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。現以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>，CR>LF>

　　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；CR>LF>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：$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，lO>，11>，*hhCR>LF>。其中， GP為交談識別符， RMC為語句識別符；*是檢驗和識別符。 hh是校驗和，它們代表了$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。