一種新型GPS實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

張會(huì)新,凌 偉,馬志剛,劉文怡

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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一種新型GPS實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

張會(huì)新1,2*,凌 偉1,2,馬志剛1,2,劉文怡1,2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

針對(duì)目標(biāo)飛行器定位的廣泛應(yīng)用,提出了一種基于單片機(jī)和CPLD硬件平臺(tái)的新型GPS實(shí)時(shí)定位系統(tǒng),該系統(tǒng)由目標(biāo)發(fā)射機(jī)和GPS接收機(jī)組成。兩部分實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì),均由GPS模塊、中控模塊、無(wú)線射頻模塊、電源管理模塊等模塊組成。系統(tǒng)工作時(shí),目標(biāo)發(fā)射機(jī)通過(guò)無(wú)線串口發(fā)送GPS數(shù)據(jù),地面GPS接收機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集與編幀并經(jīng)FT245接口回傳PC終端以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和事后分析。測(cè)試結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地、精確地完成不同環(huán)境下多種飛行器的定位。

GPS;無(wú)線串口通信;數(shù)據(jù)采集與編幀;FT245

隨著綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng),我國(guó)的科技領(lǐng)域尤其是航天事業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速,取得了舉世矚目的成就。飛行器的發(fā)射與飛行過(guò)程中,需要對(duì)其飛行過(guò)程的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控與測(cè)試,所以箭載的各種黑匣子的回收是必要的。黑匣子存儲(chǔ)的各種測(cè)量參數(shù)對(duì)于飛行器成功發(fā)射和飛行控制有著重要的借鑒作用。然而,目前的可回收黑匣子在飛行器發(fā)射后,通常其下落地點(diǎn)不明確、難以回收,給搜尋工作帶來(lái)許多麻煩。因此,針對(duì)目前的可回收黑匣子難以搜尋的問(wèn)題,需要研究出一種能夠快速找到可回收黑匣子設(shè)備的定位搜尋技術(shù),便于快速獲得黑匣子中重要參數(shù),節(jié)省研制周期和開發(fā)時(shí)間。研制與開發(fā)的遠(yuǎn)程定位搜尋技術(shù)能夠應(yīng)用到飛行器上及飛行器彈上的許多可回收裝置上,其應(yīng)用領(lǐng)域廣闊,具有非常重要的研究開發(fā)意義。

雖然,衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展意味著信息向著多元化、立體化的方向在轉(zhuǎn)變,并且有利于實(shí)現(xiàn)獲取定位信息的多元化,但是目前定位精度還有待提高,各方面的性能還需要進(jìn)一步的提高和改善。如果無(wú)法精確獲取目標(biāo)物的位置,就會(huì)給回收工作帶來(lái)很大的困難,所以設(shè)計(jì)高效率和高精度發(fā)射GPS信號(hào)功能的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)具有很大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GPS實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)由目標(biāo)發(fā)射機(jī)和GPS接收機(jī)兩部分構(gòu)成。其中,目標(biāo)發(fā)射機(jī)包含GPS模塊、中控模塊、RF無(wú)線傳輸模塊;GPS接收機(jī)主要包括GPS模塊、中控模塊、RF無(wú)線傳輸模塊、FT245接口?？紤]到設(shè)計(jì)的通用性,兩部分電路都按照GPS接收機(jī)設(shè)計(jì),電裝時(shí)目標(biāo)發(fā)射機(jī)不用考慮與PC的數(shù)據(jù)傳輸部分,實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)計(jì),兩度應(yīng)用,節(jié)約了成本,提高了效率,總體的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示[2-3]。

圖1 GPS接收機(jī)原理框圖

2 硬件實(shí)現(xiàn)及原理

2.1 關(guān)鍵器件選型

中控模塊:考慮數(shù)據(jù)處理量等各項(xiàng)需求,設(shè)計(jì)選用單片機(jī)為C8051F040,高速8051微控制器內(nèi)核,流水線指令結(jié)構(gòu);70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,速度可達(dá)25MIPS(使用25 MHz時(shí)鐘時(shí)),20個(gè)向量中斷源,4352 byte內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,64 kbyte FLASH,可以在系統(tǒng)編程,扇區(qū)規(guī)模為512 byte,外部64 kbyte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口,工作電壓為5 V,可以直接接收GPS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。單片機(jī)接收到GPS的定位數(shù)據(jù)并處理后,發(fā)送給無(wú)線射頻模塊。由于C8051F040單片機(jī)只有兩個(gè)串口,針對(duì)串口通信總共需要3個(gè)通道的要求顯然是不夠的,所以設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的128宏單元,VQ100封裝的CPLD XCR3128實(shí)現(xiàn)虛擬串口作用,一方面彌補(bǔ)了單片機(jī)串口不足的缺陷,一方面用于配置無(wú)線串口通信。

GPS模塊:為實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定位,采用兩個(gè)GPS模塊:①北京東方聯(lián)星公司的CNS50-009衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊。模塊定位精度:水平5 m,垂直10 m,速度精度為0.2 m/s,不受高度速度的限制,標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V,接收板實(shí)現(xiàn)了射頻、基帶、導(dǎo)航結(jié)算一體化軟件/硬件設(shè)計(jì),具有高動(dòng)態(tài)、高可靠性、體積小、工作穩(wěn)定的特點(diǎn),其波特率為115200 bit/s,該模塊受到啟動(dòng)命令才會(huì)工作,定位數(shù)據(jù)輸出格式為NMEA-0183,以0114EB3A開頭,共有66個(gè)有效字節(jié);②瑞士U-BLOX公司的第6代GPS處理芯片MAX-6Q。此模塊的定位精度水平位置為2.5 m,垂直定位精度為10 m,但是受到50000 m高度和500 m/s速度的限制,標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.3 V,波特率為9600 bit/s,工作頻率可通過(guò)公司自帶的配置軟件根據(jù)用戶的需求進(jìn)行選擇,該模塊不用發(fā)啟動(dòng)命令。定位數(shù)據(jù)輸出語(yǔ)句以0114EB3A開頭,共有66個(gè)有效字節(jié)。為了提高GPS和無(wú)線通信的抗遮擋能力選用質(zhì)量輕巧的專用微帶天線[4]。

2.2 單片機(jī)與CPLD數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)在單片機(jī)與CPLD之間能否正常傳輸至關(guān)重要。所有與單片機(jī)有關(guān)的器件都連到了CPLD。單片機(jī)進(jìn)行接收、挑選、處理信息之后通過(guò)集成USB協(xié)議的借口通信芯片F(xiàn)T245實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊。GPS接收機(jī)可根據(jù)實(shí)際情況的要求實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單機(jī)通訊、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多機(jī)通訊。具體硬件電路的實(shí)現(xiàn)上面,C8051F040和XCR3128的邏輯電平相兼容,減少了電路的復(fù)雜度,提高集成度[5]。

2.3 單片機(jī)與PC機(jī)通信接口

實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)通信有多種方式,如PCI、以太網(wǎng)口和USB等。綜合考慮各項(xiàng)功能指標(biāo)、成本以及開發(fā)難度,設(shè)計(jì)選用基于FTDI公司集成完整USB協(xié)議的芯片F(xiàn)T245。FT245用于并行FIFO雙向數(shù)據(jù)傳輸接口,其硬件特性:傳輸數(shù)據(jù)速率可提高到1 Mbit/s,能夠?qū)崿F(xiàn)與MCU/PLD/FPGA等多種可編程邏輯控制器的通信,384 byte的FIFO發(fā)送緩沖區(qū)、128 byte的FIFO接收緩沖器能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)的吞吐量,低操作電流,低功耗。FT245提供了VCP和D2XX兩種驅(qū)動(dòng)程序,設(shè)計(jì)選用D2XX作為USB接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,編寫程序時(shí),只需要調(diào)用FTD2XX.DLL中的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)FT245的讀寫。依據(jù)FT245的芯片資料,參考推薦電路,接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示[6]。

圖2 FT245接口電路

2.4 電源管理模塊

由于GPS模塊的工作電流能達(dá)到1.4 A左右,考慮在系統(tǒng)連續(xù)工作的情況下,需要提供比較大的功率,選擇MILI公司5000 mAH的移動(dòng)電源管理,依據(jù)其功能指標(biāo):滿電壓通常能達(dá)到直流9 V～12 V,輸出電流最大為1.5 A,電源模塊標(biāo)稱功率18.5 W。設(shè)計(jì)采用兩塊電源模塊可以滿足系統(tǒng)4 h的工作需求。單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V,無(wú)線射頻模塊正常工作電壓范圍為2.8 V～5.5 V,故設(shè)計(jì)中采用5 V供電的解決方案。綜合考慮,選擇新雷能公司的DC-DC穩(wěn)壓芯片C543DK15-24S5W,C543DK15-24S5W能把電源管理電壓穩(wěn)定到5 V,為單片機(jī)與射頻模塊供電。由于系統(tǒng)中有些器件的正常工作電壓為直流3.3 V,所以需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)采用TI公司的電源管理模塊PT5401把電壓從5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V,為相應(yīng)器件供電。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路圖

2.5 無(wú)線串口傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)

圖4 射頻模塊電路

選用型號(hào)為MaxStream公司的XTendTM900,該模塊的工作頻段為902.000 MHz～928.000 MHz,TTL電平輸入,發(fā)射功率1W,供電電壓范圍是2.8 V～5.5 V。它具有先進(jìn)的安全性能,采用256 bit加密,可以組建對(duì)等傳輸、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò),發(fā)射頻率采用FHSS(調(diào)頻擴(kuò)頻)技術(shù),調(diào)制方式為FSK(頻移鍵控),最多10個(gè)信道可選,每一個(gè)信道包含不同的網(wǎng)絡(luò)地址。此模塊具有較長(zhǎng)的傳輸距離,當(dāng)輸出功率為1 W,輸出波特率為9600 bit/s時(shí),使用偶極子天線,直線視距傳輸距離最高為11 km,如果使用的是高增益天線其傳輸距離可達(dá)32 km,本設(shè)計(jì)采用的是高增益天線。該模塊自帶配置軟件,用戶可根據(jù)需求通過(guò)配置軟件使該模塊產(chǎn)生相應(yīng)性能指標(biāo)[7]。

3 邏輯設(shè)計(jì)

3.1 CPLD對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括目標(biāo)發(fā)射機(jī)上CPLD對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行串化,設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?15200 bit/s,部分關(guān)鍵的狀態(tài)機(jī)代碼如下:

when s3=>

if cnt=5 or cnt=15 or cnt=25 or cnt=35 or cnt=45 or

cnt=55 or cnt=65 or cnt=75 or cnt=85 or cnt=95 then

tx<=data(0);

data(8 downto 0)<=data(9 downto 1);

cnt<=cnt+1;

state<=s3;

elsif cnt=100 then

cnt<=0;

i<=i+1;

state<=s2;

else

cnt<=cnt+1;

state<=s3;

end if;

GPS接收機(jī)上CPLD用于配置GPS備份模塊(MAX-6Q)為1 Hz,波特率為115200 bit/s,采集模塊對(duì)接收數(shù)據(jù)串行轉(zhuǎn)并行的解碼狀態(tài)機(jī)代碼如下所示:

when s3=>

if cnt=5 or cnt=15 or cnt=25 or cnt=35 or cnt=45 or

cnt=55 or cnt=65 or cnt=75 or cnt=85 or cnt=95 then

tx<=data(0);

data(8 downto 0)<=data(9 downto 1);

cnt<=cnt+1;

state<=s3;

elsif cnt=100 then

cnt<=0;

i<=i+1;

state<=s2;

else

cnt<=cnt+1;

state<=s3;

end if;

3.2 單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理

單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理主要包括提取目標(biāo)的經(jīng)緯度、高度及時(shí)間信息,因而需要通過(guò)單片機(jī)對(duì)GPS發(fā)回來(lái)的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理,提取有用信息,剔除不需要的信息,同時(shí)也減少數(shù)據(jù)傳輸量,提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,降低功耗。

圖6 PC機(jī)顯示結(jié)果圖

圖5 單片機(jī)程序NS流程圖

為了避免同時(shí)開兩中斷導(dǎo)致嵌套的問(wèn)題,設(shè)計(jì)采用輪詢方式接收定位信息,單片機(jī)讀取CPLD編幀好的數(shù)據(jù)。單片機(jī)程序NS流程圖如圖5所示。單片機(jī)完成系統(tǒng)初始化,然后查詢串口1接收中斷標(biāo)志位RI1,若RI1被置位,清除中斷標(biāo)志位RI1,并開始讀取經(jīng)串口1接收到的GPS數(shù)據(jù),若檢測(cè)到接收到的數(shù)據(jù)的幀頭為“＄GPRMC”,則將其存儲(chǔ)到數(shù)組里面,然后繼續(xù)接收,直到接收完預(yù)先設(shè)定的67 byte為止,否則,將數(shù)據(jù)丟棄。對(duì)于經(jīng)串口2傳輸?shù)牧硪宦稧PS數(shù)據(jù),按照相同的方式,查詢、接收、存儲(chǔ),直到全部接收要求的字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送是在接收空閑時(shí)候進(jìn)行的,采用存儲(chǔ)器段選的方式,使得數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和發(fā)送在不同的存儲(chǔ)段分別進(jìn)行,避免了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的亂序。接收機(jī)接收到數(shù)據(jù),并將其回傳給PC機(jī)顯示。為了方便PC機(jī)識(shí)別與處理信息,需要對(duì)發(fā)送的字符串前自定義一個(gè)幀頭,設(shè)計(jì)東方聯(lián)星GPS數(shù)據(jù)的幀頭為“EA”,MAX-6Q發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)幀頭“EB”,方便PC機(jī)解包和分析[8]。

4 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,單片機(jī)正確接收了兩路GPS數(shù)據(jù),無(wú)丟數(shù)現(xiàn)象,完全符合設(shè)計(jì)的要求。目標(biāo)位置和航跡圖如圖6所示,通過(guò)兩路GPS模塊進(jìn)行定位,達(dá)到高精度定位的要求,同時(shí)也會(huì)防止因某些原因?qū)е缕渲腥我宦范ㄎ幌到y(tǒng)失靈,從而達(dá)到了安全可靠的目的。設(shè)計(jì)還運(yùn)用了重復(fù)發(fā)數(shù)據(jù)的方法,目的是在GPS不發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)避免了地面GPS接收機(jī)無(wú)數(shù)據(jù)顯示的情況,提高該GPS實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的定位精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和CPLD硬件平臺(tái)的GPS實(shí)時(shí)定位系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS數(shù)據(jù)的接收,傳輸以及分析處理。通過(guò)中斷查詢方式,單片機(jī)控制對(duì)兩路GPS信息的采集,并將數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線射頻模塊發(fā)送。為進(jìn)一步提高GPS定位信息的可靠性、穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性,單片機(jī)處于空閑時(shí),將已發(fā)送的數(shù)據(jù)重新發(fā)送。地面GPS接收機(jī)接收GPS數(shù)據(jù),并回傳PC機(jī)顯示。測(cè)試結(jié)果表明,采用GPS模塊與無(wú)線射頻傳輸模塊相結(jié)合的定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地定位,系統(tǒng)操作界面美觀靈活,自動(dòng)化與智能化程度高,可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng),通用性和移植性好,完全達(dá)到了預(yù)期效果。由于測(cè)試系統(tǒng)還處于試驗(yàn)階段,所以本系統(tǒng)還存在著一定的不足,由于存儲(chǔ)器采用的是靜態(tài)RAM,則在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不能發(fā)生掉電現(xiàn)象,否則試驗(yàn)數(shù)據(jù)將丟失,因此若能增加設(shè)計(jì)SRAM掉電保護(hù)電路,會(huì)使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性得到較大的提高,但這將勢(shì)必會(huì)使電路的復(fù)雜程度提高,因此如何讓解決這兩者之間的矛盾,將是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

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張會(huì)新(1980-),男,漢族,黑龍江牡丹江人,在讀博士,講師,主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器;

凌偉(1989-),男,漢族,安徽合肥人,在讀碩士,主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),lingwei714@163.com。

DesignofaNewReal-TimePositioningSystemBasedonGPS*

ZHANGHuixin1,2*,LINGWei1,2,MAZhigang1,2,LIUWenyi1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

To a wide range of applications of the target aircraft positioning,a new real-time GPS positioning system that designed based on the hardware platform of MCU and CPLD is proposed. The system consists of a transmitter onboard and a GPS receiver component. Two parts are universally designed,and both of them consisted of the GPS module,the control module,a wireless RF module,power module and other modules. When working,Airborne GPS transmitter sends data via a wireless serial port,Ground GPS receiver completes the data collection and framing and then returned data to PC terminal via the interface of FT245 for Real-time monitoring and post-mortem analysis. Test results shows that the system is capable of real-time,accurately locating aircrafts within a variety of different environments.

GPS;wireless serial communication;data acquisition and framing;FT245

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50535030)

2013-12-13修改日期:2014-01-11

TP273

:A

:1005-9490(2014)06-1204-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.039