FPGA與GPS-OEM板的串行通訊系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

　　全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System簡稱GPS)是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，GPS能提供全天候、連續(xù)、實時高精度導(dǎo)航參數(shù)，可實現(xiàn)三維定位，并可提供精確的時間信息。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和地面接收機部分組成。GPS定位技術(shù)的基本原理是利用測距交會定位的方法。用戶接收機接收到衛(wèi)星發(fā)播的信號并利用本機產(chǎn)生的偽隨機噪聲碼取得距離觀測量和導(dǎo)航電文：再根據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差改正信息來計算接收機的位置。由于GPS具有全球覆蓋以及精度高、定位速度快、實時性好、抗干擾能力強等特點。近年來，GPS在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，并在各個領(lǐng)域發(fā)揮了極大的作用，已成為信息時代不可缺少的一部分。然而，GPS定位接收機價格比較昂貴，而且難以滿足特定條件下的應(yīng)用需求。因此，眾多用戶期望按照自己的使用環(huán)境和性能要求來設(shè)計和使用個性化的GPS定位接收機。出于電路面積、占用空間以及電路穩(wěn)定性和可靠性等因素的考慮，本設(shè)計選擇現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)來實現(xiàn)GPS信號的接收、提取以及存儲。

　　1 OEM板的工作原理和通訊協(xié)議

　　1.1 OEM板的工作原理

　　GPS信號接收機的任務(wù)是捕獲按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的若干待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。然后對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，再解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文．最后實時計算出觀測站的三維位置、三維速度和時間等。

　　GPS-OEM板是GPS接收機的核心部件。該電路板具有接收GPS信號、處理信號、輸出觀測信號和定位結(jié)果等功能。用戶利用OEM板進(jìn)行二次硬件開發(fā)可研制成各種應(yīng)用的GPS接收機?，F(xiàn)以GARMIN公司的GPS25 OEM板為例，該板作為GPS接收機的主要組成部分，可接收來自天線單元的信號，并通過變頻、放大、濾波等一系列處理過程，從而實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星信號的跟蹤、鎖定、測量，最后產(chǎn)生計算位置的數(shù)據(jù)信息(包括：緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向、衛(wèi)星狀況等)，并由RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口輸出串行數(shù)據(jù)，該OEM板為12通道的GPS接收機，可以同時跟蹤多達(dá)12顆GPS衛(wèi)星，并可連續(xù)追蹤GPS衛(wèi)星，以實現(xiàn)快速定位。

　　最終用戶可以使OEM板工作在出廠設(shè)定的默認(rèn)狀態(tài)，此時無需設(shè)置輸入語句。但要使用GPS的信息，則必須通過輸出語句來獲得。

　　1.2 GPS-OEM板通信協(xié)議

　　GPS-OEM板的型號甚多、性能各異，但它們的GPS定位信息串行輸出格式大多采用美國國家海洋電子協(xié)會制定的NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式。其輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗。輸出默認(rèn)波特率為4800 baud。內(nèi)容包含緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息．常用語句有6種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。一般應(yīng)用只關(guān)心其時間、經(jīng)緯度、地面速度信息等，因此，通常采用GPRMC最小定位信息來獲得所需信息。不過要注意，這些設(shè)置信息只在系統(tǒng)本次上電，并進(jìn)行設(shè)置后才有效。每次重新上電時均需重新設(shè)置。NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式如下：

　　$地址區(qū)>，數(shù)據(jù)區(qū)>，數(shù)據(jù)區(qū)>，…校驗區(qū)>，CR>LF>

　　其中： $為語句起始標(biāo)志； 地址區(qū)為識別符； 數(shù)據(jù)區(qū)為發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容； ，為數(shù)據(jù)區(qū)分隔符； 校驗區(qū)內(nèi)為校驗和；CR>LF>為語句結(jié)束符。

　　下面以GPRMC語句為例來介紹。該語句包含時間、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以滿足一般的導(dǎo)航需求。GPRMC語句的結(jié)構(gòu)為：$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，lO>，11>，*hhCR>LF>。其中， GP為交談識別符， RMC為語句識別符；*是檢驗和識別符。 hh是校驗和，它們代表了$與*之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個字符)。

　　$GPRMC語句數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容如下：

　　(1)UTC時間，hhmmss(時分秒)格式

　　(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(前面的0也將被傳輸)

　　(4)緯度半球N(北半球)或S(南半球)

　　(5)經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)

　　(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)，前面的0也將被傳輸)

　　(8)地面航向(000.0～359.9度，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸)

　　(9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式

　　(10)磁偏角(000.0～180.0度，前面的0也將被傳輸)

　　(11)磁偏角方向，E(東)或W(西)

　　實際應(yīng)用中，一般只需提取時間和位置信息，并對定位數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗證。