基于FPGA的GPS數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計與實現(xiàn)

 全球定位系統(tǒng)(Clobal Position System，GPS)能夠提供實時、全天候、全球性和高精度的服務(wù)，其廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。GPS接收機通過天線單元接收衛(wèi)星信號，將信號進行帶通濾波、下變頻混頻、AGC放大、A/D轉(zhuǎn)換等一系列處理，得到數(shù)字中頻信號，進而對中頻信號進行捕獲、跟蹤，解調(diào)出用戶的緯度、經(jīng)度、高度、速度、時間等導(dǎo)航信息，將這些信息按NMEA-0183協(xié)議封裝，通過串口輸出數(shù)據(jù)。用戶設(shè)備中的GPS接收器在收到GPS信息后，需要對相關(guān)信息予以解碼處理，從而得到用戶的位置、時間等信息，進而實現(xiàn)用GPS導(dǎo)航和定位的目的。近幾年來，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)憑借其開發(fā)過程投資少、設(shè)計周期短、靈活方便以及可反復(fù)編程等特點，在現(xiàn)代電子設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。本設(shè)計選擇現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)來實現(xiàn)GPS信號的解析處理。

1 NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式

NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA，The National Marine Electronics Association)為海用電子設(shè)備制定的標準格式，它現(xiàn)在已被廣泛地應(yīng)用于多個領(lǐng)域的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。NMEA標準格式輸出采用ASCII碼，每個ASCII數(shù)據(jù)碼長8位，串行通信的波特率為9600位/秒，數(shù)據(jù)位8位，開始位1位，停止位1位，無奇偶校驗位。

NMEA-0183協(xié)議由語句組成，每條語句以字符“$”作為語句起始標志，數(shù)據(jù)之間以逗號相隔，字符“*”作為校驗和前綴，最后以校驗和數(shù)值和回車/換行字符結(jié)束。最常用的有6種語句格式：$GPGGA，$GPGLL，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG。下面以推薦定位信息GPRMC語句為例介紹數(shù)據(jù)格式。語句的格式如下：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*<13>

<1>UTC時間，格式hhmmss.sss(時分秒);

<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(前導(dǎo)位不足則補0);

<4>緯度半球N(北半球)或S(南半球);

<5>經(jīng)度，dddmm.mmmm(度分)格式(前導(dǎo)位不足則補0);

<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)，前導(dǎo)位不足則補0);

<8>地面航向(000.0～359.9度，以真北為參考基準，前導(dǎo)位不足則補0);

<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;

<10>磁偏角(000.0～180.0度，前導(dǎo)位不足則補0);

<11>磁偏角方向，E(東)或W(西);

<12>模式指示(僅NMEA-0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效);

<13>校驗和;

2 NMEA-0183協(xié)議解析器設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

以深圳星際通公司生產(chǎn)的GP5MX1513F1導(dǎo)航芯片為例進行說明。該芯片為一個64并行通道單頻接收機，只接受L1波段的衛(wèi)星信號，定位精度2 m(2D RMS)。該芯片依次輸出6種NMEA信息，分別是：$GPGGA，$GPGLL，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，串口默認設(shè)置：波特率9 600bps，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗位，停止位1位。NMEA-0183協(xié)議解析系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示，GP5MX1513F1導(dǎo)航芯片通過天線單元接收衛(wèi)星信號，將信號濾波、下變頻、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列處理，得到數(shù)字中頻信號，進而對中頻信號進行捕獲、跟蹤、位同步及幀同步，解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)，最后計算出用戶的緯度、經(jīng)度、高度、速度、時間等信息，以NMEA-0183協(xié)議格式打包成數(shù)據(jù)幀，再通過標準的串口輸出數(shù)據(jù)。NMEA-0183協(xié)議解析模塊生成的硬件電路內(nèi)嵌在FPGA中，一方面通過串口模塊接收GP5MX1513F1芯片發(fā)出的串行數(shù)據(jù)，將接收的信號給解析模塊進行處理，另一方面解析模塊根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式提取出所需要的信息。

2.2 串口模塊

串口模塊主要負責(zé)接收由GP5MX1513芯片輸出的導(dǎo)航定位信息，串口模塊通過波特率發(fā)生器將系統(tǒng)時鐘進行分頻，產(chǎn)生16倍數(shù)據(jù)波特率的時鐘。系統(tǒng)復(fù)位后，接收端以16倍波特率的速率讀取線路狀態(tài)，檢測信號GPS_TX出現(xiàn)下降沿，在GPS_TX信號下降沿后第8個采樣點確認是否為低電平，如果檢測得到的是高電平，則認為起始位無效，返回到空閑狀態(tài)，重新等待起始信號的到來。起始位找到后，開始接收數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)計數(shù)器data_bit_cnt計到7時，8位數(shù)據(jù)都已經(jīng)輸入完成。最后，檢測停止位，如果正確檢測到高電平，則

說明本幀的各位數(shù)據(jù)正確接收，將數(shù)據(jù)存入到8位數(shù)據(jù)寄存器中，否則出錯。

串口模塊接收端的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示，接收機由4個工作狀態(tài)組成，分別是空閑狀態(tài)、起始位、數(shù)據(jù)位和停止位。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，電路處于空閑狀態(tài)，等待信號的觸發(fā)，連續(xù)8個時鐘檢測出數(shù)據(jù)發(fā)生負跳變，sof信號為高，進入起始狀態(tài)，當(dāng)sample為1時，進入數(shù)據(jù)位，接著的數(shù)據(jù)位將每隔16個采樣周期被采樣一次。即取每一位的第8次的波特率時鐘采樣值來確保采樣正確。連續(xù)采樣8次后，采樣計數(shù)器data_bit_cnt==7，進入停止位，當(dāng)sample為1時，進入空閑狀態(tài)，開始接收下一個數(shù)據(jù)。

在狀態(tài)機模型的基礎(chǔ)上，使用verilog HDL語言來描述其功能，其主要代碼如下：

2.3 解析模塊

串口模塊輸出的8位數(shù)據(jù)送到解析模塊，解析模塊采用6MUX1選擇器來選擇提取哪種語句，通過外部輸入信號對寄存器config_Reg進行配置來實現(xiàn)，當(dāng)config_Reg=000時，提取GGA語句，當(dāng)config_Reg=001時，提取GLL語句，當(dāng)config_Reg=010時，提取GSA語句，當(dāng)config_Reg=001時，提取GSV語句，當(dāng)config_Reg=011時，提取RMC語句，當(dāng)config_Reg =100時，提取VTG語句。下面以RMC語句為例，來說明解析過程，解析模塊將串口模塊接收端接收的數(shù)據(jù)進行循環(huán)檢測，判斷報文頭、定位狀態(tài)、校驗位、結(jié)束位信息，提取時間信息。首先，對config_Reg進行配置，設(shè)置config_Reg=011;其次，檢測報文頭$GPRMC，如果是，則進行下一步，否則，繼續(xù)檢測;最后，用逗號計數(shù)器的值來決定提取$GPBMC語句的哪段信息，當(dāng)逗號計數(shù)器為1時，提取時分秒信息，存儲在data_hh_mm_ss寄存器中;當(dāng)逗號計數(shù)器為2時，提取定位狀態(tài)信息，當(dāng)VALID信號為高，則有效定位;當(dāng)VALID信號為低，則無效定位;當(dāng)逗號計數(shù)器為3時，提取緯度信息，存儲在lat_data寄存器中;當(dāng)逗號計數(shù)器為5時，提取經(jīng)度信息，存儲在lon_data寄存器中;當(dāng)逗號計數(shù)器為9時，提取日月年信息，存儲在data_dd_mm_yy寄存器中。程序設(shè)計的流程圖如圖3所示。

其主要代碼如下：

3 仿真測試及硬件實現(xiàn)

根據(jù)編寫的測試模塊在ModelSim 6.2軟件下進行了功能仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示，GPS_TX為輸入的串行數(shù)據(jù)，rcv_data為接收的8位數(shù)據(jù)，hh_mm_ss為提取出時分秒信息：15：49：41，dd_mm_yy為提取出日月年信息：13.06.09，lat_data為提取的緯度信息：3409.3297，lon_data為提取的經(jīng)度信息：10853.6986，從仿真波形上看，仿真的結(jié)果與測試激、勵中的數(shù)據(jù)一致。

完成了仿真后，在Quartus II 9.0下進行了邏輯綜合，將程序下載到Altera公司生產(chǎn)的CycloneII系列EP2C5T144C8型號的FPGA中，用Quartus II 9.0軟件自帶的嵌入式邏輯分析儀SignalTapII，對FPGA內(nèi)部的信號進行觀測，F(xiàn)PGA內(nèi)部實際工作波形如圖5所示，從硬件調(diào)試結(jié)果觀測，實際測出的結(jié)果：年月日2013.08.19，時分秒00：07：42，緯度為3412.0714，經(jīng)度為10856.6625。由于所測得時間信息為世界協(xié)調(diào)時間，北京時間與世界協(xié)調(diào)時相差8個時差，北京時間應(yīng)修正為：08：40：09，所測得結(jié)果與本地的時間一致。

結(jié)果分析：從圖4和圖5波形上可以看到我們測試的結(jié)果，實際測試中，我們讓整個解析過程連續(xù)工作12 h，沒有發(fā)現(xiàn)解析錯誤、丟包等不正?，F(xiàn)象。因此，大量測試結(jié)果表明，該模塊能夠正確的接收和處理導(dǎo)航信息。

4 結(jié)論

根據(jù)NMEA—0183協(xié)議格式，提出使用FPGA實現(xiàn)NMEA-0183信息解析的一種方法，仿真及實際測試結(jié)果表明，該電路能夠正確地提取出所需要的信息，如時間、位置等信息，最終實現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)采集及處理等工作，為搜查救援、事故定位等工作提供了技術(shù)依據(jù)。