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.中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088;2.安徽博微長安電子有限公司 安徽六安 237010)

0 引言

GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是美國于1993年8月全面建成并運行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和授時系統(tǒng)。該技術(shù)具有全天候、高精度和高效益等特點，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)測站和用戶接收機三大部分組成。如今，我國研制的常用常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)在開始工作前均有一個整機上電初始化的過程，精確的時間信息和地理位置的獲取是初始化工作的一項重要內(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部分來完成時間和位置信息的獲取，經(jīng)驗證該模塊可以滿足雷達(dá)整機運行的一般需求［1］。

在對于多個基地雷達(dá)系統(tǒng)同時協(xié)同作戰(zhàn)時，時間同步問題至關(guān)重要的。而GPS-OEM 模塊通過衛(wèi)星授時可以為整機提供了一個精確的協(xié)調(diào)世界時(UTC，Universal Time Coordinated)時間信息及位置信息。因此，利用HC12-OEM 模塊來獲取GPS 標(biāo)準(zhǔn)時間信息能很好地解決雷達(dá)整機存在的時間同步問題。

文中重點介紹了Hemisphere 公司GPS 時鐘接收模塊使用及如何利用嵌入式硬件FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)來實現(xiàn)GPS 位置信息與精確時間的采集，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

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)上位機系統(tǒng)，具體框圖1所示。

圖1 中主要工作流程包括:首先，對采集到的標(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計算機發(fā)出讀信號將協(xié)議數(shù)據(jù)接收，并利用界面程序進(jìn)行實時顯示及更新［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

HC12-OEM 接收模塊

該模塊是一款單頻12 通道接收機，采用了Hemisphere 公司最新的ASIC 芯片和Coast 等專利軟件算法，同時具有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)時間快，抗干擾能力強、性價比高，是當(dāng)前GPS 行業(yè)的最新技術(shù)趨勢。

嵌入式CPCI計算機CP6001

設(shè)計中的CPCI計算機是由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 個千兆以太網(wǎng)接口，含有2 個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)具體實現(xiàn)設(shè)計框圖如圖2所示。

在具體的GPS 數(shù)據(jù)采集過程中共有以下幾個步驟:

HC12-OEM 接收模塊上電后會按照預(yù)期設(shè)置好的模式向數(shù)據(jù)接口板定時發(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)的差分信號傳輸，具有較好的抗干擾能力。將HC12OEM 接收板送出來電壓幅度為5V 的協(xié)議信號及PPS 秒脈沖轉(zhuǎn)換成FPGA(EP2C35F672I8)模塊IO 口所支持的3.3V 電壓信號;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計算機通過給總線發(fā)送控制信號來讀寫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)地址總線獨立，以便對FPGA 端口的進(jìn)行相應(yīng)的讀寫。

圖2 實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)框圖

2 主要技術(shù)研究

2．1 HC12 －OEM 應(yīng)用

對于HC12-OEM 的應(yīng)用需要分以下三步來完成。

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、無奇偶校驗。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。語句達(dá)十余種，本系統(tǒng)所使用的語句僅限于GPGLL 定位數(shù)據(jù)語句。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)試助手對該模塊進(jìn)行配置，包括波特率，輸出某種格式的定位語句。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界面的串口調(diào)試工具為HC12-OEM 進(jìn)行配置，該模塊對應(yīng)每次的配置正確與否都有反饋。配置成功后的HC12-OEM 模塊，會在“鎖星”成功后，每秒對外發(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)采集的實現(xiàn)

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

圖3 串口接收報文界面

圖4 FIFO 操作時序圖

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，供計算機進(jìn)行讀寫。其次通過計算機發(fā)出的讀寫時鐘信號對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)過處理后再由上位機界面中顯示。

3 軟件設(shè)計

采集系統(tǒng)軟件設(shè)計中包含以下部分: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HC12-OEM 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并解析，具體的實現(xiàn)過程如下:

圖6 GPS 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

a.HC12-OEM 接收機模塊在上電后不會立即發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，因為大約有1min 左右的“搜星”過程及“鎖星”過程;

b.FPGA 接口程序中主要實現(xiàn)“串轉(zhuǎn)并”的過程，以19200bps 速度接收報文，并按字節(jié)打入FIFO 中;

c.數(shù)據(jù)備妥后，等待計算機指令。

圖7 中的上位機數(shù)據(jù)處理中，主要實現(xiàn)過程如下:

a.設(shè)計中為了提高通信的實時性，采用中斷接收方式，當(dāng)接收到報文時，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)處理并更新上位機界面位置信息及顯示。

b.等待有新的報文出現(xiàn)，循環(huán)執(zhí)行。

具體的相關(guān)成員函數(shù)有:

圖7 上位機處理流程圖

4 結(jié)論

重點研究了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 運行速度快、內(nèi)嵌軟核的靈活性的特點與HC12-OEM 進(jìn)行有效結(jié)合，檢測及獲取UTC 時間和精確的位置信息，并得到了很好的驗證，同時對于后期雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)中GPS 采信息的采集技術(shù)的做了一個很好總結(jié)與展望。

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