基于GPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

摘要：文中研究了利用全球定位系統(tǒng)GPS授時技術(shù)來實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集。設(shè)計了一種基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由GPS秒脈沖同步下進行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理為其打上時間和地理位置標簽并采用USB 2．0接口來實現(xiàn)實時測量數(shù)據(jù)高速上傳，為異地數(shù)據(jù)分析和處理提供了便利。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；GPS；DSP；USB 2．0

    GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)是美國發(fā)射的24顆GPS地球衛(wèi)星所組成的具有能提供全球全天候?qū)Ш健⒍ㄎ?、授時功能的系統(tǒng)。美國政府宣布2000年至2006年期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，利用C／A碼進行單點定位的精度由100米提高到10米，GPS民用信號精度在全球范圍內(nèi)得到改善，這進一步掀起了GPS應用的熱潮，刺激GPS技術(shù)與科技和生產(chǎn)領(lǐng)域的結(jié)合。誕生了大量的GPS的應用成果。如相量測量裝置PMU就是利用了GPS來解決了電力系統(tǒng)廣域空間同步測量的問題。
    隨著時代的發(fā)展，如今對數(shù)據(jù)采集在通信，電力和建筑等特殊應用場合又提出了新的要求，希望能夠?qū)Ρ粶y系統(tǒng)不同節(jié)點的物理量行同步采樣，能夠?qū)崟r獲知采樣點的精準時刻和地理位置然后將這些信息實時傳送到主監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)采集來的測量信息對系統(tǒng)的狀態(tài)進行分析，控制及事故預警。
    傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置是用晶振產(chǎn)生的時鐘頻率經(jīng)分頻后提供的采樣信號，雖然隨著科技水平的提高出現(xiàn)越來越多的高精度的晶體振蕩器，采樣頻率的精度也越來越高，但是在異地同步高精度的測量要求中傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式在理論上已經(jīng)不再同步了，而且隨著時間的推移單一晶振的時鐘系統(tǒng)會出現(xiàn)一系列的老化和漂移特性，已經(jīng)越來越不能滿足新時期下同步數(shù)據(jù)采集的應用。為此，本文探討了一種采用了GPS這一新型授時方法，充分利用了數(shù)字信號處理器TMS320F2812 DSP豐富的片上資源，以GPS秒脈沖為同步時鐘信號，結(jié)合其片上12位A／D可支持16通道芯片進行采樣，并以USB 2．0接口通信方式實現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，來構(gòu)建同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以滿足多測量場合的應用。

1 GPS授時系統(tǒng)
    GPS衛(wèi)星授時系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面衛(wèi)星控制部分和用戶接收設(shè)備組成。其中用戶設(shè)備就是指GPS接收機。本文所選擇的接收機是GARMIN公司的GPS25 OEM板，該OEM板為12通道的GPS接收機，可以同時跟蹤其視野范圍內(nèi)內(nèi)多達12顆GPS衛(wèi)星，通過接收來自天線單元的信號，并通過變頻、放大、濾波等一系列處理對得到的導航電文的解碼和處理后，輸出間隔是1 s的同步脈沖信號1PPS和的由RS-232標準串口輸出串行數(shù)據(jù)UTC(協(xié)調(diào)世界時)如圖1所示。1PPS秒脈沖前沿與UTC同步誤差不超過1μs。

    GPS25 OEM串口輸出輸出信號符合美國國家海洋電子協(xié)會制定的NMEA-0183通信標準格式。其輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，數(shù)據(jù)更新時間為1 s，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。輸出默認波特率為4 800。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GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC和GPVTG。本文只考慮其時間、經(jīng)緯度信息，通常采用GPRMC定位信息來獲得所需信息，GPRMC語句如下：
    $GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh<CR><LE>
    <1>UTC時間，hhmmss(時分秒)格式
    <2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位
    <3>緯度ddmm．mmmm(度分)格式
    <4>緯度半球N(北半球)或S(南半球)
    <5>經(jīng)度dddmm．mmmm(度分)格式
    <6>經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))
    <7>地面速率
    <8>地面航向
    <9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
    <10>磁偏角
    <1l>磁偏角方向，E(東)或W(西)
    <12>模式指示
    其中：$為語句起始標志；GPRMC為識別符；逗號為數(shù)據(jù)區(qū)分隔符；*為效驗和識別符；hh為效驗和；<CR><LF>為語句結(jié)束符。
    秒脈沖的上升沿對應著一精準的UTC時刻?？梢韵葘PS接收機的1PPS秒脈沖進行整形，用經(jīng)過整形信號的上升沿對DSP中斷進行控制或觸發(fā)計數(shù)器進行分頻處理，同時從RS-232接口傳輸來的GPRMC語句通過DSP的串口輸入可以方便提取到UTC時刻，地理經(jīng)緯度信息。本文中使用GPS25 OEM板其授時精度優(yōu)于200ns，定位精度可達5 m以內(nèi)基本可以滿足異地同步數(shù)據(jù)采集的需求。

2 采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)采用的核心芯片是美國TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812 DSP處理器，它采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和地址總線，支持多級流水線操作片上集成了定時器，鎖相環(huán)，通用I／O接口和串行通信接口等。與單片機相比具有更為強大的數(shù)字處理和控制能力特別適合結(jié)合GPS接收機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。
    如圖2所示，整個系統(tǒng)主要分為GPS信號接受模塊，DSP控制模塊，模擬量輸入模塊，采樣脈沖發(fā)生模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。

    文中基于GPS的同步數(shù)據(jù)采集方法基本過程是通過GPS25 OEM接收機輸出的1PPS秒脈沖信號作為DSP外部中斷輸入源來觸發(fā)分頻計數(shù)器來產(chǎn)生采樣脈沖設(shè)備來保證被測信號在同一個時刻開始采樣。為保證點采樣頻率的高度一致性，可以采用高精度溫補晶體振蕩器TCOX，其工作頻率為10 MHz，頻差不大于2 ppm。輸出的振蕩信號經(jīng)過整形、電平轉(zhuǎn)換后經(jīng)計數(shù)器分頻得到滿足采樣率的同步高精度的采樣信號。為了進一步消除晶振電路給采樣頻率帶來的累積誤差，晶振產(chǎn)生的時鐘鐘信號每隔1 s被1PPS信號的上升沿同步一次，使得被測的模擬輸入量經(jīng)過低通濾波后被嚴格建立在GPS時間基準上的同步采樣系統(tǒng)所采樣。模擬量采樣后經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換依次轉(zhuǎn)換后按順序放入固定RAM區(qū)。DSP通過SCI接口從GPS25OEM接收機的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端TX中提取到秒脈沖上升沿所對應的UTC時刻和地理經(jīng)緯度坐標，從第一個采樣點按順序為每一個采樣點置以便于識別的時間標簽和地理位置坐標，最終將各測量量連同其對應的時間地理標簽按照一定的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過USB2.0數(shù)據(jù)線上傳到上位機。

3 通信接口設(shè)計
    傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸大多采用RS 232、RS 485接口傳送，但是對于異地同步大容量的數(shù)據(jù)上傳傳統(tǒng)的通信模式就暴露出傳輸輸速度較慢，時延大，易出錯的缺點。利用USB接口就能有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程海量的雙向傳輸，而且USB傳輸速度可高達480 Mbps支持單點的熱插拔可以有效地實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的攜帶轉(zhuǎn)移。
    本系統(tǒng)通信接口電路采用USB2．0接口，其控制器芯片選用CYPRESS公司的CY7C68013。CY7C68013遵從USB2．0規(guī)范，包括一個增強型的51內(nèi)核與8051指令集兼容，USB2．0串行接口引擎SIE、USB收發(fā)器、8．5KB片上RAM、4KBFIFO以及一個通用可編程接口GPIF。CY7C68013與外設(shè)有兩種接口方式：GPIF和SlaveFIFO。GPIF是主機方式，可以由軟件設(shè)置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對任何8／16bits接口的控制器、存儲器和總線進行數(shù)據(jù)的主動讀寫，使用非常靈活。而Slave FIFO方式是從機方式，工作方式可設(shè)為同步或異步，外部控制器DSP可象對普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進行讀寫。本文采取的是Slave FIFO接口方式。電路中CY7C68013作為TMS320F2812的外設(shè)，它采用異步存儲器接口與DSP相連接，上位PC機可以喚醒CY7C68013并對USB芯片。DSP2812將CY7C68013配置在其子空間采用異步讀寫方式完成二者之間的數(shù)據(jù)和命令的交換。
    USB 2．0控制芯片的選擇和接口方式的確定后，還要完成USB固件和驅(qū)動程序設(shè)計。固件程序負責接收并處理USB驅(qū)動程序和應用程序的控制指令從而使硬件讓設(shè)備實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換。CYPRESS公司針為CY7C68013芯片提供給出了一個Firmware庫和Firmware框架。USB固件程序文件基于Firmware框架主要由fw．c、FPUSB．c、dscr．a(chǎn)51、USBJmpTb．OBJ、Ezusb．lib五部分組成。用戶只需要Kei C51開發(fā)環(huán)境下修改文件FPUSB．c和dscr．a(chǎn)51中的代碼來調(diào)用任務分配、設(shè)備請求和中斷處理等函數(shù)來處理USB事件，在TD_Init()、TD_Poll()兩個任務分配函數(shù)中添加初始化代碼和完成特定功能的代碼從而實現(xiàn)了芯片初始化、處理USB標準設(shè)備請求以及電源管理等功能。最好將編譯后產(chǎn)生的．hex文件載入芯片就能與主機進行基本的USB通信。

4 軟件設(shè)計流程
    基于GPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序在TI公司提供的CCS集成開發(fā)環(huán)境下進行。系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)主程序，串口中斷服務程序數(shù)據(jù)采集中斷服務程序組成。程序流程如圖3～5所示。基本的過程是系統(tǒng)上電以后，程序程將對DSP片上組件包括時鐘，ADC，定時器，IO口，串口以及通過串口TXD對GPS25 OEM板實現(xiàn)初始化。系統(tǒng)初始化后設(shè)置中斷向量，等待響應中斷服務程序。待DSP接收到GPS25LP板會給出相應信息，開始接收GPS25 OEM板傳送來的串行數(shù)據(jù)，DSP識別到“$GPRMC”語句后可以確定GPS數(shù)據(jù)處于有效數(shù)據(jù)的起始位置，開始數(shù)據(jù)的接收。如果數(shù)據(jù)的起始符和標示符有誤則重復查詢過程。接收到有效數(shù)據(jù)從中篩選出時間(轉(zhuǎn)換成北京時間)和經(jīng)緯度信息后對由GPS秒脈沖同步的采樣信號采集來測量量打上時間和經(jīng)緯度標簽，在片內(nèi)RAM中儲存，再送入發(fā)送緩沖區(qū)，最后通過USB2．0上傳到PC機中分析和處理。

5 結(jié)束語
    文中將TMS320F2812與GPS25 OEM接收機相結(jié)合，設(shè)計了一種通用的同步數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)對異地的數(shù)據(jù)進行同步采集并記錄測量點準確測量時間和地理位置信息，并對采集的數(shù)據(jù)通過USB2．0實現(xiàn)高速實時的上傳?；?strong>GPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電力系統(tǒng)測量，機電保護，通信測量等領(lǐng)域有著非常廣闊的應用前景。