ＧＰＳ定位數(shù)傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)一臺(tái)GPS接收機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位問題，介紹了定位數(shù)據(jù)的傳輸方法及設(shè)計(jì)方案，并就系統(tǒng)的組成給出了各部分硬件及軟件的具體實(shí)現(xiàn)方法，多次的試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小，定位精度滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞:：GPS接收機(jī)；數(shù)據(jù)傳輸；調(diào)制與解調(diào)

1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成與功能

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括無線電機(jī)載發(fā)送，地面接收兩部分，發(fā)送端是由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、調(diào)制器及發(fā)射機(jī)組成；接收端是由接收機(jī)、解調(diào)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及PC機(jī)綜合顯示器組成。各部分完成如下功能:

1.1.1 機(jī)載發(fā)送端

GPS接收機(jī)：啟動(dòng)后將接收到的定位數(shù)據(jù)按設(shè)置的格式以異步串口(RS2232)形式輸出；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將收到的GPS接收機(jī)的異步數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為同步數(shù)據(jù)；調(diào)制器：把同步的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，形成信道可傳輸?shù)腉PS基帶信號(hào)；發(fā)射機(jī)：將GPS基帶信號(hào)第二次調(diào)制經(jīng)功率放大器后由天線完成發(fā)射；

1.1.2 地面接收端

接收機(jī)：將天線接收到的信號(hào)進(jìn)行第一次解調(diào)恢復(fù)出GPS基帶數(shù)據(jù)；解調(diào)器：對(duì)接收的基帶信號(hào)進(jìn)行2dPSK解調(diào)恢復(fù)出同步的GPS數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：把同步的GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與發(fā)端波特率、幀格式相同的異步RS2232數(shù)據(jù)；PC機(jī)綜合顯示器：從來自數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器GPS數(shù)據(jù)中取出需要的定位數(shù)據(jù)處理后綜合顯示；

1.2 工作過程

GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)通過串口以115.2kb/s的波特率按RS2232異步通信格式送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換為同步數(shù)據(jù)，加載到適當(dāng)?shù)妮d波上，經(jīng)過差分相移鍵控(2dPSK)編碼調(diào)制成基帶信號(hào)送到發(fā)射機(jī)調(diào)頻。放大后通過天線發(fā)射出去，信號(hào)被地面接收天線感應(yīng)后，經(jīng)高頻放大、混頻、鑒頻后，輸出基帶信號(hào)給解調(diào)板，通過同步跟蹤

解調(diào)出同步的GPS數(shù)據(jù)，再由地面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出異步的RS2232數(shù)據(jù)送給PC機(jī)，經(jīng)過位置解算處理后進(jìn)行綜合顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的GPS接收機(jī)是高動(dòng)態(tài)10通道接收機(jī)每秒輸出10次定位數(shù)據(jù)(每100ms一幀)，且為異步串行數(shù)據(jù)，因此必須將其進(jìn)行二次編碼形成可供信道傳輸?shù)男盘?hào)，才能進(jìn)行無線傳輸。為了保證定位精度，必須減少傳輸時(shí)延，因此首先確定可供信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率。

2.1 同步傳輸速率的確定

GPS接收機(jī)輸出速率最高可設(shè)為115.2kb/s，每字節(jié)為10位，其中第一位和最后一位分別為起始位和終止位，中間8位為定位數(shù)據(jù)，因?yàn)樵诿棵?0組的數(shù)據(jù)包(即每100ms一幀數(shù)據(jù))中，定位數(shù)據(jù)是ASIC碼型，每個(gè)字節(jié)長度不定，也即每一幀數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)包長度不定，若每個(gè)定位數(shù)據(jù)為最大值，則按照該試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置，可得到最長的數(shù)據(jù)包為128B，那么在100ms內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)所需最大時(shí)間為10×128÷115.2k=11.1ms

對(duì)于同步傳輸而言，每字節(jié)8位，128B是1024位，若滿足上述時(shí)間要求，并結(jié)合地面接收數(shù)據(jù)的同步到異步的轉(zhuǎn)換，只要在100ms內(nèi)用略大于異步的時(shí)間即可完成對(duì)定位數(shù)據(jù)的傳輸。于是同步傳輸速率可確定為78.6432kb/s，即傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間為

8×128÷78.6432k=13ms

2.2 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)傳系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總體分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與調(diào)制器、信道以及解調(diào)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換3部分：

2.2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與調(diào)制器

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是由AD公司的ADLC824單片機(jī)完成的，單片機(jī)的串口RX接收到GPS接收機(jī)的定位信號(hào)后，進(jìn)行重新編碼并通過其SPI接口分別從SCLK和SDO端口輸出78.6432kHz的時(shí)鐘和78.642kb/s的同步串行數(shù)據(jù)流，這兩路信號(hào)分別接到JK觸發(fā)器的時(shí)鐘與J、K端，將數(shù)據(jù)流進(jìn)行差分后把數(shù)據(jù)和時(shí)鐘進(jìn)行模2加，調(diào)制成2dPSK基帶信號(hào)。

2.2.2 信道

信道是由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及收發(fā)天線組成。發(fā)射機(jī)：中心頻率為2.2GHz，調(diào)制器采用鎖相調(diào)頻方案，基帶信號(hào)送入鎖相環(huán)路進(jìn)行調(diào)頻，鎖相環(huán)采用大規(guī)模集成電路，一個(gè)芯片完成微波分頻、鑒相等功能，中頻放大級(jí)使用單片放大器。接收機(jī)：設(shè)計(jì)為超外差式接收機(jī)，中心頻率為2.2GHz，靈敏度為-95dBm，選用Motorola公司的MC13156DW芯片完成。收發(fā)天線：均為垂直極化方式的全向天線。

2.2.3 解調(diào)器與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

解調(diào)器選用美國Lattice公司的集成芯片ispLSI1032E，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器仍采用AD公司ADLC824單片機(jī)完成。系統(tǒng)采用延時(shí)解調(diào)法恢復(fù)出同步的GPS定位數(shù)據(jù)流，輸入的基帶與延時(shí)一個(gè)位鐘周期的基帶進(jìn)行模2加，解調(diào)出同步數(shù)據(jù)流，其中延時(shí)器的時(shí)鐘由數(shù)字鎖相環(huán)提取，數(shù)據(jù)流經(jīng)過低通濾波器，與位時(shí)鐘分別接入CPU的SPI接口，在CPU內(nèi)部恢復(fù)出115.2b/s的異步定位數(shù)據(jù)并傳給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后綜合顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括發(fā)端(機(jī)載)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件、收端(地面)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件。

3.1 機(jī)載軟件

機(jī)載軟件主要是單片機(jī)的軟件，它完成對(duì)GPS接收機(jī)初始化及GPS定位數(shù)據(jù)的接收與格式轉(zhuǎn)換。

3.1.1 GPS接收機(jī)初始化

對(duì)波特率、時(shí)間、高度等的設(shè)置，按照ASIC碼型與十六進(jìn)制對(duì)照表，以表格形式編寫成單片機(jī)所需要的匯編語言。例如:set，/par/nmea/frac/sec，1-可寫為:

Tab:DB73H，65H，74H，2CH;set，

DB2FH，70H，61H，72H，2FH;/par/

DB6EH，6DH，65H，61H，2FH;nmea/

DB66H，72H，61H，63H，2FH;frac/

DB73H，65H，63H，2CH，31H，0AH;sec，1-

3.1.2 GPS定位數(shù)據(jù)接收與格式轉(zhuǎn)換

設(shè)計(jì)思路是不改變GPS已有的幀格式，針對(duì)GPS數(shù)據(jù)每100ms一幀的特點(diǎn)，在其數(shù)據(jù)幀間隔處插入特征碼，GPS定位數(shù)據(jù)碼型為ASIC碼，且ASIC碼對(duì)應(yīng)的最大十六進(jìn)制數(shù)據(jù)不大于80H，所以特征字符選為85H。

3.1.3 串口收數(shù)

系統(tǒng)給GPS數(shù)據(jù)異步接收設(shè)置了192B的緩沖區(qū)，并設(shè)一個(gè)串口收指針(R0)，將接收到的定位數(shù)據(jù)逐次放入緩沖區(qū)中，每收一個(gè)字節(jié)，收指針R0加1。當(dāng)緩沖區(qū)收滿(即R0=192)時(shí)清零

3.1.4 SPI口同步發(fā)數(shù)

首先設(shè)置好發(fā)數(shù)的時(shí)鐘78.6432kHz及波特率78.6432kb/s，將接收到的定位數(shù)據(jù)按照32B一幀，逐個(gè)字節(jié)發(fā)出，幀頭選EBH和90H。同步發(fā)數(shù)時(shí)設(shè)置一個(gè)發(fā)指針R1和一個(gè)字節(jié)計(jì)數(shù)器R2，每發(fā)一個(gè)字節(jié)發(fā)指針R1和發(fā)R2同時(shí)加1，R1=192時(shí)清零，R2=32時(shí)清零，因?yàn)榘l(fā)比收慢，所以當(dāng)處于GPS數(shù)據(jù)包結(jié)束時(shí)，R0不再累加，發(fā)指針R1總會(huì)與R0針相等，這時(shí)在SPI發(fā)數(shù)時(shí)插入85H即可\"這些數(shù)據(jù)連同設(shè)置好的位鐘從CPU的SPI口的SDO及SCLK端輸送到調(diào)制器。

3.2 地面站軟件

即同步/異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件。在CPU單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)，是從同步數(shù)據(jù)中擇取GPS定位數(shù)據(jù)，即CPU從SPI口接收到數(shù)據(jù)中去除大于85H的所有數(shù)據(jù)(包括幀同步頭EBH和90H)，剩余的為GPS定位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)從CPU的串口TXD端送給PC機(jī)。

4 結(jié)束語

經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)定，系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延不大于30ms，小于GPS定位數(shù)據(jù)一幀(100ms)的時(shí)間，系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)合理、定位準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

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