FPGA與GPS-OEM板的串行通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)三維定位，并可提供精確的時(shí)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(jī)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(jī)接收到衛(wèi)星發(fā)播的信號并利用本機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)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(jì)算接收機(jī)的位置。由于GPS具有全球覆蓋以及精度高、定位速度快、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來，GPS在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，并在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了極大的作用，已成為信息時(shí)代不可缺少的一部分。然而，GPS定位接收機(jī)價(jià)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(jì)和使用個(gè)性化的GPS定位接收機(jī)。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(jì)選擇現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)來實(shí)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(jī)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(yùn)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(jī)天線的傳播時(shí)間，再解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文．最后實(shí)時(shí)計(jì)算出觀測站的三維位置、三維速度和時(shí)間等。

　　GPS-OEM板是GPS接收機(jī)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(jī)。現(xiàn)以GARMIN公司的GPS25 OEM板為例，該板作為GPS接收機(jī)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(shí)現(xiàn)對GPS衛(wèi)星信號的跟蹤、鎖定、測量，最后產(chǎn)生計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息(包括：緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)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(jī)，可以同時(shí)跟蹤多達(dá)12顆GPS衛(wèi)星，并可連續(xù)追蹤GPS衛(wèi)星，以實(shí)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(shí)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(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)。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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)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(yàn)區(qū)"內(nèi)為校驗(yàn)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(shí)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：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<lO>，<11>，*hh<CR><LF>。其中， "GP"為交談識別符， "RMC"為語句識別符；"*"是檢驗(yàn)和識別符。 "hh"是校驗(yàn)和，它們代表了"$"與"*"之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個(gè)字符)。

　　$GPRMC語句數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容如下：

　　(1)UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)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(shí)際應(yīng)用中，一般只需提取時(shí)間和位置信息，并對定位數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 串行通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)通信原理

　　由于FPGA接口采用TTL電平，而OEM板的串行通信采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平，故需電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換接口可以通過MAX202芯片來實(shí)現(xiàn)。GPS25有兩個(gè)串行口，其端口1可用來輸入差分修正信息和輸出衛(wèi)星的原始測量信息，而端口2則用來輸入設(shè)定語句和輸出定位語句，因此，只需將FPGA接口與GPS25串行口2對應(yīng)連接即可．其接口電路如圖l所示。FPGA的全局時(shí)鐘Global_clk由24 MHz的晶振產(chǎn)生。

　　2.2 OEM板的個(gè)性配置

　　當(dāng)FPGA模塊完成開機(jī)上電后．其中的異步串行發(fā)送電路將發(fā)送用戶制定的配置語句，以對OEM板進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)置。

　　由于GPS25的默認(rèn)波特率是4800 bit／s。故應(yīng)將FPGA中異步串行發(fā)送電路的波特率時(shí)鐘也設(shè)置為此值，具體可通過對系統(tǒng)的全局時(shí)鐘進(jìn)行分頻來實(shí)現(xiàn)，發(fā)送完結(jié)束標(biāo)志符后，F(xiàn)PGA中的定位信息接收讀取電路即可開始工作，并等待數(shù)據(jù)的接收。本例用$GPRMC語句接收OEM板的定位信息，如果應(yīng)用系統(tǒng)有特殊要求，還需要進(jìn)行初始化、配置以及對輸出語句進(jìn)行選擇。應(yīng)該注意的是，NMEA-0183格式中的校驗(yàn)和無需發(fā)送。

　　初始化可用$GRMI語句來實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果是：

　　其中，<1>～<4>項(xiàng)用以設(shè)置地理位置，它們的格式與$GPGGA語句的對應(yīng)項(xiàng)相同，第<5>項(xiàng)為UTC日期，格式為"日日月月年年"，第<6>項(xiàng)為UTC時(shí)間，格式與$GPGGA語句相同，第<7>項(xiàng)中，A=自動定位，R=設(shè)備復(fù)位。

　　OEM板的配置可利用$PGRMC語句來完成。該語句共有14個(gè)有效項(xiàng)，其中第<10>項(xiàng)選擇波特率，1～7分別代表標(biāo)準(zhǔn)波特率300～19200，配置時(shí)，可以用空項(xiàng)表明保持原配置項(xiàng)不變。例如，配置為9600波特、輸出秒脈沖時(shí)，其則語句為：

　　GPS25的輸出語句共有10多條，默認(rèn)的輸出語句為$GPGGA等5條。用戶對輸出信息的設(shè)定可以通過$PGRMO語句實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)是：

　　其中，<1>為合法語句名，如GPRMC；<2>為語句狀態(tài)，1表示禁止該語句輸出，2表示允許該語句輸出，3表示禁止所有語句輸出，4表示允許所有語句輸出。

　　例如，下列輸入語句只允許OEM板輸出$GPRMC語句：

　　$PGRMO，3<CR><LF>；禁止所有語句輸出。

　　$PGRMO，GPRMC，2<CR><LF>；允許$GPRMC語輸出。

3 定位信息的接收與讀取

　　3.1 接收模塊的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中的接收模塊主要負(fù)責(zé)接收由OEM板串口2輸出的導(dǎo)航定位信號。該模塊包括對TXD端的起始位檢測電路，采樣電路，波特率發(fā)生器和異步FIFO緩存設(shè)計(jì)等。本例中的波特率發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)鐘分頻器，所產(chǎn)生的分頻時(shí)鐘是波特率時(shí)鐘的16倍，目的是為了在接收時(shí)進(jìn)行精確的采樣，以提出異步串行數(shù)據(jù)，同時(shí)，也可為異步FIFO提供寫時(shí)鐘。

　　接收之前應(yīng)對從OEM板直接輸出的RXD信號進(jìn)行同步處理，以濾除輸出中的干擾，降低異步時(shí)域數(shù)據(jù)傳輸中亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的概率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本設(shè)計(jì)采用兩級D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)信號同步。根據(jù)異步傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議，當(dāng)電路檢測到OEM板同步后的輸出端syn_TXD發(fā)生負(fù)跳變時(shí)。整個(gè)接收采樣電路開始工作。為了避免干擾和得到正確的起始位，在波特率時(shí)鐘檢測過程中，至少必須有一半屬于邏輯0，即8個(gè)時(shí)鐘周期后，才可認(rèn)定收到是可靠的起始位。當(dāng)接收到正確的起始位后．接著的數(shù)據(jù)位將每隔16個(gè)采樣周期被采樣一次。即取每一位的第8次的波特率時(shí)鐘采樣值來確保采樣正確。圖2所示是本系統(tǒng)的串口接收狀態(tài)圖。連續(xù)采樣8次后，即一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)接收完成之后，便可設(shè)置位結(jié)束標(biāo)志。每采樣一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，都先放入FIFO中緩存。由于GPRMC格式數(shù)據(jù)所傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)是72Byte，故當(dāng)接收完一組數(shù)據(jù)之后，都要對FIFO的滿信號置位，并由外部的全局時(shí)鐘控制將里面緩存的數(shù)據(jù)讀出，以供后續(xù)部分處理。讀完之后，即可接收到后續(xù)模塊的結(jié)束標(biāo)志，然后復(fù)位讀使能，以等待下一組數(shù)據(jù)的到來。其仿真結(jié)果如圖3所示。

　　3.2數(shù)據(jù)校驗(yàn)和存儲設(shè)計(jì)

　　要正確讀取OEM板的輸出語句，首先是判斷語句類型，其次是存放數(shù)據(jù)，然后再確定語句的結(jié)束標(biāo)志。本例中將接收的數(shù)據(jù)存放在FPGA內(nèi)部設(shè)定的RAM中，而對時(shí)間，位置等信息的提取和處理則在其它部分完成。

　　數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K由FIFO的滿信號啟動。當(dāng)檢測到滿信號有效時(shí)。校驗(yàn)?zāi)K連續(xù)的讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。當(dāng)檢測到起始標(biāo)志"$"后，即進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取和檢測。輸出數(shù)據(jù)是以語句的形式出現(xiàn)的，每條語句代表一種數(shù)據(jù)，每種數(shù)據(jù)都有它自己的識別碼，所以，要根據(jù)收到的語句識別碼來判斷該語句是否為所需要的內(nèi)容(如GPRMC中，"GP"為識別符，"RMC"為語句名)。

　　根據(jù)NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式的內(nèi)容，可對所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。即對接收到的信息逐字節(jié)異或。當(dāng)接收到"*"時(shí)，比較下一字符"hh"與實(shí)際異或值是否相等。若相等，即所接收的數(shù)據(jù)正確；若不等，則所接收數(shù)據(jù)無效，系統(tǒng)隨之復(fù)位存儲設(shè)備，并等待檢測下一組數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到結(jié)束符<CR><LF>時(shí)，標(biāo)志數(shù)據(jù)讀取結(jié)束，系統(tǒng)向FIFO發(fā)出結(jié)束標(biāo)志，并等待下一次數(shù)據(jù)檢測。其系統(tǒng)校驗(yàn)流程圖如圖4所示。

　　4  結(jié)束語

　　本文結(jié)合PFGA和GPS-25型OEM板的硬件特點(diǎn)，分析了FPGA和OEM板的串行通訊問題，同時(shí)重點(diǎn)分析了讀取GPS定位信息的設(shè)計(jì)問題。