基于NIOSⅡ的GPS信息接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(CPS)可以時(shí)海陸空進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航，其應(yīng)用日益廣泛，通過GPS定位系統(tǒng)及其信息接收裝置可以實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前所在位置的確定 系統(tǒng)使用天線接收GPS衛(wèi)星信號，并在μC／OS操作系統(tǒng)下用NIOS處理器進(jìn)行分析處理，以保證其實(shí)時(shí)性，最終輸出位置、速度等信息進(jìn)行定位。本系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證，定位具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：GPS；衛(wèi)星定位；NIOS處理器；μC／OS操作系統(tǒng)

0 引言
GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在天空中是由24顆衛(wèi)星組成的GPS星座構(gòu)成，它們特定的排列方式可以使地球上任何地方任何時(shí)刻都可以觀測到四顆及以上衛(wèi)星，定位精度高，是現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中最常用的技術(shù)比較成熟和穩(wěn)定的定位系統(tǒng)，因此在當(dāng)今社會GPS的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋陸地、海洋以及航空航天方面的應(yīng)用，尤其是車輛導(dǎo)航、航程航線測定、船只實(shí)時(shí)調(diào)度與導(dǎo)航等都可以看成是一個(gè)個(gè)GPS顯示系統(tǒng)。可見，GPS顯示系統(tǒng)能為人們的生活和工作帶來許多方便，所以GPS信息接收和顯示裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)具有廣闊的發(fā)展前景。
GPS信息的接收模塊技術(shù)如今比較成熟，主要可以分為軍事和民用的兩類。民用的GPS芯片對于精度的要求并不是很高，但基本都能滿足人們的實(shí)用要求。由于GPS模塊接收到的數(shù)據(jù)無法直接讀取，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的信息接收轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)，將GPS模塊接收的定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠直接讀取的格式并顯示出來。
本文設(shè)計(jì)的基于NIOS處理器的GPS定位信息顯示系統(tǒng)的主要目的是接收GPS定位衛(wèi)星的定位信息并實(shí)現(xiàn)時(shí)間、經(jīng)度、緯度以及速度等信息的實(shí)時(shí)顯示，為人們的日常生活帶來便利。

1 系統(tǒng)的原理及整體設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)原理
GPS模塊接收GPS定位衛(wèi)星發(fā)射的信號，并在其內(nèi)部經(jīng)過一系列的信息處理解析出具有一定格式的、可讀性較強(qiáng)的導(dǎo)航電文，其中包含了經(jīng)緯度和速度等定位信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的GPS信息接收系統(tǒng)，主要是基于FPGA完成的，通過Verilog硬件描述語言在FPGA上嵌入NIOSⅡ處理器，并引入μC／OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的工作，通過C語言編程從GPS模塊輸出的定位信息中提取經(jīng)緯度和速度等信息，并利用液晶顯示器顯示出來。
GPS的輸出數(shù)據(jù)遵循NMEA-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即美國海軍的電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議定義了GPS接收模塊輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息，最常用、兼容性最廣的語句格式包括：$GPRMC，$GPGGA，$GPGSV，$GPGSA，$GPGLL等。本設(shè)計(jì)選用$GPRMC，其數(shù)據(jù)格式為：
$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，10>，11>，12>*hh
其中：1>為格林尼治時(shí)間；2>為定位狀態(tài)，A=有效定位；3>為緯度；4>為緯度半球；5>為經(jīng)度；6>為經(jīng)度半球；7>為地面速率；8>為地面航向；9>為格林尼治日期。
1．2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體分為五大部分：GPS接收模塊、FPGA及其內(nèi)部NIOSⅡ處理器部分、擴(kuò)展存儲部分、液晶顯示部分及下載線部分。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

(1)GPS接收模塊。能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大等處理，測出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳輸時(shí)間，從而解譯出GPS所發(fā)送的導(dǎo)航電文。此過程完全在現(xiàn)有的GPS模塊中完成，本設(shè)計(jì)只需要了解其輸出數(shù)據(jù)的格式并完成對它的解析即可。
(2)FPGA及其內(nèi)部NIOSⅡ處理器部分。通過使用Verilog硬件描述語言在FPGA上搭建一個(gè)MOSⅡ處理器，并描述出FPGA內(nèi)部邏輯電路的連接方式，然后在NIOSⅡ處理器中移植入一個(gè)μC／OS操作系統(tǒng)，采用C語言編程控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，對GPS導(dǎo)航電文進(jìn)行解析并控制液晶顯示等。
(3)擴(kuò)展存儲部分。片外的FLASH和SDRAM擴(kuò)展了系統(tǒng)的容量，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的編程，完成復(fù)雜的任務(wù)，本設(shè)計(jì)由于需要操作系統(tǒng)的植入，需要更大的存儲空間，因此在FPGA的外圍設(shè)置了FLASH和SDRAM。
(4)液晶顯示部分。FPGA將從GPS模塊解析出來的位置、速度等信息送給液晶，由液晶顯示器顯示出來，并且要保證其能夠?qū)崟r(shí)更新。
(5)下載線部分。通過Altera USB Blaster把電腦里編譯好的程序下載到FPGA中的NIOSⅡ處理器上，并進(jìn)行在線調(diào)試。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)各部分的功能需求主要包括2個(gè)部分：FPGA及其外圍電路、GPS模塊及液晶顯示電路。GPS模塊負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星的定位信息并輸出導(dǎo)航電文，F(xiàn)PGA及其嵌入的NIOS處理器是分析和處理導(dǎo)航電文的核心，液晶顯示屏則顯示可直接讀取的定位信息。
2．1 FPCA及其外圍電路
FPGA芯片選用Altera公司的CyeloneⅢ系列芯片，該芯片有相應(yīng)的完善的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺，方便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試。
FPGA配置采用AS+JTAG方式，這樣在調(diào)試階段可以使用JTAG方式，最后當(dāng)程序調(diào)試無誤后在使用AS模式把程序燒到配置芯片里去。這樣做的一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是：在AS模式不能下載的時(shí)候，可以利用Quartus自帶的工具將配置程序生成．jic文件，用JTAG模式來驗(yàn)證配置芯片是否損壞。通過JTAG將FPGA的配置程序?qū)懭氲狡馀渲眯酒校綦姴粊G失，每次上電時(shí)再將其中的程序讀入到FPGA中。另外在FPGA的I／O引腳接入一些LED燈，方便觀察測試結(jié)果，也可用來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確與否。
2．2 GPS接收模塊及液晶顯示電路
GPS接收模塊采用Ublox NEO-6M模塊，它是一個(gè)現(xiàn)有的GPS接收模塊，輸出的導(dǎo)航電文格式清晰，便于處理。它將接收到的衛(wèi)星定位信息在其內(nèi)部經(jīng)過簡單的處理輸出給FPGA的I／O端口，在FPGA內(nèi)部解析之后又通過另外的I／O端口發(fā)送給液晶顯示器。液晶顯示選用12864液晶顯示器，并采用串行數(shù)據(jù)輸入方式，將接收到的數(shù)據(jù)顯示出來。
2．3 供電部分
因FPGA各管腳所需輸入電壓包括3．3 V，2．5 V和1．2 V，12864液晶需要5 V，GPS模塊所需電壓為3．3 V，因此整個(gè)電路板需要多種供電電壓，供電電路的設(shè)計(jì)思想是輸入5 V電壓，再通過電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換出其他所需要的電平。

系統(tǒng)供電模塊如圖2所示。其中電源與地之間的電容主要作用是去除電源中耦合的其他信號，以減小甚至是消除這些信號對電源的影響。