FPGA與GPS-OEM板的串行通訊系統設計

0 引言

　　全球定位系統(Global Positioning System簡(jiǎn)稱(chēng)GPS)是美國第二代衛星導航系統。它是在子午儀衛星導航系統的基礎上發(fā)展起來(lái)的，GPS能提供全天候、連續、實(shí)時(shí)高精度導航參數，可實(shí)現三維定位，并可提供精確的時(shí)間信息。GPS系統由空間部分、地面監控部分和地面接收機部分組成。GPS定位技術(shù)的基本原理是利用測距交會(huì )定位的方法。用戶(hù)接收機接收到衛星發(fā)播的信號并利用本機產(chǎn)生的偽隨機噪聲碼取得距離觀(guān)測量和導航電文：再根據導航電文提供的衛星位置和鐘差改正信息來(lái)計算接收機的位置。由于GPS具有全球覆蓋以及精度高、定位速度快、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強等特點(diǎn)。近年來(lái)，GPS在國內外得到廣泛的應用，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。然而，GPS定位接收機價(jià)格比較昂貴，而且難以滿(mǎn)足特定條件下的應用需求。因此，眾多用戶(hù)期望按照自己的使用環(huán)境和性能要求來(lái)設計和使用個(gè)性化的GPS定位接收機。出于電路面積、占用空間以及電路穩定性和可靠性等因素的考慮，本設計選擇現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)來(lái)實(shí)現GPS信號的接收、提取以及存儲。

　　1 OEM板的工作原理和通訊協(xié)議

　　1.1 OEM板的工作原理

　　GPS信號接收機的任務(wù)是捕獲按一定衛星高度截止角所選擇的若干待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行。然后對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線(xiàn)的傳播時(shí)間，再解譯出GPS衛星所發(fā)送的導航電文．最后實(shí)時(shí)計算出觀(guān)測站的三維位置、三維速度和時(shí)間等。

　　GPS-OEM板是GPS接收機的核心部件。該電路板具有接收GPS信號、處理信號、輸出觀(guān)測信號和定位結果等功能。用戶(hù)利用OEM板進(jìn)行二次硬件開(kāi)發(fā)可研制成各種應用的GPS接收機?，F以GARMIN公司的GPS25 OEM板為例，該板作為GPS接收機的主要組成部分，可接收來(lái)自天線(xiàn)單元的信號，并通過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程，從而實(shí)現對GPS衛星信號的跟蹤、鎖定、測量，最后產(chǎn)生計算位置的數據信息(包括：緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向、衛星狀況等)，并由RS-232標準串口輸出串行數據，該OEM板為12通道的GPS接收機，可以同時(shí)跟蹤多達12顆GPS衛星，并可連續追蹤GPS衛星，以實(shí)現快速定位。

　　最終用戶(hù)可以使OEM板工作在出廠(chǎng)設定的默認狀態(tài)，此時(shí)無(wú)需設置輸入語(yǔ)句。但要使用GPS的信息，則必須通過(guò)輸出語(yǔ)句來(lái)獲得。

　　1.2 GPS-OEM板通信協(xié)議

　　GPS-OEM板的型號甚多、性能各異，但它們的GPS定位信息串行輸出格式大多采用美國國家海洋電子協(xié)會(huì )制定的NMEA-0183通信標準格式。其輸出數據采用的是ASCII碼，數據格式設置為1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗。輸出默認波特率為4800 baud。內容包含緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛星狀況等信息．常用語(yǔ)句有6種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。一般應用只關(guān)心其時(shí)間、經(jīng)緯度、地面速度信息等，因此，通常采用GPRMC最小定位信息來(lái)獲得所需信息。不過(guò)要注意，這些設置信息只在系統本次上電，并進(jìn)行設置后才有效。每次重新上電時(shí)均需重新設置。NMEA-0183通信標準格式如下：

　　$地址區>，數據區>，數據區>，…校驗區>，CR>LF>

　　其中： $為語(yǔ)句起始標志； 地址區為識別符； 數據區為發(fā)送數據內容； ，為數據區分隔符； 校驗區內為校驗和；CR>LF>為語(yǔ)句結束符。

　　下面以GPRMC語(yǔ)句為例來(lái)介紹。該語(yǔ)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(mǎn)足一般的導航需求。GPRMC語(yǔ)句的結構為：$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，lO>，11>，*hhCR>LF>。其中， GP為交談識別符， RMC為語(yǔ)句識別符；*是檢驗和識別符。 hh是校驗和，它們代表了$與*之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個(gè)字符)。

　　$GPRMC語(yǔ)句數據區的內容如下：

　　(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(wú)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，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，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)際應用中，一般只需提取時(shí)間和位置信息，并對定位數據的有效性進(jìn)行驗證。