雷達監控系統中GPS數據采集技術的研究

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)是美國于1993年8月全面建成并運行的新一代衛星導航、定位和授時系統。該技術具有全天候、高精度和高效益等特點，并且在在各領域已經得到了廣泛應用。GPS 由導航衛星、地面監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雷達系統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，經驗證該模塊可以滿足雷達整機運行的一般需求［1］。

在對于多個基地雷達系統同時協同作戰時，時間同步問題至關重要的。而GPS-OEM 模塊通過衛星授時可以為整機提供了一個精確的協調世界時(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 標準時間信息能很好地解決雷達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(現場可編程門陣列)來實現GPS 位置信息與精確時間的采集，為以后雷達監控系統的GPS 數據采集技術提供一定的工程借鑒意義［2］。

1 硬件設計

1．1 總體架構

雷達監控系統中GPS 數據的采集系統主要包含以下三部分，即HC12-OEM 接收模塊、FPGA 采集模塊和雷達上位機系統，具體框圖1所示。

圖1 中主要工作流程包括:首先，對采集到的標準NMEA-0183 數據的進行預處理(數據鎖存，以特定波特率接收協議)，然后將解析完成的協議信息(包括字頭、經緯度信息、UTC 數據等信息成幀放在異步FIFO 中)，最后等待CPCI計算機發出讀信號將協議數據接收，并利用界面程序進行實時顯示及更新［3-4］。

圖1 雷達監控系統GPS 數據采集框圖

1．2 采集系統硬件設計

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 的高數據更新率，信標接收功能，L-Dif，E-Dif，1pps/Event Marker 等多種功能，相應時間快，抗干擾能力強、性價比高，是當前GPS 行業的最新技術趨勢。

嵌入式CPCI計算機CP6001

設計中的CPCI計算機是由Eching-控創公司開發的一款全新的6U Value 系列的CompactPCICPU 板，該模塊配備了1.86G 處理器，并且具有工業化組件和4 個千兆以太網接口，含有2 個USB 端口，Flash 端口，USB 端口及PCI接口等常用接口，專門應用于要求嚴格，功能復雜的工業自動化和IP 交換應用領域。

GPS 數據的采集系統具體實現設計框圖如圖2所示。

在具體的GPS 數據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期設置好的模式向數據接口板定時發送協議數據和PPS(秒脈沖)。

數據接口板首選采用異步串口RS422 接口芯片(SN74ALVC164245)進行數據的差分信號傳輸，具有較好的抗干擾能力。將HC12OEM 接收板送出來電壓幅度為5V 的協議信號及PPS 秒脈沖轉換成FPGA(EP2C35F672I8)模塊IO 口所支持的3.3V 電壓信號;而后進行協議數據的預處理判斷，并將有效信息存入FPGA 芯片內置FIFO 中。

CPCI計算機通過給總線發送控制信號來讀寫FPGA 中的內置FIFO，進而進行數據解析及顯示。其中PCI9030 是連接CPCI總線和FPGA 芯片的橋梁，將數據地址總線復用的CPCI總線分離成數據地址總線獨立，以便對FPGA 端口的進行相應的讀寫。

圖2 實現設計系統框圖

2 主要技術研究

2．1 HC12 －OEM 應用

對于HC12-OEM 的應用需要分以下三步來完成。

首先，必須掌握系統的通信協議。GPS-OEM板采用NMEA-0183 通信標準格式，可以輸出多種句型，均以“”開頭。輸出的語句按串口通信協議，波特率9600b/s，1 位開始位、8 位數據位、1位停止位、無奇偶校驗。輸出數據采用的是ASCII碼字符，內容包含了緯度、經度、速度、日期、航向及衛星狀況等信息。語句達十余種，本系統所使用的語句僅限于GPGLL 定位數據語句。GPGLL 消息包含經緯度等信息，消息格式為［5，6］:

消息各組成部分如下所示。

其次，可以利用串口調試助手對該模塊進行配置，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試工具為HC12-OEM 進行配置，該模塊對應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，每秒對外發送GPRMC 模式的協議數據。其中需要注意的是，該軟件的設置完成后一定要進行保存后重啟，否則無法記憶當前的配置，如圖3所示。

2．2 FPGA 中數據采集的實現

FPGA 在整個數據采集系統中是起到了核心作用，主要完成對對數據協議的接收，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 格式數據中字節數較多(約有50 個字節左右)，如果直接用硬件語言去一一判斷，過程比較復雜，因此將具體的協議匹配任務交由計算機來完成，FPGA 只需要將其進行簡單判斷后存入內置的異步FIFO 存儲器中［8-9］。FIFO 操作時序見圖4，具體的實現過程如下所示。

圖3 串口接收報文界面

圖4 FIFO 操作時序圖

首先利用Rxpart 模塊進行波特率為19200 的數據接收，按照字節有序存入異步FIFO 中，供計算機進行讀寫。其次通過計算機發出的讀寫時鐘信號對FIFO 進行讀寫操作。按字節進行有序得循環讀取，并判斷，有效則接收數據，經過處理后再由上位機界面中顯示。

3 軟件設計

采集系統軟件設計中包含以下部分:GPS 數據接收模塊、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 模塊進行數據采集并解析，具體的實現過程如下:

圖6 GPS 數據采集程序流程圖

a.HC12-OEM 接收機模塊在上電后不會立即發送有效的數據，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“串轉并”的過程，以19200bps 速度接收報文，并按字節打入FIFO 中;

c.數據備妥后，等待計算機指令。

圖7 中的上位機數據處理中，主要實現過程如下:

a.設計中為了提高通信的實時性，采用中斷接收方式，當接收到報文時，首先存入RAM 中，按進行協議進行匹配，如果匹配成功則進行數據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，循環執行。

具體的相關成員函數有:

圖7 上位機處理流程圖

4 結論

重點研究了GPS+FPGA 采集技術在雷達監控系統中的應用。充分利用目前較為流行的嵌入式硬件FPGA 運行速度快、內嵌軟核的靈活性的特點與HC12-OEM 進行有效結合，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，同時對于后期雷達監控系統中GPS 采信息的采集技術的做了一個很好總結與展望。

［1］陳標龍，王保成，周江華.基于FPGA 和FIFO技術的多串口系統設計與實現［J］.計算機測量與控制.2013.21(10):2835-2837.

［2］徐哲，叢琳等.全球定位系統在汽車運輸中的應用［J］.山西交通科技，2006，30(2):76-78.

［3］譚振宇，王少榮等.基于GPS 的電網狀態監測系統［J］.電力系統及其自動化學報2012.11，(11):113-115.

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［6］王廣運，郭秉義，李洪濤.差分GPS 定位技術與應用［M］.北京:國防工業出版社，1996.

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