基于FPGA的简单OEM板GPS接收机设计

本科生毕业设计基于 FPGA 的简单 OEM 板 GPS 接收机设计Design of Simple OEM GPS Receiver Based on FPGA学生姓名所在专业所在班级申请学位指导教师 职称副 指 导 教 师 职称答辩时间目 录目 录设计总说明 .IVINTRODUCTION.V1 前言 .11.1 课题发展概况 .21.1.1 国内外现况 .21.1.2 存在问题 .41.2 关于本设计 .52 设计方案论证 .62.1 设计原理 .62.2 候选方案 .62.3 方案选择 .73 FPGA 控制芯片设计 .103.1 数据采集（COM_R） .103.2 存储器（memory ） .133.3 写地址控制（writer ） .153.4 接收数据处理（reader ） .153.5 键盘、状态控制（controller） .183.6 显示控制（displayer） .193.7 读写地址耦合（AND_10） .213.8 控制系统整合 .223.9 芯片选型 .244 接收机电路设计 .254.1 接收机控制按钮 .254.2 状态指示灯 .254.3 数码管驱动 .264.4 供电电路 .264.5 GPS 模块接口、FPGA 开发板接口 .265 接收机电路板制作 .285.1 绘制原理图 .285.2 绘制 PCB 板图 .285.3 输出 PCB 板图 .295.4 钻孔 .305.5 热转印 .30目 录5.6 腐蚀 .305.7 焊接 .316 系统测试 .327 总结 .35鸣 谢 .37参考文献 .38附 录 .39附录 A .39附录 B .49INTRODUCTION设计总说明GPS（全球定位系统）随着时代的发展，技术的进步，展现出非常广阔的应用前景，吸引了不同行业科学家的热心研究和开发。为开发更低成本的 GPS 接收机，让更多人可以轻松拥有 GPS 接收机，本设计主要对开发 GPS 接收机进行摸索、探究。本次设计在现有的 GPS 核心定位产品上进行二次开发，设计一个简单实用的 GPS 接收机，要求对 GPS 模块输出的数据进行处理并显示用户指定的定位、定时和运动状态信息。数据处理和显示控制由一块 FPGA 芯片完成。作为在校大学生，考虑到经济承受能力，选择的元件均为低价位产品。GPS 模块选用的是深圳 GPS 专业服务的 JRT-18 型 OEM 板；FPGA 芯片采用的是基于 Altera 公司Cyclone 系列的 FPGA 开发板；显示器件选择数码管。本次设计主要包括 FPGA 控制芯片设计和 GPS 接收机电路的设计。由于恰巧学校实验室不开放，给本次设计的实物制作带来一定的困难。在缺乏设备的条件下，自制了简单工具代替，故成品难免存在不足。下面介绍本设计各主要部分：1、FPGA 控制芯片的设计。该部分使用 VHDL 语言进行 FPGA 开发设计，设计目标是完成 GPS 模块输出数据的接收、处理，并按照要求控制显示器件显示相关信息。2、接收机主电路板的设计。该部分包括主电路板上控制键盘、GPS 模块接口、FPGA 开发板接口、状态指示灯、数码管显示器的具体设计。3、制作电路板。该部分将主电路板设计由理论转变成实物，包括 PCB 板图的制作和输出、电路板钻孔、热转印、腐蚀、焊接等制作电路板的具体步骤。本设计完成的 GPS 接收机虽然结构简单，但在 GPS 接收机的开发方面，也是非常宝贵的经验。相信本设计对刚接触 GPS 接收机开发的朋友有一定启发作用。关键词：GPS 接收机；OEM 板；FPGA；VHDL；电路板制作；INTRODUCTIONINTRODUCTIONWith the evolution of the society and the technological progress, GPS (global positioning system) has shown an extremely broad application prospect and attracted lots of scientists from different professions to dedicate the research and the development. To develop a lower cost GPS receiver making more people own the GPS receiver easily, this project is focus on searching and inquiring into how to develop the GPS receiver. The design makes the second development on the existing core GPS positioning products, designs a simple practical GPS receiver and requires to carry on processing to the GPS module output data and to display the target location, timing and movement information that the users appointed. The data processing and the display control will complete by a FPGA chip.As a college student, I have to consider the economic affordability, so the chosen components are low-priced products. The GPS module uses the JRT-18 type OEM board of Shenzhen GPS Professional Service. The FPGA chip uses the FPGA development board of the Cyclone series of Altera Company. The display opts for the digital tube.The project mainly includes the design of the FPGA control chip and the design of the circuit of GPS receiver. As it happened the school laboratory was not open, it made some difficulties in the product manufacture. Under the condition lacking of equipment, I made the simple tools instead, so it is inevitable that there may be some insufficiency of the finished. The introductions of each main parts of the design are as follow:1.The design of FPGA control chip. This part uses VHDL language to FPGA development design. The object of the design is to complete the reception and the processing of the GPS module output data and to control and show the relevant information of the display components in accordance with the requirements.2.The design of the receivers main circuit board. This part includes the specific design of the control keyboard of the main circuit board, the GPS module interface, the FPGA development board interface, the status indicator light and the digital tube display.3. Manufacture the circuit board. This part transform the main circuit board design from theory into practicality, including the concrete steps of manufacturing the circuit board, such as the manufacture and output of PCB board diagram, the circuit board drilling, heat-transfer printing, eroding and jointing.Although the configuration of the GPS receiver manufactured in the project is simple, its a very precious experience of GPS receivers development. I believe that the design must have inspired role for those who got to the GPS receiver development. KEYWORDS: GPS receiver; OEM module; FPGA; VHDL; manufacturing circuit board 1 毕业设计说明书1 前言如今，市场上出现了越来越多 GPS（Global Position System, 全球定位系统）导航产品，包括手持 GPS 定位仪、车载 GPS、蓝牙 GPS 以及 GPS 监控系统等。同时，在芯片市场上，FPGA（Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列）越来越多地取代了 ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路） ，特别是对小批量、多品种的产品需求，FPGA 成为首选。FPGA 的设计开发采用功能强大的 EDA（Electronic Design Automatic , 电子设计自动化）工具，通过符合国际标准的硬件描述语言(如 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，甚高速集成电路硬件描述语言)来进行电子系统设计和产品开发，开发工具的通用性，设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的 FPGA 器件的硬件结构没有关系，所以设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性，开发周期短；易学易用，开发便捷。有预言说我国的 EDA 技术学习和 FPGA 的应用热潮决不会逊色于过去 10 年的单片机热潮。在这些外界因素的影响下，综合自己的兴趣、爱好、能力，并在征得指导老师同意的情况下，确定了本次毕业设计的题目“基于 FPGA 的简单 OEM 板 GPS 接收机设计” 。GPS 是美军 70 年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天） 、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。由美国国防部投资建设，并免费向全世界民间用户开放。GPS 由空间部分、地面控制部分和用户部分组成：空间部分由 24 颗 GPS 工作卫星所组成，这些 GPS 工作卫星共同组成了 GPS 卫星星座，其中 21 颗为可用于导航的卫星，3 颗为活动的备用卫星，这 24 颗卫星分布在 6 个倾角为55的轨道上绕地球运行，如图 1-1 所示。卫星的运行周期约为 12 恒星时。每颗 GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS 接收机正是利用这些信号来进行工作的 5。地面控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）图 1-1 GPS 星座图 2 空军基地，它的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去 5,6。用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备所组成。它的作用是接收 GPS 卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS 系统。目前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。1.1 课题发展概况1973 年美国国防部开始 GPS 实验计划，由于 GPS 可向全球用户提供连续、快速、高精度的三维坐标、三维速度和时间信息，所以得到美国政府和三军的高度重视，并列为美国重点空间计划之一，成为继阿波罗登月计划、航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。整个计划耗资 300 亿美元，分配在方案论证、工程研制和生产作业等 3 个研制阶段上。1978 年 2 月 22 日，第一颗 GPS 试验卫星发射成功，标志着工程研制阶段的开始。1989 年 2 月 14 日，第一颗 GPS 工作卫星发射成功，宣告了 GPS 系统进入了生产作业阶段。GPS 系统从发射试验卫星，到发射工作卫星，经过 16 年，终于在1994 年 3 月建成了信号覆盖率达到 98的 GPS 工作星座。它由 9 颗 Block 卫星和 15 颗 Block A 卫星组成，至此，GPS 系统进入了完全运行状态。1985 年 11月以前发射的 11 颗 Block GPS 试验卫星终于完成了它们的历史使命，于 1993年 12 月 31 日全部停止了工作 5。当初美国国防部建设 GPS 的主要目的是：利用 GPS 提供的海陆空 3 个领域内实时、全天候和全球性导航服务，实现远程打击等一些军事目的；利用 GPS 进行情报收集、核爆监测和应急通信。而 GPS 的应用开发表明，利用 GPS 卫星发送的导航定位信号可以进行毫米级精度的静态定位，亚米级精度的动态定位，厘米级精度的速度测量和微秒级精度的时间测量。因此，GPS 展现了非常广阔的应用前景，吸引了不同行业科学家的热心研究和开发。巨大的商机下，出现了一批 GPS 信号接收机制造商，在各厂商的激烈竞争中，GPS 信号接收机技术进步迅速，优秀的接收机为许多行业的工作者提供了非常大的帮助 6。1.1.1 国内外现况目前，以 GPS 为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业 3 之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS 以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使 GPS 成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个 IT经济新增长点。 在民用领域，定位导航方面，GPS 的使用对象主要是汽车、船舶和飞机等运动物体。例如船舶远洋导航和进港引水，飞机航路引导和进场降落，汽车自主导航定位，地面车辆跟踪和城市智能交通管理等。此外，对于警察、消防及医疗等部门的紧急救援、追踪目标和个人旅游及野外探险的导引等，GPS 都具有得天独厚的优势。在日常生活中，GPS 还可用于人身受到攻击危险时的报警，特殊病人、少年儿童的监护与救助，生活中遇到各种困难时的求助等。使用时只需按动带有移动位置服务的 GPS 手机按钮，警务监控中心和急救中心在几秒钟内便可获知报警人的位置并提供及时的救助。在军事领域，GPS 也已从当初的为军舰、飞机、战车、地面作战人员等提供全天候、连续实时、高精度的定位导航，扩展到成为目前精确制导武器复合制导的一种重要技术手段。其工作原理是利用弹上安装的 GPS 接收机接收 4 颗以上导航卫星播发的信号来修正导弹的飞行路线，提高制导精度。区别于误差较大、精度较低的民用标准定位服务，军方使用的是精密定位服务。有资料显示，未配置 GPS 制导系统之前，美军的“战斧”巡航导弹的圆概率误差约为 9 米，在其制导系统中加入GPS 后，圆概率误差降至 3 米，制导精度大大提高 5,6。GPS 开始进入民用之后，使用者终端的 GPS 产品便成了当前 GPS 主要的市场内容。一般来说，GPS 的使用者终端主要是指各种用途的 GPS 接收机，例如用于航空和航海的接收机、汽车导航设备、用于登山和休闲的手持式接收机等类型的终端产品。从上世纪 80 年代初期第一个 GPS 商用产品出现至今，GPS 产品重量从 100 磅(约为 45 千克)降为 100 克，而价格也从十几万美元降为现在的几百美元。目前全球 GPS 应用产品的制造商已超过 30 家以上，主要领导厂商有高明国际公司、麦哲伦公司和天宝导航有限公司等。 如今，全球约有十余家生产 GPS 专用芯片的制造商，除了少数几家是以 GPS 芯片为主要产品的制造商，如瑟孚科技公司，其它则多为以通信芯片为主的制造商，如飞利浦、摩托罗拉和科胜讯等。随着应用范围的扩展，GPS 产品也逐渐成为全球无线通信终端市场一项重要的产品，推动 GPS 产品市场高度成长的主要因素是汽车导航系统和结合无线通信的GPS 产品的普及化。不论是汽车导航系统或是 GPS 的通信应用产品，主要的区域市场都是在美、欧、日等三个地区。以汽车导航系统为例，由于电子地图与消费电子技术的高度发展，再加上智能型运输系统的成熟，使得日本成为目前全球汽车导航系统普及率与市场值最高的国家。80 年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究 GPS 技术。十多年来，我国的测绘工作者在 GPS 定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。在静态定 4 位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了 GPS 静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养和造就了一大批技术人才和产业队伍。80 年代中期，我国引进 GPS 接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的 GPS 接收机拥有量约在 4 万台左右，而且以每年两万台的速度增加。足以说明 GPS 技术在我国各行业中应用的广泛性。 在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，都开展了 GPS 技术的研究和应用。近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的 GPS 跟踪站，进行对 GPS 卫星的精密定轨，为高精度的 GPS 定位测量提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分 GPS（WADGPS）方案的建立，参与全球导航卫星系统（GNSS）和 GPS 增强系统（WAAS）的筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统（双星定位系统） ，能够生产导航型 GPS 接收机。GPS 技术的应用正向更深层次发展。 目前，国内市场上 GPS 的供应商中，有外商也有国内制造商。相比较，国外公司的技术更为完善与先进，而使用费用却非常昂贵，使很多想用却又没有足够购买力的企业望而却步；国内公司的费用则更加接近市场符合中国的目前市场的状况，因而具有其特定优势。但纵观国内 GPS 市场，国内车辆调度系统所使用的GPS 核心定位产品主要来源与美国、日本、韩国和台湾等地，目前国内基本都是在这些核心产品上进行二次开发，生产车载终端、自导航和手持定位仪等产品。而国外 GPS 生产商能长期立足于国内 GPS 市场，显然与其产品技术分不开的。如美国 GARMIN 公司，在中国 GPS 市场上占有较大份额，其 GPS 手持机系列，无论是机器性能、内部功能、用户界面、接收灵敏度，还是机器封装、尺寸、视感及手感等各个方面，无一不是精心设计 8。1.1.2