基于FPGA的GPS數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

全球定位系統(tǒng)(Clobal Position System，GPS)能夠提供實(shí)時(shí)、全天候、全球性和高精度的服務(wù)，其廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。GPS接收機(jī)通過(guò)天線(xiàn)單元接收衛(wèi)星信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行帶通濾波、下變頻混頻、AGC放大、A/D轉(zhuǎn)換等一系列處理，得到數(shù)字中頻信號(hào)，進(jìn)而對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤，解調(diào)出用戶(hù)的緯度、經(jīng)度、高度、速度、時(shí)間等導(dǎo)航信息，將這些信息按NMEA-0183協(xié)議封裝，通過(guò)串口輸出數(shù)據(jù)。用戶(hù)設(shè)備中的GPS接收器在收到GPS信息后，需要對(duì)相關(guān)信息予以解碼處理，從而得到用戶(hù)的位置、時(shí)間等信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用GPS導(dǎo)航和定位的目的。近幾年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)憑借其開(kāi)發(fā)過(guò)程投資少、設(shè)計(jì)周期短、靈活方便以及可反復(fù)編程等特點(diǎn)，在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。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)的解析處理。

1 NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式

NMEA-0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(NMEA，The National Marine Electronics Association)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，它現(xiàn)在已被廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式輸出采用ASCII碼，每個(gè)ASCII數(shù)據(jù)碼長(zhǎng)8位，串行通信的波特率為9600位/秒，數(shù)據(jù)位8位，開(kāi)始位1位，停止位1位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。

NMEA-0183協(xié)議由語(yǔ)句組成，每條語(yǔ)句以字符“$”作為語(yǔ)句起始標(biāo)志，數(shù)據(jù)之間以逗號(hào)相隔，字符“*”作為校驗(yàn)和前綴，最后以校驗(yàn)和數(shù)值和回車(chē)/換行字符結(jié)束。最常用的有6種語(yǔ)句格式：$GPGGA，$GPGLL，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG。下面以推薦定位信息GPRMC語(yǔ)句為例介紹數(shù)據(jù)格式。語(yǔ)句的格式如下：

$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，10>，11>，12>*13>

1>UTC時(shí)間，格式hhmmss.sss(時(shí)分秒);

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(前導(dǎo)位不足則補(bǔ)0);

4>緯度半球N(北半球)或S(南半球);

5>經(jīng)度，dddmm.mmmm(度分)格式(前導(dǎo)位不足則補(bǔ)0);

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)，前導(dǎo)位不足則補(bǔ)0);

8>地面航向(000.0～359.9度，以真北為參考基準(zhǔn)，前導(dǎo)位不足則補(bǔ)0);

9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;

10>磁偏角(000.0～180.0度，前導(dǎo)位不足則補(bǔ)0);

11>磁偏角方向，E(東)或W(西);

12>模式指示(僅NMEA-0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無(wú)效);

13>校驗(yàn)和;

2 NMEA-0183協(xié)議解析器設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

以深圳星際通公司生產(chǎn)的GP5MX1513F1導(dǎo)航芯片為例進(jìn)行說(shuō)明。該芯片為一個(gè)64并行通道單頻接收機(jī)，只接受L1波段的衛(wèi)星信號(hào)，定位精度2 m(2D RMS)。該芯片依次輸出6種NMEA信息，分別是：$GPGGA，$GPGLL，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，串口默認(rèn)設(shè)置：波特率9 600bps，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，停止位1位。NMEA-0183協(xié)議解析系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，GP5MX1513F1導(dǎo)航芯片通過(guò)天線(xiàn)單元接收衛(wèi)星信號(hào)，將信號(hào)濾波、下變頻、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列處理，得到數(shù)字中頻信號(hào)，進(jìn)而對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、位同步及幀同步，解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)，最后計(jì)算出用戶(hù)的緯度、經(jīng)度、高度、速度、時(shí)間等信息，以NMEA-0183協(xié)議格式打包成數(shù)據(jù)幀，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的串口輸出數(shù)據(jù)。NMEA-0183協(xié)議解析模塊生成的硬件電路內(nèi)嵌在FPGA中，一方面通過(guò)串口模塊接收GP5MX1513F1芯片發(fā)出的串行數(shù)據(jù)，將接收的信號(hào)給解析模塊進(jìn)行處理，另一方面解析模塊根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式提取出所需要的信息。

2.2 串口模塊

串口模塊主要負(fù)責(zé)接收由GP5MX1513芯片輸出的導(dǎo)航定位信息，串口模塊通過(guò)波特率發(fā)生器將系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，產(chǎn)生16倍數(shù)據(jù)波特率的時(shí)鐘。系統(tǒng)復(fù)位后，接收端以16倍波特率的速率讀取線(xiàn)路狀態(tài)，檢測(cè)信號(hào)GPS_TX出現(xiàn)下降沿，在GPS_TX信號(hào)下降沿后第8個(gè)采樣點(diǎn)確認(rèn)是否為低電平，如果檢測(cè)得到的是高電平，則認(rèn)為起始位無(wú)效，返回到空閑狀態(tài)，重新等待起始信號(hào)的到來(lái)。起始位找到后，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器data_bit_cnt計(jì)到7時(shí)，8位數(shù)據(jù)都已經(jīng)輸入完成。最后，檢測(cè)停止位，如果正確檢測(cè)到高電平，則

說(shuō)明本幀的各位數(shù)據(jù)正確接收，將數(shù)據(jù)存入到8位數(shù)據(jù)寄存器中，否則出錯(cuò)。

串口模塊接收端的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示，接收機(jī)由4個(gè)工作狀態(tài)組成，分別是空閑狀態(tài)、起始位、數(shù)據(jù)位和停止位。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，電路處于空閑狀態(tài)，等待信號(hào)的觸發(fā)，連續(xù)8個(gè)時(shí)鐘檢測(cè)出數(shù)據(jù)發(fā)生負(fù)跳變，sof信號(hào)為高，進(jìn)入起始狀態(tài)，當(dāng)sample為1時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)位，接著的數(shù)據(jù)位將每隔16個(gè)采樣周期被采樣一次。即取每一位的第8次的波特率時(shí)鐘采樣值來(lái)確保采樣正確。連續(xù)采樣8次后，采樣計(jì)數(shù)器data_bit_cnt==7，進(jìn)入停止位，當(dāng)sample為1時(shí)，進(jìn)入空閑狀態(tài)，開(kāi)始接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。

在狀態(tài)機(jī)模型的基礎(chǔ)上，使用verilog HDL語(yǔ)言來(lái)描述其功能，其主要代碼如下：

2.3 解析模塊

串口模塊輸出的8位數(shù)據(jù)送到解析模塊，解析模塊采用6MUX1選擇器來(lái)選擇提取哪種語(yǔ)句，通過(guò)外部輸入信號(hào)對(duì)寄存器config_Reg進(jìn)行配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)config_Reg=000時(shí)，提取GGA語(yǔ)句，當(dāng)config_Reg=001時(shí)，提取GLL語(yǔ)句，當(dāng)config_Reg=010時(shí)，提取GSA語(yǔ)句，當(dāng)config_Reg=001時(shí)，提取GSV語(yǔ)句，當(dāng)config_Reg=011時(shí)，提取RMC語(yǔ)句，當(dāng)config_Reg =100時(shí)，提取VTG語(yǔ)句。下面以RMC語(yǔ)句為例，來(lái)說(shuō)明解析過(guò)程，解析模塊將串口模塊接收端接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，判斷報(bào)文頭、定位狀態(tài)、校驗(yàn)位、結(jié)束位信息，提取時(shí)間信息。首先，對(duì)config_Reg進(jìn)行配置，設(shè)置config_Reg=011;其次，檢測(cè)報(bào)文頭$GPRMC，如果是，則進(jìn)行下一步，否則，繼續(xù)檢測(cè);最后，用逗號(hào)計(jì)數(shù)器的值來(lái)決定提取$GPBMC語(yǔ)句的哪段信息，當(dāng)逗號(hào)計(jì)數(shù)器為1時(shí)，提取時(shí)分秒信息，存儲(chǔ)在data_hh_mm_ss寄存器中;當(dāng)逗號(hào)計(jì)數(shù)器為2時(shí)，提取定位狀態(tài)信息，當(dāng)VALID信號(hào)為高，則有效定位;當(dāng)VALID信號(hào)為低，則無(wú)效定位;當(dāng)逗號(hào)計(jì)數(shù)器為3時(shí)，提取緯度信息，存儲(chǔ)在lat_data寄存器中;當(dāng)逗號(hào)計(jì)數(shù)器為5時(shí)，提取經(jīng)度信息，存儲(chǔ)在lon_data寄存器中;當(dāng)逗號(hào)計(jì)數(shù)器為9時(shí)，提取日月年信息，存儲(chǔ)在data_dd_mm_yy寄存器中。程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。

其主要代碼如下：

3 仿真測(cè)試及硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)編寫(xiě)的測(cè)試模塊在ModelSim 6.2軟件下進(jìn)行了功能仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示，GPS_TX為輸入的串行數(shù)據(jù)，rcv_data為接收的8位數(shù)據(jù)，hh_mm_ss為提取出時(shí)分秒信息：15：49：41，dd_mm_yy為提取出日月年信息：13.06.09，lat_data為提取的緯度信息：3409.3297，lon_data為提取的經(jīng)度信息：10853.6986，從仿真波形上看，仿真的結(jié)果與測(cè)試激、勵(lì)中的數(shù)據(jù)一致。

完成了仿真后，在Quartus II 9.0下進(jìn)行了邏輯綜合，將程序下載到Altera公司生產(chǎn)的CycloneII系列EP2C5T144C8型號(hào)的FPGA中，用Quartus II 9.0軟件自帶的嵌入式邏輯分析儀SignalTapII，對(duì)FPGA內(nèi)部的信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)際工作波形如圖5所示，從硬件調(diào)試結(jié)果觀測(cè)，實(shí)際測(cè)出的結(jié)果：年月日2013.08.19，時(shí)分秒00：07：42，緯度為3412.0714，經(jīng)度為10856.6625。由于所測(cè)得時(shí)間信息為世界協(xié)調(diào)時(shí)間，北京時(shí)間與世界協(xié)調(diào)時(shí)相差8個(gè)時(shí)差，北京時(shí)間應(yīng)修正為：08：40：09，所測(cè)得結(jié)果與本地的時(shí)間一致。

結(jié)果分析：從圖4和圖5波形上可以看到我們測(cè)試的結(jié)果，實(shí)際測(cè)試中，我們讓整個(gè)解析過(guò)程連續(xù)工作12 h，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)解析錯(cuò)誤、丟包等不正?，F(xiàn)象。因此，大量測(cè)試結(jié)果表明，該模塊能夠正確的接收和處理導(dǎo)航信息。

4 結(jié)論

根據(jù)NMEA—0183協(xié)議格式，提出使用FPGA實(shí)現(xiàn)NMEA-0183信息解析的一種方法，仿真及實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該電路能夠正確地提取出所需要的信息，如時(shí)間、位置等信息，最終實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)采集及處理等工作，為搜查救援、事故定位等工作提供了技術(shù)依據(jù)。