基于FPGA的GPS時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔鑫

【摘 要】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。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(chǎng)可編程門陣列（FPGA）來實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的接收、提取以及存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)。

【關(guān)鍵詞】GPS；FPGA；FIFO；串口

0.引言

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System簡(jiǎn)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。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)。

1.GPS時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)組成、原理

1.1 GPS時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)基本組成

GPS時(shí)統(tǒng)同步系統(tǒng)由授時(shí)型GPS模塊、FPGA、1PPS信號(hào)輸出電路、時(shí)間及定位信息輸出電路組成，其原理框圖如圖1所示。GPS模塊是系統(tǒng)的核心模塊，其精度、可靠性等性能決定系統(tǒng)的性能。

圖1 GPS時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)基本組成

1.2 GPS時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)工作原理

GPS模塊的信號(hào)輸出到FPGA，F(xiàn)PGA從碼流中提取時(shí)間信息。以GPS模塊輸出的lpps秒信號(hào)為基準(zhǔn)，得到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和鐘面，用FPGA做一個(gè)串行口再將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和鐘面送給待授時(shí)設(shè)備。在正常工作情況下（能正常接收GPS信號(hào)），F(xiàn)PGA傳送給外部的串行口數(shù)據(jù)為GPS提供的信息，也就是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。在非正常工作情況下（不能正常接收GPS信號(hào)），F(xiàn)PGA送給外部的數(shù)據(jù)，為根據(jù)標(biāo)頻頻率信號(hào)經(jīng)過綜合后，自己產(chǎn)生的時(shí)間信息?；氐秸顟B(tài)時(shí)，F(xiàn)PGA輸出立即轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

1.3 GPS模塊的工作原理和通訊協(xié)議

1.3.1 GPS模塊的工作原理

GPS信號(hào)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(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。然后對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)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(cè)站的三維位置、三維速度和時(shí)間等。

GPS模塊是GPS接收機(jī)的核心部件。該電路板具有接收GPS信號(hào)、處理信號(hào)、輸出觀測(cè)信號(hào)和定位結(jié)果等功能。我們選用GARMIN公司的GPS15L模塊，于該板作為GPS接收機(jī)的主要組成部分，接收來自天線單元的信號(hào)，并通過變頻、放大、濾波等一系列處理過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)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GPS模塊為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、授時(shí)。可以使GPS模塊工作在出廠設(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。

1.3.2 GPS模塊通信協(xié)議

GARMIN公司的GPS15L模塊的GPS定位信息串行輸出格式采用美國國家海洋電子協(xié)會(huì)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。我們只關(guān)心其時(shí)間、經(jīng)緯度、地面速度信息等，因此，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：$<地址區(qū)>，<數(shù)據(jù)區(qū)>，<數(shù)據(jù)區(qū)>，…<校驗(yàn)區(qū)>， 其中："$"為語句起始標(biāo)志；"地址區(qū)"為識(shí)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；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：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，，<11>，*hh。其中，"GP"為交談識(shí)別符，"RMC"為語句識(shí)別符；"*"是檢驗(yàn)和識(shí)別符。"hh"是校驗(yàn)和，它們代表了"$"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，我們只需提取時(shí)間和位置信息，并對(duì)定位數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.串行通信及GPS模塊的配置

由于FPGA接口采用TTL電平，而GPS模塊的串行通信采用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MAX3232芯片來實(shí)現(xiàn)。GPS15L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(cè)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GPS15L串行口2對(duì)應(yīng)連接即可.其接口電路如圖1所示。FPGA的時(shí)鐘clk由外部標(biāo)頻提供。

由于GPS15L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(duì)系統(tǒng)的時(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。我們用$GPRMC語句接收GPS模塊的定位信息，如果應(yīng)用系統(tǒng)還有其它特殊要求，還需要進(jìn)行初始化、配置以及對(duì)輸出語句進(jìn)行選擇。初始化可用$PGRMI語句來實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果是：

$PGRMI，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>*hh；其中，<1>～<4>項(xiàng)用以設(shè)置地理位置，它們的格式與$GPGGA語句的對(duì)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(dòng)定位，R=設(shè)備復(fù)位。

GPS模塊的配置可利用$PGRMC語句來完成。該語句共有14個(gè)有效項(xiàng)，其中第<10>項(xiàng)選擇波特率，1～7分別代表標(biāo)準(zhǔn)波特率300～19200，配置時(shí)，可以用空項(xiàng)表明保持原配置項(xiàng)不變。例如，配置為9600波特、輸出秒脈沖是，其語句為：$PGRMC，，，，，，，，，，，6，，2，，**hh；GPS15L的輸出語句共有10多條，默認(rèn)的輸出語句為$GPGGA等5條。用戶對(duì)輸出信息的設(shè)定可以通過$PGRMO語句實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)是：$PGRMO，<1>，<2>*hh；其中，<1>為合法語句名，如GPRMC；<2>為語句狀態(tài)，1表示禁止該語句輸出，2表示允許該語句輸出，3表示禁止所有語句輸出，4表示允許所有語句輸出。例如，下列輸入語句只允許GPS模塊輸出$GPRMC語句：

$PGRMO，3；禁止所有語句輸出。$PGRMO，GPRMC，2；允許$GPRMC語輸出。

3.時(shí)間及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GPS模塊串口2輸出的導(dǎo)航定位信號(hào)。該模塊包括對(duì)TXD端的起始位檢測(cè)電路，采樣電路，波特率發(fā)生器和異步FIFO緩存設(shè)計(jì)等。本設(shè)計(jì)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(duì)從GPS模塊直接輸出的RXD信號(hào)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(jí)D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步。根據(jù)異步傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議，當(dāng)電路檢測(cè)到GPS模塊同步后的輸出端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(cè)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(duì)FIFO的滿信號(hào)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。

圖2 串口接收的狀態(tài)圖

3.2數(shù)據(jù)校驗(yàn)和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

要正確讀取GPS模塊的輸出語句，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(duì)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(hào)啟動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到滿信號(hào)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(cè)到起始標(biāo)志"$"后，即進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取和檢測(cè)。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(shí)別碼，所以，要根據(jù)收到的語句識(shí)別碼來判斷該語句是否為所需要的內(nèi)容（如GPRMC中，"GP"為識(shí)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(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。即對(duì)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(chǔ)設(shè)備，并等待檢測(cè)下一組數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到結(jié)束符時(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(cè)。其系統(tǒng)校驗(yàn)流程圖如圖3所示。

圖3 校驗(yàn)部分流程圖

4.守時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)有GPS信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA根據(jù)1PPS信號(hào)不斷檢測(cè)外標(biāo)頻的頻率，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制匹配寄存器的匹配值。FPGA內(nèi)部32位定時(shí)計(jì)數(shù)器T0一直對(duì)外標(biāo)頻頻率計(jì)數(shù)，捕獲寄存器T1在1PPS信號(hào)觸發(fā)下裝入當(dāng)前計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值；32位計(jì)數(shù)器T0一直連續(xù)計(jì)數(shù)。當(dāng)1PPS信號(hào)到來時(shí)，產(chǎn)生中斷，捕獲寄存器T1裝入T0當(dāng)前的計(jì)數(shù)值CT1并保存下來；當(dāng)下一個(gè)1PPS信號(hào)到來時(shí)，T1裝入T0的計(jì)值CT2，標(biāo)頻頻率為（CT2-CT1）或（CT1+2^32-CT2）T0計(jì)數(shù)溢出時(shí)的情況。FPGA采用對(duì)本地時(shí)鐘的計(jì)數(shù)來分別產(chǎn)生各同步時(shí)間。如圖4所示。例如：TX時(shí)刻對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值CTX：

CTX=CT1+TX×（CT2-CT1）/外標(biāo)頻的頻率f

當(dāng)沒有GPS信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA根據(jù)外部標(biāo)頻頻率及有GPS信號(hào)時(shí)，定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值產(chǎn)生1PPS信號(hào)、各種同步時(shí)間及時(shí)間信息，送給待授時(shí)設(shè)備。

圖4

5.結(jié)束語

本文結(jié)合PFGA和GPS-15L模塊的硬件特點(diǎn)，分析了FPGA和GPS模塊的串行通訊問題，同時(shí)重點(diǎn)分析了讀取GPS定位信息的設(shè)計(jì)問題。 [科]

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