夏路華

摘 要：GPS作為當前最先進的定位導(dǎo)航工具，可以提供當?shù)氐膶?dǎo)航信息，供人們參考，大大解決了野外失蹤和陌生城市迷路等生活難題，方便了人們的出行，這也使得GPS越來越廣泛地應(yīng)用到人們的生活中。而GPS數(shù)據(jù)采集器，成為數(shù)字采集GPS定位信息的重要工具，在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大作用。該文首先介紹了GPS在當代社會中的發(fā)展，介紹了GPS數(shù)據(jù)采集器的原理（GPS接收機利用天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，這個信號經(jīng)過GPS專業(yè)的芯片處理，得到數(shù)字信號，將這些數(shù)字信號串行輸出，經(jīng)過編碼處理，將數(shù)字信號進行串轉(zhuǎn)并處理，得到字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸，最后通過后續(xù)的解析模塊，解調(diào)出有用的定位數(shù)據(jù)，從而得到用戶的位置、時間等信息，進而實現(xiàn)用GPS來導(dǎo)航定位的目的），設(shè)計指標以及相關(guān)的設(shè)計方法，GPS采集器各個模塊所具有的功能等。

關(guān)鍵詞：GPS數(shù)據(jù)采集器 簡介 設(shè)計指標

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0139-03

一般來說，GPS（Global Positioning System）包含三大部分，其中之一就是GPS接收機，而GPS接收機的核心模塊便是GPS數(shù)據(jù)采集器。在露天的情況，GPS可支持全天24 h不間斷工作，生活中幾乎所有惡劣的環(huán)境下都可以通過GPS設(shè)備接收到GPS信號。當人們每到一個陌生的地方，GPS都可以提供當?shù)氐膶?dǎo)航信息，供人們參考，大大解決了野外失蹤和陌生城市迷路等生活難題，方便了人們的出行這也使得GPS越來越廣泛地應(yīng)用到人們的生活中。

現(xiàn)在越來越多的人開始使用智能手機，而現(xiàn)在幾乎所有的智能手機里都包含GPS模塊，這就表明GPS的應(yīng)用已經(jīng)潛移默化地深入到人們的生活中了。由于我國智能手機市場不斷變得龐大，這就意味著我國很有可能會成為世界上最具潛力的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用市場。

GPS技術(shù)在智能手機上的應(yīng)用將會給國內(nèi)乃至全球的市場帶來空前的發(fā)展?jié)摿?，相信在不久的將來，它會超過GPS在汽車領(lǐng)域方面的應(yīng)用，成為GPS技術(shù)應(yīng)用的最大市場份額?，F(xiàn)在可靠成熟的GPS技術(shù)，結(jié)合移動通信領(lǐng)域的基站，可提供精度最高、最直觀的位置服務(wù)，用戶可以通過手機在線上網(wǎng)或者下載地圖軟件，便可實現(xiàn)5 m精度的定位。這將有利于各種物流傳輸服務(wù)，方便大眾或者司機了解周圍的交通情況，只要利用GPS提供的定位信息，就能極大地提高工作效率，為生活帶來便利。

隨著近幾年FPGA和現(xiàn)代電子設(shè)計的飛速發(fā)展，使得人們的需求和想法越來越容易用FPGA得到實現(xiàn)。所以我們可以充分利用這樣資源，將GPS數(shù)據(jù)采集器的模塊化原理，抽象成電路模型，并用Verilog HDL語言將其描述出來，不斷簡化電路，從而將此課題的GPS數(shù)據(jù)采集器設(shè)計在FPGA上得到功能實現(xiàn)。這樣做的好處就是不但縮小其體積，而且增加了設(shè)計的靈活性，減少了開發(fā)周期?；谶@種思想，就可以利用Verilog HDL來設(shè)計實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)采集器的核心功能。

1 GPS數(shù)據(jù)采集器簡介

GPS接收機利用天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，這個信號經(jīng)過GPS專業(yè)的芯片處理、濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過芯片的電平轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字信號，并將這些數(shù)字信號串行輸出，經(jīng)過編碼處理，使數(shù)字信號滿足NMEA-0183 協(xié)議格式輸出給下一功能模塊，之后將數(shù)字信號進行串轉(zhuǎn)并處理，得到字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸，最后通過后續(xù)的解析模塊，解調(diào)出有用的定位數(shù)據(jù)，從而得到用戶的位置、時間等信息，進而實現(xiàn)用GPS來導(dǎo)航定位的目的。

GPS導(dǎo)航芯片一般只接受Ll波段的衛(wèi)星信號。該芯片輸出的定位信號，遵循NMEA-0813協(xié)議，其中包含6種語句，分別是$GPGGA，$GPGLL，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG。整個方案首先通過串口模塊接收GPS 導(dǎo)航芯片發(fā)出的串行信號，輸出為字節(jié)數(shù)據(jù)流，將字節(jié)流數(shù)據(jù)傳輸給解析模塊進行處理，解析模塊根據(jù)NMEA-0183 協(xié)議格式，通過算法處理，提取出所需要的有用信息，以此來實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)采集器的基本功能。

2 GPS數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)框圖

具體情況見圖1。

3 GPS數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計指標

根據(jù)GPS數(shù)據(jù)采集器在GPS系統(tǒng)中的作用，對GPS數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計提出以下指標要求。

（1）在串行總線默認高電平狀態(tài)下，能夠識別并讀取串行數(shù)據(jù)的起始位。

（2）能夠?qū)⒋袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行的8位字節(jié)數(shù)據(jù)。

（3）能夠按NMEA-0813協(xié)議，識別$GPRMC語句。

（4）能夠識別接收數(shù)據(jù)時的狀態(tài)。

（5）能將ASCII數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可認識的十進制數(shù)據(jù)，并從$GPRMC語句中讀出定位信息。

4 利用Verilog HDL設(shè)計GPS數(shù)據(jù)采集器

Verilog HDL（Hardware Description Language）是一種硬件描述語言，它的語法結(jié)構(gòu)有些類似C語言，不需要特定的運行環(huán)境，就可以用記事本打開編輯，十分方便。它能描述的抽象內(nèi)容十分廣泛，除了邏輯電路圖和邏輯表達式，其他數(shù)字電路系統(tǒng)的邏輯功能都能用它來描述。它可以從多種抽象設(shè)計層次上，對數(shù)字電路系統(tǒng)進行描述。在新的標準下，Verilog HDL開始支持更多接口，同時語法也更加簡易精煉，如今已經(jīng)成為世界最流行的硬件描述語言之一。

利用Verilog HDL設(shè)計流程如下：

（1）文本程序輸入（該實驗是在Notepad++軟件上編輯Verilog代碼程序）。

（2）功能仿真（根據(jù)模塊功能，寫模塊對應(yīng)的TestBench，并在ModelSim中查看邏輯功能是否正確）。

（3）綜合（將Verilog HDL語言或原理圖轉(zhuǎn)換成綜合網(wǎng)表）。

（4）布局布線（根據(jù)選定的FPGA器件型號，將網(wǎng)表布到器件中，并估算出相應(yīng)的時延）。

（5）時序仿真（根據(jù)時延利用ModelSim做后仿真）。

基于Verilog HDL的GPS數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計，對各個模塊的功能進行更加系統(tǒng)的優(yōu)化，在傳統(tǒng)的設(shè)計方法上更加精煉，這樣就可以使硬件的開發(fā)過程和制造過程得以簡化。設(shè)計采用的是模塊設(shè)計，主要分為串口、解析和分頻這3個模塊。串口模塊是將GPS芯片接收的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成8位并行數(shù)據(jù)，供解析模塊使用，然后解析模塊將接收的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)相應(yīng)的定位協(xié)議，提取有效的定位信息，而分頻模塊主要是為了平衡兩個模塊的時鐘信號。

（1）串口模塊。

GPS數(shù)據(jù)采集器需要與GPS芯片進行數(shù)據(jù)通信，所以要用到串口模塊，該實驗采用的串口模塊主要涉及到串口的接收模塊，串口通信的一個字符幀格式如圖所示（見圖2）。

在串口的總線上高電平是默認的狀態(tài)，當一幀數(shù)據(jù)開始傳輸時，必須先拉低電平，這就是第0位的作用。第0位過后就是8個數(shù)據(jù)位，這8位數(shù)據(jù)就包含著GPS的定位信息，最后便是校驗位或者停止位。此實驗主要對總線默認狀態(tài)下，由高電平轉(zhuǎn)低電平時的檢測做了一定研究。

（2）解析模塊。

解析模塊主要的功能是將串口輸出的并行數(shù)據(jù)，根據(jù)GPS所遵循的NMEA-0813協(xié)議，對其進行提取與處理，得到GPS相關(guān)定位信息。

NMEA（National Marine Electronics Association）協(xié)議是為了在不同的GPS導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一信息格式標準，由美國國家海洋電子協(xié)會制定。NMEA-0813是現(xiàn)在比較流行的NMEA格式。

NMEA-0813協(xié)議一般采用ASCII碼編碼，利用串行通信來傳輸，傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)包包含1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，沒有校驗位。NMEA-0813協(xié)議的格式，以“$”作為語句的起始標志，后面緊跟6種常用的語句，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG。之后就是各個語句不同格式的定位信息，一般有40個字符左右的長度。每種語句尾部會出現(xiàn)“*”標志，作為校驗和前綴，最后以校驗和數(shù)值，回車和換行結(jié)束語句，這就是NMEA-0813協(xié)議的具體內(nèi)容。

（3）分頻模塊。

分頻模塊是整個實驗中最簡單的模塊，由于解析模塊的時鐘信號和串口模塊的時鐘信號頻率不同，所以需要用到分頻模塊。經(jīng)過理論上的分析，解析模塊每個時鐘信號處理1個起始位和8個數(shù)據(jù)位，一共9位，所以串口模塊的時鐘頻率是解析模塊時鐘頻率的9倍。因此分頻模塊是9倍分頻。

根據(jù)以上設(shè)計的3個子模塊，將其進行整合到一個總模塊，就必須將3個模塊相互連接起來，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。整個GPS數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

其中rs232_rx為GPS芯片輸出的串行數(shù)據(jù)，clk_bps高電平時為接收信號狀態(tài)，clk，rst_n分別是時鐘信號和復(fù)位信號，data_ready為接收并行數(shù)據(jù)有效信號，bps_start高電平為數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，count為串行數(shù)據(jù)位計數(shù)器，data為處理后的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

文章用到了我們平時所學的串行通信知識和Verilog HDL語言的基本語法，將數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計轉(zhuǎn)移到軟件平臺上，大大降低了開發(fā)的周期，提高了設(shè)計的靈活性。在經(jīng)過軟件上的優(yōu)化和先進的工藝，理論上可以將整個GPS數(shù)據(jù)采集器的體積大大縮小，同時還能降低它的功耗。通過相關(guān)的原理的簡介進一步能認識到GPS數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)模塊的作用，提高對GPS數(shù)據(jù)采集器的了解。

參考文獻

[1] 夏宇聞，甘偉.Verilog HDL入門[M].3版.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] J.Bhasker.Verilog HDL Synthesis，A Practical Primer[M].Star Galaxy，1998.

[3] J.Bhasker.A Verilog HDL Primer，Third Edition[M].Star Galaxy，2005.