雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)中GPS數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究

段 登 段曉超 華 非

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088;2.安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司 安徽六安 237010)

0 引言

GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是美國(guó)于1993年8月全面建成并運(yùn)行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時(shí)系統(tǒng)。該技術(shù)具有全天候、高精度和高效益等特點(diǎn)，并且在在各領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。GPS 由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)測(cè)站和用戶接收機(jī)三大部分組成。如今，我國(guó)研制的常用常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)在開始工作前均有一個(gè)整機(jī)上電初始化的過(guò)程，精確的時(shí)間信息和地理位置的獲取是初始化工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。研究中選用Hemisphere 公司推出的一款HC12-OEM 模塊作為用戶接收機(jī)部分來(lái)完成時(shí)間和位置信息的獲取，經(jīng)驗(yàn)證該模塊可以滿足雷達(dá)整機(jī)運(yùn)行的一般需求［1］。

在對(duì)于多個(gè)基地雷達(dá)系統(tǒng)同時(shí)協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)，時(shí)間同步問(wèn)題至關(guān)重要的。而GPS-OEM 模塊通過(guò)衛(wèi)星授時(shí)可以為整機(jī)提供了一個(gè)精確的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC，Universal Time Coordinated)時(shí)間信息及位置信息。因此，利用HC12-OEM 模塊來(lái)獲取GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息能很好地解決雷達(dá)整機(jī)存在的時(shí)間同步問(wèn)題。

文中重點(diǎn)介紹了Hemisphere 公司GPS 時(shí)鐘接收模塊使用及如何利用嵌入式硬件FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS 位置信息與精確時(shí)間的采集，為以后雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)的GPS 數(shù)據(jù)采集技術(shù)提供一定的工程借鑒意義［2］。

1 硬件設(shè)計(jì)

1．1 總體架構(gòu)

雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)中GPS 數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)主要包含以下三部分，即HC12-OEM 接收模塊、FPGA 采集模塊和雷達(dá)上位機(jī)系統(tǒng)，具體框圖1所示。

圖1 中主要工作流程包括:首先，對(duì)采集到的標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183 數(shù)據(jù)的進(jìn)行預(yù)處理(數(shù)據(jù)鎖存，以特定波特率接收協(xié)議)，然后將解析完成的協(xié)議信息(包括字頭、經(jīng)緯度信息、UTC 數(shù)據(jù)等信息成幀放在異步FIFO 中)，最后等待CPCI計(jì)算機(jī)發(fā)出讀信號(hào)將協(xié)議數(shù)據(jù)接收，并利用界面程序進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及更新［3-4］。

圖1 雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)GPS 數(shù)據(jù)采集框圖

1．2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

HC12-OEM 接收模塊

該模塊是一款單頻12 通道接收機(jī)，采用了Hemisphere 公司最新的ASIC 芯片和Coast 等專利軟件算法，同時(shí)具有20Hz 的高數(shù)據(jù)更新率，信標(biāo)接收功能，L-Dif，E-Dif，1pps/Event Marker 等多種功能，相應(yīng)時(shí)間快，抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高，是當(dāng)前GPS 行業(yè)的最新技術(shù)趨勢(shì)。

嵌入式CPCI計(jì)算機(jī)CP6001

設(shè)計(jì)中的CPCI計(jì)算機(jī)是由Eching-控創(chuàng)公司開發(fā)的一款全新的6U Value 系列的CompactPCICPU 板，該模塊配備了1.86G 處理器，并且具有工業(yè)化組件和4 個(gè)千兆以太網(wǎng)接口，含有2 個(gè)USB 端口，F(xiàn)lash 端口，USB 端口及PCI接口等常用接口，專門應(yīng)用于要求嚴(yán)格，功能復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化和IP 交換應(yīng)用領(lǐng)域。

GPS 數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

在具體的GPS 數(shù)據(jù)采集過(guò)程中共有以下幾個(gè)步驟:

HC12-OEM 接收模塊上電后會(huì)按照預(yù)期設(shè)置好的模式向數(shù)據(jù)接口板定時(shí)發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)和PPS(秒脈沖)。

數(shù)據(jù)接口板首選采用異步串口RS422 接口芯片(SN74ALVC164245)進(jìn)行數(shù)據(jù)的差分信號(hào)傳輸，具有較好的抗干擾能力。將HC12OEM 接收板送出來(lái)電壓幅度為5V 的協(xié)議信號(hào)及PPS 秒脈沖轉(zhuǎn)換成FPGA(EP2C35F672I8)模塊IO 口所支持的3.3V 電壓信號(hào);而后進(jìn)行協(xié)議數(shù)據(jù)的預(yù)處理判斷，并將有效信息存入FPGA 芯片內(nèi)置FIFO 中。

CPCI計(jì)算機(jī)通過(guò)給總線發(fā)送控制信號(hào)來(lái)讀寫FPGA 中的內(nèi)置FIFO，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)解析及顯示。其中PCI9030 是連接CPCI總線和FPGA 芯片的橋梁，將數(shù)據(jù)地址總線復(fù)用的CPCI總線分離成數(shù)據(jù)地址總線獨(dú)立，以便對(duì)FPGA 端口的進(jìn)行相應(yīng)的讀寫。

圖2 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

2 主要技術(shù)研究

2．1 HC12 －OEM 應(yīng)用

對(duì)于HC12-OEM 的應(yīng)用需要分以下三步來(lái)完成。

首先，必須掌握系統(tǒng)的通信協(xié)議。GPS-OEM板采用NMEA-0183 通信標(biāo)準(zhǔn)格式，可以輸出多種句型，均以“”開頭。輸出的語(yǔ)句按串口通信協(xié)議，波特率9600b/s，1 位開始位、8 位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)。輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息。語(yǔ)句達(dá)十余種，本系統(tǒng)所使用的語(yǔ)句僅限于GPGLL 定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句。GPGLL 消息包含經(jīng)緯度等信息，消息格式為［5，6］:

消息各組成部分如下所示。

其次，可以利用串口調(diào)試助手對(duì)該模塊進(jìn)行配置，包括波特率，輸出某種格式的定位語(yǔ)句。常用命令有

最后研究中為了減小開發(fā)難度和不確定因素，所以直接先使用具有人機(jī)界面的串口調(diào)試工具為HC12-OEM 進(jìn)行配置，該模塊對(duì)應(yīng)每次的配置正確與否都有反饋。配置成功后的HC12-OEM 模塊，會(huì)在“鎖星”成功后，每秒對(duì)外發(fā)送GPRMC 模式的協(xié)議數(shù)據(jù)。其中需要注意的是，該軟件的設(shè)置完成后一定要進(jìn)行保存后重啟，否則無(wú)法記憶當(dāng)前的配置，如圖3所示。

2．2 FPGA 中數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

FPGA 在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中是起到了核心作用，主要完成對(duì)對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)議的接收，解析以及判斷后存入存儲(chǔ)器中等待CPCI計(jì)算機(jī)的讀寫。因考慮到GPGLL 格式數(shù)據(jù)中字節(jié)數(shù)較多(約有50 個(gè)字節(jié)左右)，如果直接用硬件語(yǔ)言去一一判斷，過(guò)程比較復(fù)雜，因此將具體的協(xié)議匹配任務(wù)交由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，F(xiàn)PGA 只需要將其進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷后存入內(nèi)置的異步FIFO 存儲(chǔ)器中［8-9］。FIFO 操作時(shí)序見圖4，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示。

圖3 串口接收?qǐng)?bào)文界面

圖4 FIFO 操作時(shí)序圖

首先利用Rxpart 模塊進(jìn)行波特率為19200 的數(shù)據(jù)接收，按照字節(jié)有序存入異步FIFO 中，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀寫。其次通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出的讀寫時(shí)鐘信號(hào)對(duì)FIFO 進(jìn)行讀寫操作。按字節(jié)進(jìn)行有序得循環(huán)讀取，并判斷，有效則接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后再由上位機(jī)界面中顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中包含以下部分:GPS 數(shù)據(jù)接收模塊、FPGA 判斷解析模塊及上位機(jī)信息顯示。軟件流程圖如5所示。

圖5 GPS 讀寫控制程序

圖6 中FPGA 可編程控制器模擬串口總線的對(duì)HC12-OEM 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并解析，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

圖6 GPS 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

a.HC12-OEM 接收機(jī)模塊在上電后不會(huì)立即發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，因?yàn)榇蠹s有1min 左右的“搜星”過(guò)程及“鎖星”過(guò)程;

b.FPGA 接口程序中主要實(shí)現(xiàn)“串轉(zhuǎn)并”的過(guò)程，以19200bps 速度接收?qǐng)?bào)文，并按字節(jié)打入FIFO 中;

c.數(shù)據(jù)備妥后，等待計(jì)算機(jī)指令。

圖7 中的上位機(jī)數(shù)據(jù)處理中，主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

a.設(shè)計(jì)中為了提高通信的實(shí)時(shí)性，采用中斷接收方式，當(dāng)接收到報(bào)文時(shí)，首先存入RAM 中，按進(jìn)行協(xié)議進(jìn)行匹配，如果匹配成功則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并更新上位機(jī)界面位置信息及顯示。

b.等待有新的報(bào)文出現(xiàn)，循環(huán)執(zhí)行。

具體的相關(guān)成員函數(shù)有:

圖7 上位機(jī)處理流程圖

4 結(jié)論

重點(diǎn)研究了GPS+FPGA 采集技術(shù)在雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。充分利用目前較為流行的嵌入式硬件FPGA 運(yùn)行速度快、內(nèi)嵌軟核的靈活性的特點(diǎn)與HC12-OEM 進(jìn)行有效結(jié)合，檢測(cè)及獲取UTC 時(shí)間和精確的位置信息，并得到了很好的驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)于后期雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)中GPS 采信息的采集技術(shù)的做了一個(gè)很好總結(jié)與展望。

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