收信號(hào)時(shí)間間隔的運(yùn)算，可以計(jì)算出設(shè)備所在地的具體位置，這個(gè)位置在顯示部分顯示出來，按鍵的作用是控制輸入信號(hào)接受器和啟動(dòng)計(jì)算并顯示。

6 結(jié)論

本文在分析目前使用的GPS定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討了通過接收不同城市廣播電臺(tái)的同時(shí)發(fā)出的報(bào)時(shí)信號(hào)，算出這三個(gè)地方距離定位設(shè)備所在地的距離，進(jìn)而確定本地的確切地理位置。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn),本系統(tǒng)可以作為廉價(jià)的汽車定位系統(tǒng)嵌入到汽車的FPGA或單片機(jī)控制系統(tǒng)中。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):（1）接收系統(tǒng)只使用了3個(gè)收音機(jī)的接收部分外加一個(gè)FPGA位置計(jì)算模塊，技術(shù)含量要求低，造價(jià)便宜；（2）平時(shí)本系統(tǒng)可以和衛(wèi)星定位系統(tǒng)相互補(bǔ)充同時(shí)使用；當(dāng)衛(wèi)星受到干擾不能正常工作時(shí)（或戰(zhàn)時(shí)衛(wèi)星受到攻擊被摧毀時(shí)），本系統(tǒng)可以作為軍用的一種定位替代系統(tǒng)；（3）本系統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)研究如果能進(jìn)一步開發(fā)成為產(chǎn)品將擁有廣闊的市場(chǎng)。