基于FPGA的GPS数据采集存储电路设计毕业设计(1到9)

中北大学信息商务学院XXXX届毕业设计说明书1 绪论1.1 GPS研究背景全球定位系统（Global Positioning System），一个由覆盖全球的由卫星组成的卫星定位系统，以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点成为当今世界上使用最广泛的全球精密导航系统。GPS最初主要用于军事和涉及国家重要利益的民用领域，可实现飞机舰船的导航、部队调动、军事目标定位、武器的精确制导等，特别是在沙漠风暴和对科索沃的轰炸这两场典型高技术战争中，GPS大量用于巡航导弹的制导，打击目标的选择，甚至地面士兵。都随身携带便携式定位装置，可以说，GPS是现代高技术武器的眼睛。鉴于GPS的军事上非凡的表现和巨大的实用价值，美国总统克林顿颁布法令，将GPS。向民用领域免费开放，同时在2000年5月1日起停止S/A政策，对民用码不加干扰，使民用。定位精度大大提高。 另外，前苏联也发展了自己的全球定位系统：Glonass，同样也免。费向民用市场开放使用；国际通信协会也有类似GPS的系统。现在GPS已发展成为一个高速成长的产业，广泛应用于车辆定位、航海航空、测量等民用行业，特别是移动目标的定位监控、防盗报警和指挥调度。GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。现在民用的定位精度可达10米内。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。“北斗一号“卫星定位系统是我国GPS技术的典型表现，它利用地球同步卫星为用户提供快速定位，间断数字报文通信和授时服务的一种全天候，区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是：定位，即快速确定用户所在点的地理位置，向用户机主管部门提供导航信息。 通信，即用户与用户，用户与中心控制系统间均可实行双向简短数字报文通信。 授时，即中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。“北斗一号“的覆盖范围是在北纬5度6度，东经70度140度之间的一个心脏形区域，上大下小，最宽出在北纬35度左右。其定位精度是水平100米 （1），进行差分后水平精度为20米；高程控制精度为10米，系统能容纳的用户数每小时为540，000户；其定位响应时间为：1类用户5 秒，2类用户2秒，3类用户1秒；一次定位成功率为95%。“北斗一号”导航定位系统由于固有的特性，仍存在不足之处：用户采用主动式定 位；用户数量有限；定位数据实时性差；生存能力不强，系统的抗干扰性较差；定位依赖数字地图。1.2 以FPGA为核心的数据采集存储系统整个设计系统以FPGA为核心控制器来组织工作，它控制着整个系统的读、写、擦除等操作。系统主要解决的问题是采集、存储和数据事后读取由于要同时对多路信号进行采集，我们采取了FPGA对模拟开关进行均等时间推进以实现通道的转换。2 系统总体方案设计由于GPS采用TTL/RS232电平通信，当给GPS模块通上电以后，该模块就开始从卫星系统接收数据，将数据通过UART串口传到FPGA上，FPGA接收串口发送来的信息，经过处理最终存储在与FPGA连接的存储器中。整体框图如下图1GPS模块FLASHFPGA模拟串口图1 整体框图2.1 FPGA FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。 FPGA采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。 目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列，TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系等。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。 FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。2.1.1 FPGA核心芯片的选择 本系统用的主芯片是EP2C5Q202C8，属于Cyclone II系列，该系列的芯片采用QPFP封装、208引脚的EP2C5 FPGA，它拥有4608个LE， 119808bits Memory，2个高性能PLL以及多达142个用户自定义IO。EP2C5核心板具有JTAG调试接口、20MHz高精度时钟源等可用资源，因此对于设计和仿真都提供了较好的条件。2.2 串口通信 串行接口Serial Interface是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于近距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。 串口通信的两种最基本的方式：同步串行通信方式和异步串行通信方式。 同步串行是指ISP（interface Serial Peripheral ）的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。ISP总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，TRM450是ISP接口。 异步串行是指UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用异步接收/发送。UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上。UART包含TTL电平的串口和RS232电平的串口。 TTL电平是3.3V的，而RS232是负逻辑电平，它定义+5+12V为低电平，而-12-5V为高电平，MDS2710、MDS SD4、EL805等是RS232接口。2.2.1 UARTUART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是通用异步接收/发送装置。UART是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。 CPU 对象器件 发送 部分发送总线接口控制逻辑接收 部分波特率 发 生 器接收图2 UART数据传输结构图 2.2.2 UART 帧的格式 UART 帧的格式包括线路空闲状态、起始位、58 位数据位(data bits)、校验位和1 位停止位。 字符的同步由起始位和停止位来实现。UART 内部配置有寄存器，可以配置实现数据位数（58 位）可选、是否有校验位和校验的类型等设置。图3 UART数据帖格式UART 接收器在工作时,信号检测器一直监视RxD 线上的电平,当RxD 线上出现低电平时, 通知串行接收控制器有数据需要接收,此时接收控制器启动移位寄存器、波特率发生器和数据位计数器. 在波特率时钟的驱动下移位寄存器将RxD 线上的电平值依次移入内部寄存器,当计数器的计数值达到10 时表示一帧数据接收完成,这时接收控制器产生数据接收完成中断,并从接收的数据帧中提取出数据并锁存,供后续模块使用。 UART 发送器在工作时,发送信号检测器一直监视发送请求信号是否有效, 若检测发送请求信号有效,则发送信号检测器停止接收发送请求. 发送请求信号传到串行发送控制器后, 控制器启动发送移位寄存器、波特率发生器和数据位计数器, 在波特率时钟的驱动下, 发送移位寄存器先发送一位起始位( 逻辑0) , 然后将待发送的并行数据从最低位开始逐位发出,数据发送完后, 再发送一位停止位( 逻辑1)。在移位寄存器移出一位逻辑值后数据位计数器加1,当数据位计数器记满10 表示一帖数据发送完成,此时控制器停止各个辅助部件并且再次启动发送信号检测器, 开始监视下一次发送请求.串并转换，将收到的信息一位一位的移出，以8位数据为例，当信息移出达到8位的时候就将信息通过I/O口发送出去，如下图4，图5。图4 发送时的并-串转换 图5 接收时的串-并转换 2.3 GPS 本课题采用U-BOLX公司生产的GPS模块EM-411，该产品在同类同规格的产品中是体积最小,性能最强,最精致的GPS模块，内建SiRF Star III芯片与陶瓷天线的OEM GPS卫星接收模块板，电源输入:4.5V 6.5V DC，频率:L1, 1575.42 MHz，C/A 码:1.023 MHz，速度:0.1 m/s，定位:最小达5公尺。产品如图6。 图6 GPS模块EM-4112.3.1 GPS数据与GPS协议模块协议支持NMEA-0183 协议。NMEA-0183 是美国国家海洋电子协会(National MarineElectronics Association)所指定的标准规格，这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准，其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。以下是一组正常的GPS 数据$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,0000*35$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,*38$GPVTG,0.0,T,M,0.00,N,0.0,K*50GPS 固定数据输出语句($GPGGA)这是一帧GPS 定位的主要数据，也是使用最广的数据。为了便于理解，下面举例说明$GPGGA语句各部分的含义。例如：$GPGGA,082006.000,3852.9276,N,11527.4283,E,1,08,1.0,20.6,M,0000*35其标准格式为：$GPGGA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M，(10)，M，(11)，(12)hh(CR)(LF)各部分所对应的含义为：(1)定位UTC 时间：08 时20 分06 秒(2)纬度(格式ddmm.mmmm:即dd 度，mm.mmmm 分)；(3)N/S(北纬或南纬)：北纬38 度52.9276 分；(4)经度(格式dddmm.mmmm：即ddd 度，mm.mmmm 分)；(5)E/W(东经或西经)：东经115 度27.4283 分；(6)质量因子(0=没有定位，1=实时GPS，2=差分GPS)：1=实时GPS；(7)可使用的卫星数(08)：可使用的卫星数=08；(8)水平精度因子(1.099.9)；水平精度因子=1.0；(9)天线高程(海平面，9999.999999.9，单位：m)；天线高程=20.6m);(10)大地椭球面相对海平面的高度(999.99999.9，单位：m):无;(11)差分GPS 数据年龄，实时GPS 时无:无;(12)差分基准站号(00001023)，实时GPS 时无:无;总和校验域；hh 总和校验数:35(CR)(LF)回车，换行。GPRMC（建议使用最小GPS 数据格式）$GPRMC,082006.000,A,3852.9276,N,11527.4283,E,0.00,0.0,261009,*38$GPRMC,1) 标准定位时间（UTC time）格式：时时分分秒秒.秒