基于FPGA的GPS模塊和電子羅盤模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

李 宏，薛紅喜

（成都電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

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)，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，具有抗干擾能力強(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，已成為導(dǎo)航、定位不可缺少的一部分。電子羅盤作為一種重要的航向傳感器，正越來越多地應(yīng)用于導(dǎo)航和定位系統(tǒng)中。其通過對(duì)地球磁場等信息的讀取、計(jì)算，精確輸出航向、俯仰、翻轉(zhuǎn)等參數(shù)。

GPS模塊是GARMIN公司的GPS-OEM產(chǎn)品，其可同時(shí)跟蹤多達(dá)12顆GPS衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)快速定位。電子羅盤模塊是PNI公司的TCM3產(chǎn)品，其可用于測量航向、傾斜角和磁場強(qiáng)度，能夠提供航向、橫滾和俯仰值3個(gè)方向的定位數(shù)據(jù)。它們都采用RS232通信接口，可方便地集成到系統(tǒng)中。GPS模塊采用NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式，輸出數(shù)據(jù)采用ASCII碼表示；其輸出的完整定位數(shù)據(jù)多達(dá)60多個(gè)字節(jié)，也就是需要60多次的串口操作；電子羅盤模塊控制也需要十幾次的讀寫串口操作。而且，RS232接口的傳輸速率與DSP運(yùn)行速度相比很低；因此，采用DSP直接控制GPS和電子羅盤模塊，占用的DSP運(yùn)行時(shí)間是相當(dāng)可觀的。

FPGA控制GPS模塊和電子羅盤模塊的流程并不復(fù)雜。GPS模塊不需要任何設(shè)置，電子羅盤模塊則只需要進(jìn)行簡單設(shè)置，所以采用FPGA作為GPS模塊和電子羅盤模塊驅(qū)動(dòng)接口是完全可行的。此外，利用FPGA還可以將數(shù)據(jù)格式進(jìn)行處理，縮短數(shù)據(jù)的位長，采用更高速的接口（SPI或者EMIF）與DSP通信。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由FPGA，GPS模塊和電子羅盤模塊3部分構(gòu)成，如圖1所示。由于電平的不匹配，F(xiàn)PGA與RS232接口之間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)工作的原理是通過FPGA直接接收GPS模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，從中提取出時(shí)間、經(jīng)度和緯度信息，并將這些數(shù)據(jù)格式由ASCII碼轉(zhuǎn)換成壓縮BCD碼格式保存。FPGA向電子羅盤模塊發(fā)送相應(yīng)的命令，然后獲取電子羅盤輸出的航向信息并直接保存。這些數(shù)據(jù)都可由DSP通過SPI接口讀取。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of system

SPI接口通信速度能夠比RS232高很多，能夠?qū)崿F(xiàn)板與板之間的短距離通信，因此被選擇作為對(duì)外的通信接口；此外，因?yàn)镕PGA非常靈活，如果FPGA與DSP的EMIF接口直接相連，可以將SPI接口改為EMIF接口，通信的效率會(huì)更高。

2FPGA邏輯模塊設(shè)計(jì)

FPGA邏輯設(shè)計(jì)按功能可以分為SPI通信模塊，RS232通信模塊，電子羅盤驅(qū)動(dòng)模塊和GPS驅(qū)動(dòng)模塊4個(gè)部分。這種模塊化的設(shè)計(jì)思想在FPGA設(shè)計(jì)中很重要，這有助于設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)的管理和修改。例如，要將SPI接口換成EMIF接口時(shí)，并不需要將設(shè)計(jì)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，而只需要用EMIF接口模塊的代碼替換SPI接口模塊的代碼即可。本設(shè)計(jì)使用的FPGA是Altera的Cyclone III系列中的EP10F256I7N，系統(tǒng)時(shí)鐘33.3 MHz，SPI接口通信速率約為1 MHz，RS232通信波特率為9 600 bps，硬件設(shè)計(jì)語言采用VHDL。

2.1 SPI通信模塊

SPI總線接口是一種同步串行總線通訊接口，有主從之分，分為讀寫兩種通信狀態(tài)。這里被設(shè)計(jì)為從模式。

SPI接口的設(shè)計(jì)需要注意SPI接口通信時(shí)鐘信號(hào)（SCLK）的處理。因?yàn)镾CLK不可能像專用的時(shí)鐘輸入信號(hào)一樣距離FPGA器件盡量地靠近；往往為了滿足設(shè)計(jì)的要求，布線長度可能達(dá)到幾十厘米，不可能不引入干擾；如果直接用做SPI通信的時(shí)鐘信號(hào)，通信肯定會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)。如圖2所示，SCLK變化的過渡期內(nèi)，信號(hào)的狀態(tài)不能很快穩(wěn)定，可能一次上升沿被誤認(rèn)為2次上升沿而出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作（如果SPI的上升沿有意義的話）；此外當(dāng)SCLK受到干擾后，也可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的邏輯動(dòng)作。所以在要求較高的情況下，SCLK一般不能直接作為SPI通信的時(shí)鐘信號(hào)。

圖2 SPI接口的時(shí)鐘信號(hào)的波形Fig.2 The clock signal waveform of the SPI interface

為了減少SCLK引起通信錯(cuò)誤，可以使用系統(tǒng)時(shí)鐘先對(duì)SCLK信號(hào)進(jìn)行同步的方法。通過連續(xù)多個(gè)狀態(tài)來判斷SCLK的情況。如果連續(xù)幾個(gè)時(shí)刻SCLK的狀態(tài)都是高電平，而以前幾個(gè)連續(xù)時(shí)刻是低電平，那么可以判斷為是SCLK的上升沿，如果再出現(xiàn)連續(xù)幾個(gè)時(shí)刻都是低電平，則判定為是SCLK下降沿。依次這樣來跟蹤SCLK的變化情況，如圖3所示。可見，F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)際的邏輯動(dòng)作時(shí)刻會(huì)比SCLK的有效邊沿晚一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，但是如果系統(tǒng)的時(shí)鐘比SCLK的頻率高幾十倍時(shí)，這根本不會(huì)影響SPI的正常通信。

2.2 RS232通信模塊

RS232是一種異步串行通信物理接口標(biāo)準(zhǔn)，可用于速率小于20 kb/s，20 m距離內(nèi)的通信。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，RS232接口通信有多種接線方式，其中最簡單的接線方式是采用接收（RX），發(fā)送（TX）和地（GND）的3線制。本設(shè)計(jì)也采用這種接線方式。

圖3 SCLK在系統(tǒng)時(shí)鐘域中的同步Fig.3 The synchronize of the SCLK signal in the system clock domain

RS232模塊在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意不同時(shí)鐘域之間的時(shí)序處理。RS232模塊的運(yùn)行時(shí)鐘等于波特率速率的16倍頻率，而不是采用系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)鐘，所以必須在RS232模塊與其他采用系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行的模塊之間建立一個(gè)異步通信接口，才能保證它們之間的正確通信。本設(shè)計(jì)中，采用圖4的結(jié)構(gòu)作為與RS232模塊之間的異步通信接口。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，只需向異步FIFO中寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)FIFO中有數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)IFO的空標(biāo)志（圖4中fifo_Empty）變?yōu)闊o效，RS232發(fā)送模塊就會(huì)自動(dòng)從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)串行的發(fā)送出去，直到FIFO重新變?yōu)榭諡橹?。RS232模塊接收到數(shù)據(jù)后，標(biāo)志信號(hào)（圖4中Data_RDY）電平發(fā)出信號(hào)，其他模塊就馬上讀取。為了保證接收到一個(gè)數(shù)據(jù)只被讀取一次，采用標(biāo)志信號(hào)的邊沿變化來作為觸發(fā)條件。

圖4 RS232模塊的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the RS232 module

2.3 電子羅盤驅(qū)動(dòng)模塊

FPGA驅(qū)動(dòng)電子羅盤模塊必須發(fā)送兩個(gè)命令：設(shè)置輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)命令 （SETDataComponents）和請(qǐng)求輸出數(shù)據(jù)命令（DataREQ）；電子羅盤模塊可以輸出的數(shù)據(jù)種類有：航行角度、溫度、失真、校準(zhǔn)狀態(tài)、垂直俯仰角度以及水平旋轉(zhuǎn)角度，可以根據(jù)需要通過輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)命令來設(shè)置電子羅盤模塊每次輸出的數(shù)據(jù)種類。讀取數(shù)據(jù)之前，必須向電子羅盤模塊發(fā)送請(qǐng)求輸出數(shù)據(jù)命令，電子羅盤模塊才能輸出數(shù)據(jù)[6]。

電子羅盤驅(qū)動(dòng)模塊采用了有限狀態(tài)機(jī)的控制方式，因?yàn)闋顟B(tài)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠穩(wěn)定的控制流程，而且邏輯資源占用更少。電子羅盤驅(qū)動(dòng)模塊的狀態(tài)機(jī)包含6個(gè)狀態(tài)，如圖5所示，每個(gè)狀態(tài)的定義如表1所示。

電子羅盤驅(qū)動(dòng)模塊狀態(tài)機(jī)VHDL代碼（部分）

圖5 狀態(tài)流程圖Fig.5 Flow chart of the state

表1 狀態(tài)定義Tab.1 The definition of state

—用于控制讀取數(shù)據(jù)的頻率（2次/秒），開機(jī)時(shí)等待電子羅盤內(nèi)部完成初始化。

—設(shè)置電子羅盤輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?！螂娮恿_盤發(fā)送請(qǐng)求輸出數(shù)據(jù)命令。

—讀取電子羅盤輸出的數(shù)據(jù)。

—如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，沒有返回?cái)?shù)據(jù)，返回Idel狀態(tài)重新發(fā)送命令。

—保存數(shù)據(jù)，然后返回Idel狀態(tài)。

圖6 RS232模塊發(fā)送數(shù)據(jù)Fig.6 Sending data by RS232 module

圖6通過 Quartus II軟件的SignalTap Logic Analyzer工具進(jìn)行在線仿真所截取的RS232發(fā)送SETDataComponents命令的波形；圖中Data_CNT信號(hào)表示減法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，指示需要寫入RS232模塊的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；uart_in信號(hào)指示了輸入到RS232模塊中的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)將通過串行輸出端口發(fā)送出去；sdo表示RS232模塊串行輸出端口。從圖中可以看出，電子羅盤模塊正確地控制了發(fā)送SETDataComponents命令的操作過程，RS232模塊也正確地將數(shù)據(jù)串行發(fā)出了。

2.4 GPS驅(qū)動(dòng)模塊

GPS驅(qū)動(dòng)模塊在結(jié)構(gòu)上與電子羅盤模塊的驅(qū)動(dòng)是相似的，但是沒有發(fā)送部分（不需要向GPS模塊發(fā)送控制命令）。GPS驅(qū)動(dòng)模塊只需要讀取RS232模塊接收到的數(shù)據(jù)，從中篩選出需要的信息（經(jīng)度、緯度以及時(shí)間）。此外，由于GPS輸出數(shù)據(jù)是采用ASCII碼來表示，而數(shù)字（0-9）的ASCII碼值的低4位就等于實(shí)際表示的數(shù)字，因此，將時(shí)間、緯度和經(jīng)度數(shù)據(jù)的每一位數(shù)字直接截取其低4位，轉(zhuǎn)換成壓縮BCD碼，即可減少一倍的數(shù)據(jù)位數(shù)，在FPGA中也能很方便地實(shí)現(xiàn)。

圖7是通過Quartus II軟件的SignalTap Logic Analyzer工具進(jìn)行在線仿真的結(jié)果。圖中第一行是電子羅盤輸出的航向數(shù)據(jù)，第二行是緯度信息，第三行是經(jīng)度信息，第四行是時(shí)間和日期。GPS模塊的信息與本地的實(shí)際地理位置信息和時(shí)間幾乎完全相符。在線仿真的結(jié)果證明FPGA能夠正確實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS模塊和電子羅盤模塊的控制。

圖7 在線仿真結(jié)果（十六進(jìn)制）Fig.7 The result of online simulation（in hexadecimal）

3 結(jié)束語

本文介紹了如何通過FPGA控制GPS模塊和電子羅盤模塊，采用用一個(gè)高速的SPI接口與DSP進(jìn)行通信的方法，并在實(shí)際的硬件平臺(tái)上成功地予以實(shí)現(xiàn)。與DSP直接對(duì)GPS模塊和電子羅盤模塊進(jìn)行控制的方式相比，本方法在硬件方面，可以少使用至少一個(gè)DSP的McBSP接口，降低了對(duì)DSP器件外設(shè)接口的要求。在軟件方面，DSP讀取的GPS信息的數(shù)據(jù)長度減少到27個(gè)字節(jié)（直接控制時(shí)大于60個(gè)字節(jié)）；對(duì)電子羅盤的控制只有讀操作，不再需要寫操作，因此，DSP運(yùn)行過程中串口操作占用的時(shí)間明顯減少，程序控制流程更加簡單，系統(tǒng)的性能也得到提高。

[1]陳石磊，劉貴喜，向國華.FPGA與GPS-OEM板的串行通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新特器件應(yīng)用， 2008， 10（5）:11-13.CHEN Shi-lei， LIU Gui-xi， XIANG Guo-hua.The design of the serial communication system between FPGA and GPSOEM [J].Electronic Component&Device Applications，2008，10（5）:11-13.

[2]偉利國，張小超，胡小安.TCM3電子羅盤的特性與應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009， 28（7）:15-17.WEI Li-guo，ZHANG Xiao-chao，HU Xiao-an.Characteristic ofelectronic compass TCM3 and its application[J].Transducer and Microsystem Technologies， 2009， 28 （7）:15-17.

[3]王松.基于FPGA的串行外圍接口SPI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息：嵌入式與SOC， 2010， 25（11-2）:117-119.WANG Song.Design and implementation of serial peripheral interface based on FPGA [J].Microcomputer information：Embedded System and SOC， 2010，25（11-2）:117-119.

[4]王玨文，金偉信，蔡一兵，等.基于FPGA的SPI總線接口的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2010， 14（325）:102-104.WANG Jue-wen，JIN Wei-xin， CAI Yi-bing， etal.Implementation of SPI bus interface based on FPGA[J].Modern Electronics Technique， 2010，14（325）:102-104.

[5]孫豐軍，余春暄.SPI串行總線接口的Verilog實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2005， 16（207）:105-106，109.SUN Feng-jun，YU Chun-xuan.Implementation of SPI inerface with Verilog HDL[J].Modern Electronics Technique，2005， 16（207）:105-106，109.

[6]田紅霞，戴彥，鹿玉紅.基于FPGA的RS232串行接口設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù).2010， 29（9）:194-196.TIAN Hong-xia， DAI Yan， LU Yu-hong.Design Method of RS232 serial interface based on FPGA[J].Coal Technology.2010， 29（9）:194-196.

[7]李金力，劉文怡，彭旭峰.基于FPGA的RS232異步串行口IP核設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009， 17（8）:31-35.LI Jin-li， LIU Wen-yi， PENG Xu-feng.Design of RS232 asynchronous serialportIP-core based on FPGA[J].Electronic Design Engineering， 2009，17（8）:31-35.