一種新型GPS實時定位系統的設計*

張會新,凌 偉,馬志剛,劉文怡

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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一種新型GPS實時定位系統的設計*

張會新1,2*,凌 偉1,2,馬志剛1,2,劉文怡1,2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

針對目標飛行器定位的廣泛應用,提出了一種基于單片機和CPLD硬件平臺的新型GPS實時定位系統,該系統由目標發射機和GPS接收機組成。兩部分實現通用化設計,均由GPS模塊、中控模塊、無線射頻模塊、電源管理模塊等模塊組成。系統工作時,目標發射機通過無線串口發送GPS數據,地面GPS接收機完成數據的采集與編幀并經FT245接口回傳PC終端以實時監測和事后分析。測試結果表明:該系統能夠實時地、精確地完成不同環境下多種飛行器的定位。

GPS;無線串口通信;數據采集與編幀;FT245

隨著綜合實力的不斷增強,我國的科技領域尤其是航天事業近年來發展迅速,取得了舉世矚目的成就。飛行器的發射與飛行過程中,需要對其飛行過程的重要參數進行監控與測試,所以箭載的各種黑匣子的回收是必要的。黑匣子存儲的各種測量參數對于飛行器成功發射和飛行控制有著重要的借鑒作用。然而,目前的可回收黑匣子在飛行器發射后,通常其下落地點不明確、難以回收,給搜尋工作帶來許多麻煩。因此,針對目前的可回收黑匣子難以搜尋的問題,需要研究出一種能夠快速找到可回收黑匣子設備的定位搜尋技術,便于快速獲得黑匣子中重要參數,節省研制周期和開發時間。研制與開發的遠程定位搜尋技術能夠應用到飛行器上及飛行器彈上的許多可回收裝置上,其應用領域廣闊,具有非常重要的研究開發意義。

雖然,衛星定位技術的發展意味著信息向著多元化、立體化的方向在轉變,并且有利于實現獲取定位信息的多元化,但是目前定位精度還有待提高,各方面的性能還需要進一步的提高和改善。如果無法精確獲取目標物的位置,就會給回收工作帶來很大的困難,所以設計高效率和高精度發射GPS信號功能的實時定位系統具有很大的實用價值和應用前景[1]。

1 系統結構

GPS實時定位系統由目標發射機和GPS接收機兩部分構成。其中,目標發射機包含GPS模塊、中控模塊、RF無線傳輸模塊;GPS接收機主要包括GPS模塊、中控模塊、RF無線傳輸模塊、FT245接口。考慮到設計的通用性,兩部分電路都按照GPS接收機設計,電裝時目標發射機不用考慮與PC的數據傳輸部分,實現了一次設計,兩度應用,節約了成本,提高了效率,總體的設計框圖如圖1所示[2-3]。

圖1 GPS接收機原理框圖

2 硬件實現及原理

2.1 關鍵器件選型

中控模塊:考慮數據處理量等各項需求,設計選用單片機為C8051F040,高速8051微控制器內核,流水線指令結構;70%的指令的執行時間為一個或兩個系統時鐘周期,速度可達25MIPS(使用25 MHz時鐘時),20個向量中斷源,4352 byte內部數據RAM,64 kbyte FLASH,可以在系統編程,扇區規模為512 byte,外部64 kbyte數據存儲器接口,工作電壓為5 V,可以直接接收GPS模塊發送的數據。單片機接收到GPS的定位數據并處理后,發送給無線射頻模塊。由于C8051F040單片機只有兩個串口,針對串口通信總共需要3個通道的要求顯然是不夠的,所以設計選用Xilinx公司的128宏單元,VQ100封裝的CPLD XCR3128實現虛擬串口作用,一方面彌補了單片機串口不足的缺陷,一方面用于配置無線串口通信。

GPS模塊:為實現更精準的定位,采用兩個GPS模塊:①北京東方聯星公司的CNS50-009衛星導航接收模塊。模塊定位精度:水平5 m,垂直10 m,速度精度為0.2 m/s,不受高度速度的限制,標準工作電壓為5 V,接收板實現了射頻、基帶、導航結算一體化軟件/硬件設計,具有高動態、高可靠性、體積小、工作穩定的特點,其波特率為115200 bit/s,該模塊受到啟動命令才會工作,定位數據輸出格式為NMEA-0183,以0114EB3A開頭,共有66個有效字節;②瑞士U-BLOX公司的第6代GPS處理芯片MAX-6Q。此模塊的定位精度水平位置為2.5 m,垂直定位精度為10 m,但是受到50000 m高度和500 m/s速度的限制,標準工作電壓為3.3 V,波特率為9600 bit/s,工作頻率可通過公司自帶的配置軟件根據用戶的需求進行選擇,該模塊不用發啟動命令。定位數據輸出語句以0114EB3A開頭,共有66個有效字節。為了提高GPS和無線通信的抗遮擋能力選用質量輕巧的專用微帶天線[4]。

2.2 單片機與CPLD數據傳輸

數據在單片機與CPLD之間能否正常傳輸至關重要。所有與單片機有關的器件都連到了CPLD。單片機進行接收、挑選、處理信息之后通過集成USB協議的借口通信芯片FT245實現與PC機的通訊。GPS接收機可根據實際情況的要求實現點對點的單機通訊、點對多點的多機通訊。具體硬件電路的實現上面,C8051F040和XCR3128的邏輯電平相兼容,減少了電路的復雜度,提高集成度[5]。

2.3 單片機與PC機通信接口

實現單片機與PC機通信有多種方式,如PCI、以太網口和USB等。綜合考慮各項功能指標、成本以及開發難度,設計選用基于FTDI公司集成完整USB協議的芯片FT245。FT245用于并行FIFO雙向數據傳輸接口,其硬件特性:傳輸數據速率可提高到1 Mbit/s,能夠實現與MCU/PLD/FPGA等多種可編程邏輯控制器的通信,384 byte的FIFO發送緩沖區、128 byte的FIFO接收緩沖器能夠實現高速數據的吞吐量,低操作電流,低功耗。FT245提供了VCP和D2XX兩種驅動程序,設計選用D2XX作為USB接口的設備驅動程序,編寫程序時,只需要調用FTD2XX.DLL中的函數即可實現對FT245的讀寫。依據FT245的芯片資料,參考推薦電路,接口電路設計如圖2所示[6]。

圖2 FT245接口電路

2.4 電源管理模塊

由于GPS模塊的工作電流能達到1.4 A左右,考慮在系統連續工作的情況下,需要提供比較大的功率,選擇MILI公司5000 mAH的移動電源管理,依據其功能指標:滿電壓通常能達到直流9 V～12 V,輸出電流最大為1.5 A,電源模塊標稱功率18.5 W。設計采用兩塊電源模塊可以滿足系統4 h的工作需求。單片機的標準工作電壓為5 V,無線射頻模塊正常工作電壓范圍為2.8 V～5.5 V,故設計中采用5 V供電的解決方案。綜合考慮,選擇新雷能公司的DC-DC穩壓芯片C543DK15-24S5W,C543DK15-24S5W能把電源管理電壓穩定到5 V,為單片機與射頻模塊供電。由于系統中有些器件的正常工作電壓為直流3.3 V,所以需要進行電壓轉換。設計采用TI公司的電源管理模塊PT5401把電壓從5 V轉換為3.3 V,為相應器件供電。電壓轉換電路如圖3所示。

圖3 5 V轉3.3 V電路圖

2.5 無線串口傳輸的設計

圖4 射頻模塊電路

選用型號為MaxStream公司的XTendTM900,該模塊的工作頻段為902.000 MHz～928.000 MHz,TTL電平輸入,發射功率1W,供電電壓范圍是2.8 V～5.5 V。它具有先進的安全性能,采用256 bit加密,可以組建對等傳輸、點對點傳輸和點對多點傳輸網絡,發射頻率采用FHSS(調頻擴頻)技術,調制方式為FSK(頻移鍵控),最多10個信道可選,每一個信道包含不同的網絡地址。此模塊具有較長的傳輸距離,當輸出功率為1 W,輸出波特率為9600 bit/s時,使用偶極子天線,直線視距傳輸距離最高為11 km,如果使用的是高增益天線其傳輸距離可達32 km,本設計采用的是高增益天線。該模塊自帶配置軟件,用戶可根據需求通過配置軟件使該模塊產生相應性能指標[7]。

3 邏輯設計

3.1 CPLD對數據的預處理

數據預處理包括目標發射機上CPLD對待發送的數據進行串化,設計無線傳輸的波特率為115200 bit/s,部分關鍵的狀態機代碼如下:

when s3=>

if cnt=5 or cnt=15 or cnt=25 or cnt=35 or cnt=45 or

cnt=55 or cnt=65 or cnt=75 or cnt=85 or cnt=95 then

tx<=data(0);

data(8 downto 0)<=data(9 downto 1);

cnt<=cnt+1;

state<=s3;

elsif cnt=100 then

cnt<=0;

i<=i+1;

state<=s2;

else

cnt<=cnt+1;

state<=s3;

end if;

GPS接收機上CPLD用于配置GPS備份模塊(MAX-6Q)為1 Hz,波特率為115200 bit/s,采集模塊對接收數據串行轉并行的解碼狀態機代碼如下所示:

when s3=>

if cnt=5 or cnt=15 or cnt=25 or cnt=35 or cnt=45 or

cnt=55 or cnt=65 or cnt=75 or cnt=85 or cnt=95 then

tx<=data(0);

data(8 downto 0)<=data(9 downto 1);

cnt<=cnt+1;

state<=s3;

elsif cnt=100 then

cnt<=0;

i<=i+1;

state<=s2;

else

cnt<=cnt+1;

state<=s3;

end if;

3.2 單片機對數據的處理

單片機對數據的處理主要包括提取目標的經緯度、高度及時間信息,因而需要通過單片機對GPS發回來的全部數據進行篩選處理,提取有用信息,剔除不需要的信息,同時也減少數據傳輸量,提高數據的實時性,降低功耗。

圖6 PC機顯示結果圖

圖5 單片機程序NS流程圖

為了避免同時開兩中斷導致嵌套的問題,設計采用輪詢方式接收定位信息,單片機讀取CPLD編幀好的數據。單片機程序NS流程圖如圖5所示。單片機完成系統初始化,然后查詢串口1接收中斷標志位RI1,若RI1被置位,清除中斷標志位RI1,并開始讀取經串口1接收到的GPS數據,若檢測到接收到的數據的幀頭為“＄GPRMC”,則將其存儲到數組里面,然后繼續接收,直到接收完預先設定的67 byte為止,否則,將數據丟棄。對于經串口2傳輸的另一路GPS數據,按照相同的方式,查詢、接收、存儲,直到全部接收要求的字節數。數據的發送是在接收空閑時候進行的,采用存儲器段選的方式,使得數據的存儲和發送在不同的存儲段分別進行,避免了數據存儲的亂序。接收機接收到數據,并將其回傳給PC機顯示。為了方便PC機識別與處理信息,需要對發送的字符串前自定義一個幀頭,設計東方聯星GPS數據的幀頭為“EA”,MAX-6Q發送的GPS數據幀頭“EB”,方便PC機解包和分析[8]。

4 測試結果

實驗數據表明,單片機正確接收了兩路GPS數據,無丟數現象,完全符合設計的要求。目標位置和航跡圖如圖6所示,通過兩路GPS模塊進行定位,達到高精度定位的要求,同時也會防止因某些原因導致其中任一路定位系統失靈,從而達到了安全可靠的目的。設計還運用了重復發數據的方法,目的是在GPS不發數據時避免了地面GPS接收機無數據顯示的情況,提高該GPS實時定位系統的定位精度。

5 結束語

設計了一種基于單片機和CPLD硬件平臺的GPS實時定位系統,該系統能夠有效地實現了對GPS數據的接收,傳輸以及分析處理。通過中斷查詢方式,單片機控制對兩路GPS信息的采集,并將數據經無線射頻模塊發送。為進一步提高GPS定位信息的可靠性、穩定性與實時性,單片機處于空閑時,將已發送的數據重新發送。地面GPS接收機接收GPS數據,并回傳PC機顯示。測試結果表明,采用GPS模塊與無線射頻傳輸模塊相結合的定位系統可以實現快速準確地定位,系統操作界面美觀靈活,自動化與智能化程度高,可靠性和穩定性強,通用性和移植性好,完全達到了預期效果。由于測試系統還處于試驗階段,所以本系統還存在著一定的不足,由于存儲器采用的是靜態RAM,則在實驗過程中不能發生掉電現象,否則試驗數據將丟失,因此若能增加設計SRAM掉電保護電路,會使數據存儲的可靠性得到較大的提高,但這將勢必會使電路的復雜程度提高,因此如何讓解決這兩者之間的矛盾,將是解決這一問題的關鍵。

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張會新(1980-),男,漢族,黑龍江牡丹江人,在讀博士,講師,主要研究方向為測試計量技術及儀器;

凌偉(1989-),男,漢族,安徽合肥人,在讀碩士,主要研究方向為現場總線技術,lingwei714@163.com。

DesignofaNewReal-TimePositioningSystemBasedonGPS*

ZHANGHuixin1,2*,LINGWei1,2,MAZhigang1,2,LIUWenyi1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

To a wide range of applications of the target aircraft positioning,a new real-time GPS positioning system that designed based on the hardware platform of MCU and CPLD is proposed. The system consists of a transmitter onboard and a GPS receiver component. Two parts are universally designed,and both of them consisted of the GPS module,the control module,a wireless RF module,power module and other modules. When working,Airborne GPS transmitter sends data via a wireless serial port,Ground GPS receiver completes the data collection and framing and then returned data to PC terminal via the interface of FT245 for Real-time monitoring and post-mortem analysis. Test results shows that the system is capable of real-time,accurately locating aircrafts within a variety of different environments.

GPS;wireless serial communication;data acquisition and framing;FT245

項目來源:國家自然科學基金項目(50535030)

2013-12-13修改日期:2014-01-11

TP273

:A

:1005-9490(2014)06-1204-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.039