基于GPS的數據采集系統的研究

摘要：文中研究了利用全球定位系統GPS授時技術來實現同步數據采集。設計了一種基于DSP的數據采集系統，由GPS秒脈沖同步下進行數據采集。采集的數據經處理為其打上時間和地理位置標簽并采用USB 2．0接口來實現實時測量數據高速上傳，為異地數據分析和處理提供了便利。
關鍵詞：數據采集；GPS；DSP；USB 2．0

GPS(Global Positioning System)全球定位系統是美國發射的24顆GPS地球衛星所組成的具有能提供全球全天候導航、定位、授時功能的系統。美國政府宣布2000年至2006年期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，利用C／A碼進行單點定位的精度由100米提高到10米，GPS民用信號精度在全球范圍內得到改善，這進一步掀起了GPS應用的熱潮，刺激GPS技術與科技和生產領域的結合。誕生了大量的GPS的應用成果。如相量測量裝置PMU就是利用了GPS來解決了電力系統廣域空間同步測量的問題。
隨著時代的發展，如今對數據采集在通信，電力和建筑等特殊應用場合又提出了新的要求，希望能夠對被測系統不同節點的物理量行同步采樣，能夠實時獲知采樣點的精準時刻和地理位置然后將這些信息實時傳送到主監控系統，根據采集來的測量信息對系統的狀態進行分析，控制及事故預警。
傳統的數據采集裝置是用晶振產生的時鐘頻率經分頻后提供的采樣信號，雖然隨著科技水平的提高出現越來越多的高精度的晶體振蕩器，采樣頻率的精度也越來越高，但是在異地同步高精度的測量要求中傳統的數據采集方式在理論上已經不再同步了，而且隨著時間的推移單一晶振的時鐘系統會出現一系列的老化和漂移特性，已經越來越不能滿足新時期下同步數據采集的應用。為此，本文探討了一種采用了GPS這一新型授時方法，充分利用了數字信號處理器TMS320F2812 DSP豐富的片上資源，以GPS秒脈沖為同步時鐘信號，結合其片上12位A／D可支持16通道芯片進行采樣，并以USB 2．0接口通信方式實現高速、大容量的數據傳輸，來構建同步數據采集系統以滿足多測量場合的應用。

1 GPS授時系統
GPS衛星授時系統主要由空間衛星系統、地面衛星控制部分和用戶接收設備組成。其中用戶設備就是指GPS接收機。本文所選擇的接收機是GARMIN公司的GPS25 OEM板，該OEM板為12通道的GPS接收機，可以同時跟蹤其視野范圍內內多達12顆GPS衛星，通過接收來自天線單元的信號，并通過變頻、放大、濾波等一系列處理對得到的導航電文的解碼和處理后，輸出間隔是1 s的同步脈沖信號1PPS和的由RS-232標準串口輸出串行數據UTC(協調世界時)如圖1所示。1PPS秒脈沖前沿與UTC同步誤差不超過1μs。

GPS25 OEM串口輸出輸出信號符合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，數據更新時間為1 s，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4 800。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GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC和GPVTG。本文只考慮其時間、經緯度信息，通常采用GPRMC定位信息來獲得所需信息，GPRMC語句如下：
$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，10>，11>，12>*hhCR>LE>
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
4>緯度半球N(北半球)或S(南半球)
5>經度dddmm．mmmm(度分)格式
6>經度半球E(東經)或W(西經)
7>地面速率
8>地面航向
9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
10>磁偏角
1l>磁偏角方向，E(東)或W(西)
12>模式指示