GPS數(shù)據(jù)采集器簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì)

1、GPS數(shù)據(jù)采集器簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì)摘要：GPS作為當(dāng)前最先進(jìn)的定位導(dǎo)航工具，可以提供當(dāng)?shù)氐膶?dǎo)航信息，供人們參考，大大解決了野外失蹤和陌生城市迷路等生活難題，方便了人們的出行，這也使得GPS越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到人們的生活中。而GPS數(shù)據(jù)采集器，成為數(shù)字采集GPS定位信息的重要工具，在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大作用。該文首先介紹了GPS在當(dāng)代社會(huì)中的開(kāi)展，介紹了GPS數(shù)據(jù)采集器的原理GPS接收機(jī)利用天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)GPS專(zhuān)業(yè)的芯片處理，得到數(shù)字信號(hào)，將這些數(shù)字信號(hào)串行輸出，經(jīng)過(guò)編碼處理，將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行串轉(zhuǎn)并處理，得到字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸，最后通過(guò)后續(xù)的解析模塊，解調(diào)出有用的定位數(shù)據(jù)，從而得

2、到用戶的位置、時(shí)間等信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用GPS來(lái)導(dǎo)航定位的目的，設(shè)計(jì)指標(biāo)以及相關(guān)的設(shè)計(jì)方法，GPS采集器各個(gè)模塊所具有的功能等。關(guān)鍵詞：GPS數(shù)據(jù)采集器簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)指標(biāo)中圖分類(lèi)號(hào)：TP27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X202104c-0139-03一般來(lái)說(shuō)，GPSGlobalPositioningSystem包含三大局部，其中之一就是GPS接收機(jī)，而GPS接收機(jī)的核心模塊便是GPS數(shù)據(jù)采集器。在露天的情況，GPS可支持全天24h不間斷工作，生活中幾乎所有惡劣的環(huán)境下都可以通過(guò)GPS設(shè)備接收到GPS信號(hào)。當(dāng)人們每到一個(gè)陌生的地方，GPS都可以提供當(dāng)?shù)氐膶?dǎo)航信息，供人們參考，大大解決了野外失蹤

3、和陌生城市迷路等生活難題，方便了人們的出行這也使得GPS越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到人們的生活中?，F(xiàn)在越來(lái)越多的人開(kāi)始使用智能，而現(xiàn)在幾乎所有的智能里都包含GPS模塊，這就說(shuō)明GPS的應(yīng)用已經(jīng)潛移默化地深入到人們的生活中了。由于我國(guó)智能市場(chǎng)不斷變得龐大，這就意味著我國(guó)很有可能會(huì)成為世界上最具潛力的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)。GPS技術(shù)在智能上的應(yīng)用將會(huì)給國(guó)內(nèi)乃至全球的市場(chǎng)帶來(lái)空前的開(kāi)展?jié)摿?，相信在不久的將?lái)，它會(huì)超過(guò)GPS在汽車(chē)領(lǐng)域方面的應(yīng)用，成為GPS技術(shù)應(yīng)用的最大市場(chǎng)份額?，F(xiàn)在可靠成熟的GPS技術(shù)，結(jié)合移動(dòng)通信領(lǐng)域的基站，可提供精度最高、最直觀的位置效勞，用戶可以通過(guò)在線上網(wǎng)或者下載地圖軟件，便可實(shí)現(xiàn)5m精度

4、的定位。這將有利于各種物流傳輸效勞，方便群眾或者司機(jī)了解周?chē)慕煌ㄇ闆r，只要利用GPS提供的定位信息，就能極大地提高工作效率，為生活帶來(lái)便利。隨著近幾年FPGA和現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的飛速開(kāi)展，使得人們的需求和想法越來(lái)越容易用FPGA得到實(shí)現(xiàn)。所以我們可以充分利用這樣資源，將GPS數(shù)據(jù)采集器的模塊化原理，抽象成電路模型，并用VerilogHDL語(yǔ)言將其描述出來(lái)，不斷簡(jiǎn)化電路，從而將此課題的GPS數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)在FPGA上得到功能實(shí)現(xiàn)。這樣做的好處就是不但縮小其體積，而且增加了設(shè)計(jì)的靈活性，減少了開(kāi)發(fā)周期?；谶@種思想，就可以利用VerilogHDL來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)采集器的核心功能。1GPS數(shù)據(jù)采集

5、器簡(jiǎn)介GPS接收機(jī)利用天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)GPS專(zhuān)業(yè)的芯片處理、濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)芯片的電平轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字信號(hào)，并將這些數(shù)字信號(hào)串行輸出，經(jīng)過(guò)編碼處理，使數(shù)字信號(hào)滿足NMEA-0183協(xié)議格式輸出給下一功能模塊，之后將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行串轉(zhuǎn)并處理，得到字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸，最后通過(guò)后續(xù)的解析模塊，解調(diào)出有用的定位數(shù)據(jù)，從而得到用戶的位置、時(shí)間等信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用GPS來(lái)導(dǎo)航定位的目的。GPS導(dǎo)航芯片一般只接受Ll波段的衛(wèi)星信號(hào)。該芯片輸出的定位信號(hào)，遵循NMEA-0813協(xié)議，其中包含6種語(yǔ)句，分別是$GPGGA，$GPGLL，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$G

6、PVTG。整個(gè)方案首先通過(guò)串口模塊接收GPS導(dǎo)航芯片發(fā)出的串行信號(hào)，輸出為字節(jié)數(shù)據(jù)流，將字節(jié)流數(shù)據(jù)傳輸給解析模塊進(jìn)行處理，解析模塊根據(jù)NMEA-0183協(xié)議格式，通過(guò)算法處理，提取出所需要的有用信息，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)采集器的根本功能。2GPS數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)框圖具體情況見(jiàn)圖1。3GPS數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)指標(biāo)根據(jù)GPS數(shù)據(jù)采集器在GPS系統(tǒng)中的作用，對(duì)GPS數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)提出以下指標(biāo)要求。1在串行總線默認(rèn)高電平狀態(tài)下，能夠識(shí)別并讀取串行數(shù)據(jù)的起始位。2能夠?qū)⒋袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的8位字節(jié)數(shù)據(jù)。3能夠按NMEA-0813協(xié)議，識(shí)別$GPRMC語(yǔ)句。4能夠識(shí)別接收數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)。5能將ASCII數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)

7、換為可認(rèn)識(shí)的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，并從$GPRMC語(yǔ)句中讀出定位信息。4利用VerilogHDL設(shè)計(jì)GPS數(shù)據(jù)采集器VerilogHDLHardwareDescriptionLanguage是一種硬件描述語(yǔ)言，它的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)有些類(lèi)似C語(yǔ)言，不需要特定的運(yùn)行環(huán)境，就可以用記事本翻開(kāi)編輯，十分方便。它能描述的抽象內(nèi)容十分廣泛，除了邏輯電路圖和邏輯表達(dá)式，其他數(shù)字電路系統(tǒng)的邏輯功能都能用它來(lái)描述。它可以從多種抽象設(shè)計(jì)層次上，對(duì)數(shù)字電路系統(tǒng)進(jìn)行描述。在新的標(biāo)準(zhǔn)下，VerilogHDL開(kāi)始支持更多接口，同時(shí)語(yǔ)法也更加簡(jiǎn)易精煉，如今已經(jīng)成為世界最流行的硬件描述語(yǔ)言之一。利用VerilogHDL設(shè)計(jì)流程如下：1文本程序

8、輸入該實(shí)驗(yàn)是在Notepad+軟件上編輯Verilog代碼程序。2功能仿真根據(jù)模塊功能，寫(xiě)模塊對(duì)應(yīng)的TestBench，并在ModelSim中查看邏輯功能是否正確。3綜合將VerilogHDL語(yǔ)言或原理圖轉(zhuǎn)換成綜合網(wǎng)表。4布局布線根據(jù)選定的FPGA器件型號(hào)，將網(wǎng)表布到器件中，并估算出相應(yīng)的時(shí)延。5時(shí)序仿真根據(jù)時(shí)延利用ModelSim做后仿真?；赩erilogHDL的GPS數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行更加系統(tǒng)的優(yōu)化，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法上更加精煉，這樣就可以使硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程和制造過(guò)程得以簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)采用的是模塊設(shè)計(jì)，主要分為串口、解析和分頻這3個(gè)模塊。串口模塊是將GPS芯片接收的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)

9、化成8位并行數(shù)據(jù)，供解析模塊使用，然后解析模塊將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)相應(yīng)的定位協(xié)議，提取有效的定位信息，而分頻模塊主要是為了平衡兩個(gè)模塊的時(shí)鐘信號(hào)。1串口模塊。GPS數(shù)據(jù)采集器需要與GPS芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所以要用到串口模塊，該實(shí)驗(yàn)采用的串口模塊主要涉及到串口的接收模塊，串口通信的一個(gè)字符幀格式如以下圖見(jiàn)圖2。在串口的總線上高電平是默認(rèn)的狀態(tài)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸時(shí)，必須先拉低電平，這就是第0位的作用。第0位過(guò)后就是8個(gè)數(shù)據(jù)位，這8位數(shù)據(jù)就包含著GPS的定位信息，最后便是校驗(yàn)位或者停止位。此實(shí)驗(yàn)主要對(duì)總線默認(rèn)狀態(tài)下，由高電平轉(zhuǎn)低電平時(shí)的檢測(cè)做了一定研究。2解析模塊。解析模塊主要的功能是將串口

10、輸出的并行數(shù)據(jù)，根據(jù)GPS所遵循的NMEA-0813協(xié)議，對(duì)其進(jìn)行提取與處理，得到GPS相關(guān)定位信息。NMEANationalMarineElectronicsAssociation協(xié)議是為了在不同的GPS導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一信息格式標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定。NMEA-0813是現(xiàn)在比較流行的NMEA格式。NMEA-0813協(xié)議一般采用ASCII碼編碼，利用串行通信來(lái)傳輸，傳輸?shù)拿總€(gè)數(shù)據(jù)包包含1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，沒(méi)有校驗(yàn)位。NMEA-0813協(xié)議的格式，以“$作為語(yǔ)句的起始標(biāo)志，后面緊跟6種常用的語(yǔ)句，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG

11、。之后就是各個(gè)語(yǔ)句不同格式的定位信息，一般有40個(gè)字符左右的長(zhǎng)度。每種語(yǔ)句尾部會(huì)出現(xiàn)“*標(biāo)志，作為校驗(yàn)和前綴，最后以校驗(yàn)和數(shù)值，回車(chē)和換行結(jié)束語(yǔ)句，這就是NMEA-0813協(xié)議的具體內(nèi)容。3分頻模塊。分頻模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)中最簡(jiǎn)單的模塊，由于解析模塊的時(shí)鐘信號(hào)和串口模塊的時(shí)鐘信號(hào)頻率不同，所以需要用到分頻模塊。經(jīng)過(guò)理論上的分析，解析模塊每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)處理1個(gè)起始位和8個(gè)數(shù)據(jù)位，一共9位，所以串口模塊的時(shí)鐘頻率是解析模塊時(shí)鐘頻率的9倍。因此分頻模塊是9倍分頻。根據(jù)以上設(shè)計(jì)的3個(gè)子模塊，將其進(jìn)行整合到一個(gè)總模塊，就必須將3個(gè)模塊相互連接起來(lái)，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。整個(gè)GPS數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示

12、。其中rs232_rx為GPS芯片輸出的串行數(shù)據(jù)，clk_bps高電平時(shí)為接收信號(hào)狀態(tài)，clk，rst_n分別是時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)，data_ready為接收并行數(shù)據(jù)有效信號(hào)，bps_start高電平為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，count為串行數(shù)據(jù)位計(jì)數(shù)器，data為處理后的數(shù)據(jù)。5結(jié)語(yǔ)文章用到了我們平時(shí)所學(xué)的串行通信知識(shí)和VerilogHDL語(yǔ)言的根本語(yǔ)法，將數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到軟件平臺(tái)上，大大降低了開(kāi)發(fā)的周期，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。在經(jīng)過(guò)軟件上的優(yōu)化和先進(jìn)的工藝，理論上可以將整個(gè)GPS數(shù)據(jù)采集器的體積大大縮小，同時(shí)還能降低它的功耗。通過(guò)相關(guān)的原理的簡(jiǎn)介進(jìn)一步能認(rèn)識(shí)到GPS數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)模塊的作用，提高對(duì)GP