基于FPGA的GPS數(shù)據(jù)采集器的設計與實現(xiàn)

陳育超，黃海生，張 斌

（西安郵電大學 陜 西 西 安 7 10121）

全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）能夠提供實時、全天候、全球性和高精度的服務，其廣泛應用于各行各業(yè)中[1－2]。GPS接收機通過天線單元接收衛(wèi)星信號，將信號進行帶通濾波、下變頻混頻、AGC放大、A/D轉換等一系列處理，得到數(shù)字中頻信號，進而對中頻信號進行捕獲、跟蹤，解調出用戶的緯度、經(jīng)度、高度、速度、時間等導航信息[3]，將這些信息按NMEA－0183協(xié)議封裝，通過串口輸出數(shù)據(jù)。用戶設備中的GPS接收器在收到GPS信息后，需要對相關信息予以解碼處理[4]，從而得到用戶的位置、時間等信息，進而實現(xiàn)用GPS導航和定位的目的。近幾年來，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）憑借其開發(fā)過程投資少、設計周期短、靈活方便以及可反復編程等特點[5]，在現(xiàn)代電子設計中得到了廣泛應用。本設計選擇現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來實現(xiàn)GPS信號的解析處理。

1 NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式

NMEA－0183是美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA，The National Marine Electronics Association)為海用電子設備制定的標準格式，它現(xiàn)在已被廣泛地應用于多個領域的設備之間的數(shù)據(jù)傳輸[6]。NMEA標準格式輸出采用ASCII碼，每個ASCII數(shù)據(jù)碼長8位，串行通信的波特率為9600位/秒，數(shù)據(jù)位8位，開始位1位，停止位1位，無奇偶校驗位。

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

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

<1>UTC 時間，格式 hhmmss．sss(時分秒)；

<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（前導位不足則補 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（前導位不足則補 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)，前導位不足則補 0）；

<8>地面航向（000．0～359．9 度，以真北為參考基準，前導位不足則補0）；

<9>UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式；

<10>磁偏角（000．0～180．0 度，前導位不足則補 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)無效 ）；

<13>校驗和；

2 NMEA-0183協(xié)議解析器設計

2.1 系統(tǒng)的總體設計

以深圳星際通公司生產(chǎn)的GP5MX1513F1導航芯片為例進行說明。該芯片為一個64并行通道單頻接收機，只接受L1波段的衛(wèi)星信號，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，串口默認設置：波特率9 600 bps，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗位，停止位1位。NMEA－0183協(xié)議解析系統(tǒng)的總體設計框圖如圖1所示，GP5MX1513F1導航芯片通過天線單元接收衛(wèi)星信號，將信號濾波、下變頻、放大和模數(shù)轉換等一系列處理，得到數(shù)字中頻信號，進而對中頻信號進行捕獲、跟蹤、位同步及幀同步，解調出導航數(shù)據(jù)，最后計算出用戶的緯度、經(jīng)度、高度、速度、時間等信息，以NMEA－0183協(xié)議格式打包成數(shù)據(jù)幀，再通過標準的串口輸出數(shù)據(jù)。NMEA－0183協(xié)議解析模塊生成的硬件電路內嵌在FPGA中，一方面通過串口模塊接收GP5MX1513F1芯片發(fā)出的串行數(shù)據(jù)，將接收的信號給解析模塊進行處理，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[7]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig．1 Structure diagram of the power control unit test system

2.2 串口模塊

串口模塊主要負責接收由GP5MX1513芯片輸出的導航定位信息，串口模塊通過波特率發(fā)生器將系統(tǒng)時鐘進行分頻，產(chǎn)生16倍數(shù)據(jù)波特率的時鐘。系統(tǒng)復位后，接收端以16倍波特率的速率讀取線路狀態(tài)，檢測信號GPS_TX出現(xiàn)下降沿，在GPS_TX信號下降沿后第8個采樣點確認是否為低電平，如果檢測得到的是高電平，則認為起始位無效，返回到空閑狀態(tài)，重新等待起始信號的到來[8]。起始位找到后，開始接收數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)計數(shù)器data_bit_cnt計到7時，8位數(shù)據(jù)都已經(jīng)輸入完成。最后，檢測停止位，如果正確檢測到高電平，則說明本幀的各位數(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。

串口模塊接收端的狀態(tài)轉移圖如圖2所示，接收機由4個工作狀態(tài)組成，分別是空閑狀態(tài)、起始位、數(shù)據(jù)位和停止位。當系統(tǒng)復位后，電路處于空閑狀態(tài)，等待信號的觸發(fā)，連續(xù)8個時鐘檢測出數(shù)據(jù)發(fā)生負跳變，sof信號為高，進入起始狀態(tài)，當sample為1時，進入數(shù)據(jù)位，接著的數(shù)據(jù)位將每隔16個采樣周期被采樣一次。即取每一位的第8次的波特率時鐘采樣值來確保采樣正確。連續(xù)采樣8次后，采樣計數(shù)器data_bit_cnt==7，進入停止位，當sample為1時，進入空閑狀態(tài)，開始接收下一個數(shù)據(jù)。

圖2 串口模塊接收端狀態(tài)轉移圖Fig．2 State transition diagram of serial port receiver

在狀態(tài)機模型的基礎上，使用verilog HDL語言來描述其功能，其主要代碼如下：case(rcv_state)

idle:begin rcv_ready<=0;

if(sof)rcv_state<=start;

end

start:begin if(sample)

begin

rcv_state<=data;data_bit_cnt<=0;end

end

data:begin if(sample&(data_bit_cnt<7))

begin data_bit_cnt <=data_bit_cnt +1;

rcv_data_reg[data_bit_cnt]<=GPS_TX;

rcv_state<=data;end

else if(sample&(data_bit_cnt==7))

begin

begin

data_bit_cnt<=0;

rcv_data_reg[data_bit_cnt]<=GPS_TX;

rcv_state<=stop;

end

else rcv_state<=data;

end

stop:begin if(sample)

begin rcv_state<=idle;

rcv_ready<=1;

end

end

endcase

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選擇器來選擇提取哪種語句，通過外部輸入信號對寄存器config_Reg進行配置來實現(xiàn)，當config_Reg=000時，提取GGA語句，當config_Reg=001時，提取GLL語句，當config_Reg=010時，提取GSA語句，當config_Reg=010時，提取GSV語句，當config_Reg=011時，提取RMC語句，當config_Reg=100時，提取VTG語句。下面以RMC語句為例，來說明解析過程，解析模塊將串口模塊接收端接收的數(shù)據(jù)進行循環(huán)檢測，判斷報文頭、定位狀態(tài)、校驗位、結束位信息，提取時間信息[9-11]。首先，對config_Reg進行配置，設置config_Reg=011；其次，檢測報文頭$GPRMC,如果是，則進行下一步，否則，繼續(xù)檢測；最后，用逗號計數(shù)器的值來決定提取$GPRMC語句的哪段信息，當逗號計數(shù)器為1時，提取時分秒信息，存儲在data_hh_mm_ss寄存器中；當逗號計數(shù)器為2時，提取定位狀態(tài)信息，當VALID信號為高，則有效定位；當VALID信號為低，則無效定位；當逗號計數(shù)器為3時，提取緯度信息，存儲在lat_data寄存器中；當逗號計數(shù)器為5時，提取經(jīng)度信息，存儲在lon_data寄存器中；當逗號計數(shù)器為9時，提取日月年信息，存儲在data_dd_mm_yy寄存器中。程序設計的流程圖如圖3所示。

其主要代碼如下：

圖3 解析模塊設計流程圖Fig.3 Flow chart the parse module design

case(state)

idle1:begin if(rcv_data=="$")

state<=one;end

one:begin if(rcv_data=="G")

state<=two;

else state<=idle1;

end

two:begin if(rcv_data=="P")

state<=three;

else state<=idle1;

three:begin if(rcv_data=="R")

state<=four;

else state<=idle1;

end

four:begin if(rcv_data=="M")

state<=five;

else state<=idle1;

end

five:begin if(rcv_data=="C")

begin state<=six;

RMC_IND<=1;

end

end

……

3 仿真測試及硬件實現(xiàn)

根據(jù)編寫的測試模塊在ModelSim 6.2軟件下進行了功能仿真，其仿真結果如圖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，仿真的結果與測試激勵中的數(shù)據(jù)一致。

圖4 ModelSim 6.2仿真結果Fig.4 ModelSim 6.2 simulation results

完成了仿真后，在Quartus II 9.0下進行了邏輯綜合，將程序下載到Altera公司生產(chǎn)的Cyclone II系列EP2C5T144C8型號的FPGA中，用Quartus II 9.0軟件自帶的嵌入式邏輯分析儀SignalTapII,對FPGA內部的信號進行觀測，F(xiàn)PGA內部實際工作波形如圖5所示，從硬件調試結果觀測，實際測出的結果：年月日 2013.08.19，時分秒00:07:42，緯度為3412.0714，經(jīng)度為10856.6625。由于所測得時間信息為世界協(xié)調時間，北京時間與世界協(xié)調時相差8個時差,北京時間應修正為：08:40:09，所測得結果與本地的時間一致。

圖5 FPGA內部工作波形Fig.5 FPGA internal work waveform

結果分析：從圖4和圖5波形上可以看到我們測試的結果，實際測試中，我們讓整個解析過程連續(xù)工作12 h，沒有發(fā)現(xiàn)解析錯誤、丟包等不正?，F(xiàn)象。因此，大量測試結果表明，該模塊能夠正確的接收和處理導航信息。

4 結論

根據(jù)NMEA-0183協(xié)議格式，提出使用FPGA實現(xiàn)NMEA-0183信息解析的一種方法，仿真及實際測試結果表明，該電路能夠正確地提取出所需要的信息，如時間、位置等信息，最終實現(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依據(jù)。

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