FPGA與GPS-OEM板的串行通訊系統設計

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簡稱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展起來的，GPS能提供全天候、連續、實時高精度導航參數，可實現三維定位，并可提供精確的時間信息。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定位技術的基本原理是利用測距交會定位的方法。用戶接收機接收到衛星發播的信號并利用本機產生的偽隨機噪聲碼取得距離觀測量和導航電文：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、實時性好、抗干擾能力強等特點。近年來，GPS在國內外得到廣泛的應用，并在各個領域發揮了極大的作用，已成為信息時代不可缺少的一部分。然而，GPS定位接收機價格比較昂貴，而且難以滿足特定條件下的應用需求。因此，眾多用戶期望按照自己的使用環境和性能要求來設計和使用個性化的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，本設計選擇現場可編程門陣列(FPGA)來實現GPS信號的接收、提取以及存儲。

　　1 OEM板的工作原理和通訊協議

　　1.1 OEM板的工作原理

　　GPS信號接收機的任務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的傳播時間，再解譯出GPS衛星所發送的導航電文．最后實時計算出觀測站的三維位置、三維速度和時間等。

　　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、輸出觀測信號和定位結果等功能。用戶利用OEM板進行二次硬件開發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，可接收來自天線單元的信號，并通過變頻、放大、濾波等一系列處理過程，從而實現對GPS衛星信號的跟蹤、鎖定、測量，最后產生計算位置的數據信息(包括：緯度、經度、高度、速度、日期、時間、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，可以同時跟蹤多達12顆GPS衛星，并可連續追蹤GPS衛星，以實現快速定位。

　　最終用戶可以使OEM板工作在出廠設定的默認狀態，此時無需設置輸入語句。但要使用GPS的信息，則必須通過輸出語句來獲得。

　　1.2 GPS-OEM板通信協議

　　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會制定的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個起始位，8個數據位，1個停止位，無奇偶校驗。輸出默認波特率為4800 baud。內容包含緯度、經度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛星狀況等信息．常用語句有6種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。一般應用只關心其時間、經緯度、地面速度信息等，因此，通常采用GPRMC最小定位信息來獲得所需信息。不過要注意，這些設置信息只在系統本次上電，并進行設置后才有效。每次重新上電時均需重新設置。NMEA-0183通信標準格式如下：

　　$<地址區>，<數據區>，<數據區>，…<校驗區>，

　　其中： "$"為語句起始標志； "地址區"為識別符； "數據區"為發送數據內容； "，"為數據區分隔符； "校驗區"內為校驗和；為語句結束符。

　　下面以GPRMC語句為例來介紹。該語句包含時間、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以滿足一般的導航需求。GPRMC語句的結構為：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，，<11>，*hh。其中， "GP"為交談識別符， "RMC"為語句識別符；"*"是檢驗和識別符。 "hh"是校驗和，它們代表了"$"與"*"之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個字符)。

　　$GPRMC語句數據區的內容如下：

　　(1)UTC時間，hhmmss(時分秒)格式

　　(2)定位狀態，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)經度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)

　　(6)經度半球E(東經)或W(西經)

　　(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)

　　實際應用中，一般只需提取時間和位置信息，并對定位數據的有效性進行驗證。

2 串行通信系統的設計

　　2.1 系統通信原理

　　由于FPGA接口采用TTL電平，而OEM板的串行通信采用RS-232標準電平，故需電平轉換，電平轉換接口可以通過MAX202芯片來實現。GPS25有兩個串行口，其端口1可用來輸入差分修正信息和輸出衛星的原始測量信息，而端口2則用來輸入設定語句和輸出定位語句，因此，只需將FPGA接口與GPS25串行口2對應連接即可．其接口電路如圖l所示。FPGA的全局時鐘Global_clk由24 MHz的晶振產生。

　　2.2 OEM板的個性配置

　　當FPGA模塊完成開機上電后．其中的異步串行發送電路將發送用戶制定的配置語句，以對OEM板進行個性化的設置。

　　由于GPS25的默認波特率是4800 bit／s。故應將FPGA中異步串行發送電路的波特率時鐘也設置為此值，具體可通過對系統的全局時鐘進行分頻來實現，發送完結束標志符后，FPGA中的定位信息接收讀取電路即可開始工作，并等待數據的接收。本例用$GPRMC語句接收OEM板的定位信息，如果應用系統有特殊要求，還需要進行初始化、配置以及對輸出語句進行選擇。應該注意的是，NMEA-0183格式中的校驗和無需發送。

　　初始化可用$GRMI語句來實現，其結果是：

　　其中，<1>～<4>項用以設置地理位置，它們的格式與$GPGGA語句的對應項相同，第<5>項為UTC日期，格式為"日日月月年年"，第<6>項為UTC時間，格式與$GPGGA語句相同，第<7>項中，A=自動定位，R=設備復位。

　　OEM板的配置可利用$PGRMC語句來完成。該語句共有14個有效項，其中第<10>項選擇波特率，1～7分別代表標準波特率300～19200，配置時，可以用空項表明保持原配置項不變。例如，配置為9600波特、輸出秒脈沖時，其則語句為：

　　GPS25的輸出語句共有10多條，默認的輸出語句為$GPGGA等5條。用戶對輸出信息的設定可以通過$PGRMO語句實現。其結構是：

　　其中，<1>為合法語句名，如GPRMC；<2>為語句狀態，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OEM板輸出$GPRMC語句：

　　$PGRMO，3；禁止所有語句輸出。

　　$PGRMO，GPRMC，2；允許$GPRMC語輸出。

3 定位信息的接收與讀取

　　3.1 接收模塊的設計

　　本設計中的接收模塊主要負責接收由OEM板串口2輸出的導航定位信號。該模塊包括對TXD端的起始位檢測電路，采樣電路，波特率發生器和異步FIFO緩存設計等。本例中的波特率發生器實際上是一個時鐘分頻器，所產生的分頻時鐘是波特率時鐘的16倍，目的是為了在接收時進行精確的采樣，以提出異步串行數據，同時，也可為異步FIFO提供寫時鐘。

　　接收之前應對從OEM板直接輸出的RXD信號進行同步處理，以濾除輸出中的干擾，降低異步時域數據傳輸中亞穩態產生的概率，提高系統的穩定性和可靠性。本設計采用兩級D觸發器來實現信號同步。根據異步傳輸的通訊協議，當電路檢測到OEM板同步后的輸出端syn_TXD發生負跳變時。整個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，在波特率時鐘檢測過程中，至少必須有一半屬于邏輯0，即8個時鐘周期后，才可認定收到是可靠的起始位。當接收到正確的起始位后．接著的數據位將每隔16個采樣周期被采樣一次。即取每一位的第8次的波特率時鐘采樣值來確保采樣正確。圖2所示是本系統的串口接收狀態圖。連續采樣8次后，即一個字節數據接收完成之后，便可設置位結束標志。每采樣一個字節數據，都先放入FIFO中緩存。由于GPRMC格式數據所傳輸的最大字節數是72Byte，故當接收完一組數據之后，都要對FIFO的滿信號置位，并由外部的全局時鐘控制將里面緩存的數據讀出，以供后續部分處理。讀完之后，即可接收到后續模塊的結束標志，然后復位讀使能，以等待下一組數據的到來。其仿真結果如圖3所示。

　　3.2數據校驗和存儲設計

　　要正確讀取OEM板的輸出語句，首先是判斷語句類型，其次是存放數據，然后再確定語句的結束標志。本例中將接收的數據存放在FPGA內部設定的RAM中，而對時間，位置等信息的提取和處理則在其它部分完成。

　　數據校驗模塊由FIFO的滿信號啟動。當檢測到滿信號有效時。校驗模塊連續的讀取數據并進行處理。當檢測到起始標志"$"后，即進入數據讀取和檢測。輸出數據是以語句的形式出現的，每條語句代表一種數據，每種數據都有它自己的識別碼，所以，要根據收到的語句識別碼來判斷該語句是否為所需要的內容(如GPRMC中，"GP"為識別符，"RMC"為語句名)。

　　根據NMEA-0183通信標準格式的內容，可對所接收到的數據進行檢驗。即對接收到的信息逐字節異或。當接收到"*"時，比較下一字符"hh"與實際異或值是否相等。若相等，即所接收的數據正確；若不等，則所接收數據無效，系統隨之復位存儲設備，并等待檢測下一組數據。當檢測到結束符時，標志數據讀取結束，系統向FIFO發出結束標志，并等待下一次數據檢測。其系統校驗流程圖如圖4所示。