基于GPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

摘要：文中研究了利用全球定位系統(tǒng)GPS授時技術(shù)來實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集。設(shè)計了一種基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由GPS秒脈沖同步下進行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理為其打上時間和地理位置標(biāo)簽并采用USB 2．0接口來實現(xiàn)實時測量數(shù)據(jù)高速上傳，為異地數(shù)據(jù)分析和處理提供了便利。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；GPS；DSP；USB 2．0

GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)是美國發(fā)射的24顆GPS地球衛(wèi)星所組成的具有能提供全球全天候?qū)Ш健⒍ㄎ?、授時功能的系統(tǒng)。美國政府宣布2000年至2006年期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，利用C／A碼進行單點定位的精度由100米提高到10米，GPS民用信號精度在全球范圍內(nèi)得到改善，這進一步掀起了GPS應(yīng)用的熱潮，刺激GPS技術(shù)與科技和生產(chǎn)領(lǐng)域的結(jié)合。誕生了大量的GPS的應(yīng)用成果。如相量測量裝置PMU就是利用了GPS來解決了電力系統(tǒng)廣域空間同步測量的問題。
隨著時代的發(fā)展，如今對數(shù)據(jù)采集在通信，電力和建筑等特殊應(yīng)用場合又提出了新的要求，希望能夠?qū)Ρ粶y系統(tǒng)不同節(jié)點的物理量行同步采樣，能夠?qū)崟r獲知采樣點的精準(zhǔn)時刻和地理位置然后將這些信息實時傳送到主監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)采集來的測量信息對系統(tǒng)的狀態(tài)進行分析，控制及事故預(yù)警。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置是用晶振產(chǎn)生的時鐘頻率經(jīng)分頻后提供的采樣信號，雖然隨著科技水平的提高出現(xiàn)越來越多的高精度的晶體振蕩器，采樣頻率的精度也越來越高，但是在異地同步高精度的測量要求中傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式在理論上已經(jīng)不再同步了，而且隨著時間的推移單一晶振的時鐘系統(tǒng)會出現(xiàn)一系列的老化和漂移特性，已經(jīng)越來越不能滿足新時期下同步數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用。為此，本文探討了一種采用了GPS這一新型授時方法，充分利用了數(shù)字信號處理器TMS320F2812 DSP豐富的片上資源，以GPS秒脈沖為同步時鐘信號，結(jié)合其片上12位A／D可支持16通道芯片進行采樣，并以USB 2．0接口通信方式實現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，來構(gòu)建同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以滿足多測量場合的應(yīng)用。

1 GPS授時系統(tǒng)
GPS衛(wèi)星授時系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面衛(wèi)星控制部分和用戶接收設(shè)備組成。其中用戶設(shè)備就是指GPS接收機。本文所選擇的接收機是GARMIN公司的GPS25 OEM板，該OEM板為12通道的GPS接收機，可以同時跟蹤其視野范圍內(nèi)內(nèi)多達12顆GPS衛(wèi)星，通過接收來自天線單元的信號，并通過變頻、放大、濾波等一系列處理對得到的導(dǎo)航電文的解碼和處理后，輸出間隔是1 s的同步脈沖信號1PPS和的由RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口輸出串行數(shù)據(jù)UTC(協(xié)調(diào)世界時)如圖1所示。1PPS秒脈沖前沿與UTC同步誤差不超過1μs。

GPS25 OEM串口輸出輸出信號符合美國國家海洋電子協(xié)會制定的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)更新時間為1 s，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗。輸出默認(rèn)波特率為4 800。內(nèi)容包含緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息，常用語句有6種，包括GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC和GPVTG。本文只考慮其時間、經(jīng)緯度信息，通常采用GPRMC定位信息來獲得所需信息，GPRMC語句如下：
$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，10>，11>，12>*hhCR>LE>
1>UTC時間，hhmmss(時分秒)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
4>緯度半球N(北半球)或S(南半球)
5>經(jīng)度dddmm．mmmm(度分)格式
6>經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))
7>地面速率
8>地面航向
9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
10>磁偏角
1l>磁偏角方向，E(東)或W(西)
12>模式指示