基于GPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

許 輝，王紫婷

（蘭州交通大學(xué) 甘肅 蘭州 730070）

GPS（Global Positioning System）[1]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弧⑹跁r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(jìn)行單點(diǎn)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(jìn)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[2]。

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(diǎn)的物理量行同步采樣，能夠?qū)崟r獲知采樣點(diǎn)的精準(zhǔn)時刻和地理位置然后將這些信息實(shí)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(jìn)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(jìn)行采樣，并以USB 2.0接口通信方式實(shí)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(jī)[3]。本文所選擇的接收機(jī)是GARMIN公司的GPS25 OEM板，該OEM板為12通道的GPS接收機(jī)，可以同時跟蹤其視野范圍內(nèi)內(nèi)多達(dá)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。

圖1 GPS接收機(jī)輸出信號圖Fig.1 Figure of GPS receiver output signal

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＞*hh＜CR＞＜LF＞

＜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

＜11＞ 磁偏角方向，E（東）或 W（西）

＜12＞模式指示

其中：$為語句起始標(biāo)志；GPRMC為識別符；逗號為數(shù)據(jù)區(qū)分隔符；*為效驗和識別符；hh為效驗和；＜CR＞＜LF＞為語句結(jié)束符。

秒脈沖的上升沿對應(yīng)著一精準(zhǔn)的UTC時刻。可以先對GPS接收機(jī)的1PPS秒脈沖進(jìn)行整形，用經(jīng)過整形信號的上升沿對DSP中斷進(jìn)行控制或觸發(fā)計數(shù)器進(jìn)行分頻處理，同時從RS-232接口傳輸來的GPRMC語句通過DSP的串口輸入可以方便提取到UTC時刻，地理經(jīng)緯度信息。本文中使用GPS25 OEM板其授時精度優(yōu)于200 ns，定位精度可達(dá)5 m以內(nèi)基本可以滿足異地同步數(shù)據(jù)采集的需求。

2 采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)采用的核心芯片是美國TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812 DSP處理器[4]，它采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和地址總線，支持多級流水線操作片上集成了定時器，鎖相環(huán)，通用I/O接口和串行通信接口等。與單片機(jī)相比具有更為強(qiáng)大的數(shù)字處理和控制能力特別適合結(jié)合GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

如圖2所示，整個系統(tǒng)主要分為GPS信號接受模塊，DSP控制模塊，模擬量輸入模塊，采樣脈沖發(fā)生模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。

圖2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成Fig.2 Structure diagram of system hardware

文中基于GPS的同步數(shù)據(jù)采集方法基本過程是通過GPS25 OEM接收機(jī)輸出的1PPS秒脈沖信號作為DSP外部中斷輸入源來觸發(fā)分頻計數(shù)器來產(chǎn)生采樣脈沖設(shè)備來保證被測信號在同一個時刻開始采樣。為保證點(diǎn)采樣頻率的高度一致性，可以采用高精度溫補(bǔ)晶體振蕩器TCOX，其工作頻率為10 MHz，頻差不大于2 ppm。輸出的振蕩信號經(jīng)過整形、電平轉(zhuǎn)換后經(jīng)計數(shù)器分頻得到滿足采樣率的同步高精度的采樣信號。為了進(jìn)一步消除晶振電路給采樣頻率帶來的累積誤差，晶振產(chǎn)生的時鐘鐘信號每隔1 s被1PPS信號的上升沿同步一次，使得被測的模擬輸入量經(jīng)過低通濾波后被嚴(yán)格建立在GPS時間基準(zhǔn)上的同步采樣系統(tǒng)所采樣。模擬量采樣后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換依次轉(zhuǎn)換后按順序放入固定RAM區(qū)。DSP通過SCI接口從GPS25 OEM接收機(jī)的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端TX中提取到秒脈沖上升沿所對應(yīng)的UTC時刻和地理經(jīng)緯度坐標(biāo)，從第一個采樣點(diǎn)按順序為每一個采樣點(diǎn)置以便于識別的時間標(biāo)簽和地理位置坐標(biāo)，最終將各測量量連同其對應(yīng)的時間地理標(biāo)簽按照一定的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過USB2.0數(shù)據(jù)線上傳到上位機(jī)。

3 通信接口設(shè)計

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸大多采用RS 232、RS 485接口傳送，但是對于異地同步大容量的數(shù)據(jù)上傳傳統(tǒng)的通信模式就暴露出傳輸輸速度較慢，時延大，易出錯的缺點(diǎn)。利用USB接口就能有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程海量的雙向傳輸，而且USB傳輸速度可高達(dá)480 Mbps支持單點(diǎn)的熱插拔可以有效地實(shí)現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的攜帶轉(zhuǎn)移。

本系統(tǒng)通信接口電路采用USB2.0接口，其控制器芯片選用CYPRESS公司的CY7C68013。CY7C68013遵從USB2.0規(guī)范，包括一個增強(qiáng)型的51內(nèi)核與8051指令集兼容，USB2.0串行接口引擎 SIE、USB收發(fā)器、8.5KB片上 RAM、4KB FIFO以及一個通用可編程接口GPIF。CY7C68013與外設(shè)有兩種接口方式:GPIF和SlaveFIFO。GPIF是主機(jī)方式，可以由軟件設(shè)置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對任何8/16bits接口的控制器、存儲器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動讀寫，使用非常靈活。而Slave FIFO方式是從機(jī)方式，工作方式可設(shè)為同步或異步，外部控制器DSP可象對普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。本文采取的是Slave FIFO接口方式。電路中CY7C68013作為TMS320F2812的外設(shè)，它采用異步存儲器接口與DSP相連接，上位PC機(jī)可以喚醒CY7C68013并對USB芯片。DSP2812將CY7C68013配置在其子空間采用異步讀寫方式完成二者之間的數(shù)據(jù)和命令的交換。

USB 2.0控制芯片的選擇和接口方式的確定后，還要完成USB固件和驅(qū)動程序設(shè)計。固件程序負(fù)責(zé)接收并處理USB驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的控制指令從而使硬件讓設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換。CYPRESS公司針為CY7C68013芯片提供給出了一個Firmware庫和Firmware框架。USB固件程序文件基于Firmware 框架主要由 fw.c、FPUSB.c、dscr.a51、USBJmpTb.OBJ、Ezusb.lib五部分組成。用戶只需要Kei C5l開發(fā)環(huán)境下修改文件FPUSB.c和dscr.a51中的代碼來調(diào)用任務(wù)分配、設(shè)備請求和中斷處理等函數(shù)來處理USB事件，在TD_Init（）、TD_Poll（）兩個任務(wù)分配函數(shù)中添加初始化代碼和完成特定功能的代碼從而實(shí)現(xiàn)了芯片初始化、處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求以及電源管理等功能。最好將編譯后產(chǎn)生的.hex文件載入芯片就能與主機(jī)進(jìn)行基本的USB通信。

4 軟件設(shè)計流程

基于GPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序[5]在TI公司提供的CCS集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)主程序，串口中斷服務(wù)程序數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)程序組成。程序流程如圖3～5所示。基本的過程是系統(tǒng)上電以后，程序程將對DSP片上組件包括時鐘，ADC，定時器，IO口，串口以及通過串口TXD對GPS25 OEM板實(shí)現(xiàn)初始化。系統(tǒng)初始化后設(shè)置中斷向量，等待響應(yīng)中斷服務(wù)程序。待DSP接收到GPS25LP板會給出相應(yīng)信息，開始接收GPS25 OEM板傳送來的串行數(shù)據(jù)，DSP識別到“$GPRMC”語句后可以確定GPS數(shù)據(jù)處于有效數(shù)據(jù)的起始位置，開始數(shù)據(jù)的接收。如果數(shù)據(jù)的起始符和標(biāo)示符有誤則重復(fù)查詢過程。接收到有效數(shù)據(jù)從中篩選出時間（轉(zhuǎn)換成北京時間）和經(jīng)緯度信息后對由GPS秒脈沖同步的采樣信號采集來測量量打上時間和經(jīng)緯度標(biāo)簽，在片內(nèi)RAM中儲存，再送入發(fā)送緩沖區(qū)，最后通過USB2.0上傳到PC機(jī)中分析和處理。

圖3 系統(tǒng)主程序流程Fig.3 System processes

5 結(jié)束語

文中將TMS320F2812與GPS25 OEM接收機(jī)相結(jié)合，設(shè)計了一種通用的同步數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對異地的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集并記錄測量點(diǎn)準(zhǔn)確測量時間和地理位置信息，并對采集的數(shù)據(jù)通過USB2.0實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時的上傳。基于GPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電力系統(tǒng)測量，機(jī)電保護(hù)，通信測量等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景[6]。

圖4串口中斷服務(wù)程序Fig.4 Serial port interrupt service

圖5數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)程序Fig.5The data acquisition interrupt service

[1]袁安存.全球定位系統(tǒng)（GPS）原理與應(yīng)用[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1999.

[2]劉愛輝，謝志遠(yuǎn)，馬英紅.電力系統(tǒng)廣域測量中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)通信，2005（156）:63-65.

LIU Ai-hui，XIE Zhi-yuan，MA Ying-hong.Realization of data acquisition system in power system based on wide areameasurements[J].Telecommunications for Electric Power System，2005（156）:63-65.

[3]錢天爵.GPS接收機(jī)使用與維護(hù)[M].北京:北京海潮出版社，1996.

[4]蘇奎峰，呂強(qiáng)，常天慶，等.TMS320X281XDSP原理及C程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]TMS320C2X DSP User’s Guide[S].Texas Instruments，2009.

[6]詹慶才，聶曉波，曹篤峰.基于GPS的同步采集裝置的研究與設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2007（9）:36-37.

ZHAN Qing-cai，NIE Xiao-bo，CAO Du-feng.Research and design of data acquisition equipment synchronously based on GPS[J].Industrial Control Computer，2007（9）:36-37.