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FPGA與GPS-OEM板的串行通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-01-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/156775.htm

  全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System簡稱GPS)是美國第二代衛(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,GPS在國內(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,本選擇現(xiàn)場可編程門陣列()來實(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衛(wèi)星的信號(hào),并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。然后對所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理,以便測量出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)算出觀測站的三維位置、三維速度和時(shí)間等。

  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,可接收來自天線單元的信號(hào),并通過變頻、放大、濾波等一系列處理過程,從而實(shí)現(xiàn)對GPS衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、鎖定、測量,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)無需設(shè)置輸入語句。但要使用GPS的信息,則必須通過輸出語句來獲得。

  1.2 板通信協(xié)議

  板的型號(hào)甚多、性能各異,但它們的GPS定位信息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(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最小定位信息來獲得所需信息。不過要注意,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>為語句結(jié)束符。

  下面以GPRMC語句為例來介紹。該語句包含時(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,并對定位數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。


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