基于FPGA的GPS定位信息顯示系統(tǒng)

曹新苗，林建輝，張 兵

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引 言

全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）是美國研制的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠迅速、準確、全天候地提供定位信息[1-2]。地球上任何一臺GPS接收機只要能夠接收到4顆以上的衛(wèi)星信號，經(jīng)過計算處理后，就能得到這臺GPS接收機的位置（經(jīng)緯度和高度）、時間以及運動狀態(tài)等信息[3]。

本文以Quartus II軟件作為FPGA的開發(fā)平臺，采用Verilog HDL硬件描述語言，在EP3C10E144C8N芯片上，利用FPGA的可重復(fù)編程特點，實現(xiàn)對GPS數(shù)據(jù)的采集、處理以及顯示控制。

1 GPS15L OEM結(jié)構(gòu)板特性和數(shù)據(jù)輸出

本設(shè)計選用GARMIN公司的GPS15L接收機，有12個通道，能夠快速定位，功耗非常小，數(shù)據(jù)更新率為每秒一次，其優(yōu)良的性能既能滿足陸地導(dǎo)航的靈敏度要求，也能滿足飛行器的動態(tài)要求。該OEM板的工作電壓為3.3～5.4V，具有2個串行口，串口1為異步串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，輸入數(shù)據(jù)為初始位置、時間、秒脈沖狀態(tài)等設(shè)置信息，輸出數(shù)據(jù)為GPS定位信息；串口2接收GPS差分信息，實時修正數(shù)據(jù)。

該GPS接收機輸出的數(shù)據(jù)格式是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備制定的NMEA 0183標準格式，該協(xié)議采用ASCII碼，其串行通信默認參數(shù)為：波特率=9600b/s，數(shù)據(jù)位=8bit，開始位=1bit，停止位=1bit，無奇偶校驗[4]。常用的NMEA 0813輸出語句有十幾種，每種語句是以“S”開頭，以＜CR＞＜LF＞結(jié)束，也就是ASCII碼字符的“回車”（十六進制的0D）和“換行”（十六進制的0A）。

由于只需要日期、時間和經(jīng)緯度信息就可實現(xiàn)定位，因此選用最小定位信息GPRMC語句。為了數(shù)據(jù)處理時更簡單，將OEM板初始化，只輸出GPRMC一種語句，并設(shè)置波特率為19200b/s。其中GPRMC語句格式為：SGPRMC，hhmmss，A/V，ddmm.mmmm，N/S，dddmm.mmmm，E/W，xxx.x，xxx.x，ddmmyy，xxxx，E/W，*hh。例如：SGPRMC，040503，A，3026.6057，N，10412.6057，E，，，011211，，W*67。

從這個例子可以得到UTC日期是11年12月1號，時間為 4∶05∶03，轉(zhuǎn)化為北京時間就為 12∶05∶03，緯度為北緯 30°26.6057′，經(jīng)度為東經(jīng) 104°12.6057′。

2 采集與顯示GPS定位信息的FPGA系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)主要是由3個部分組成：（1）OEM板；（2）FPGA；（3）液晶顯示模塊。

GPS OEM板輸出電平為RS-232，而FPGA是TTL電平，因此需要電平轉(zhuǎn)化，這里采用電平轉(zhuǎn)換芯片為MAX232，此芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路接收器和驅(qū)動器的電平轉(zhuǎn)換芯片，適用于各種RS-232通信接口，+5V電源供電，其內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路[5]，與FPGA連接十分方便。顯示定位數(shù)據(jù)是采用ST7920控制器液晶模塊，此模塊可以直接和FPGA連接，并且具有專門的指令，可以靈活的運用。GPS15L OEM板和液晶模塊與FPGA連接的原理圖如圖1所示。

2.2 軟件設(shè)計

圖1 OEM板和液晶模塊與FPGA連接電路原理圖

本設(shè)計選用可編程邏輯器件FPGA，采用硬件描述語言Verilog HDL按照自頂向下的設(shè)計方法設(shè)計GPS數(shù)據(jù)的采集和顯示系統(tǒng)[6]。該軟件系統(tǒng)主要包括時鐘分頻模塊fdiv、串口模塊rx和信息處理以及液晶顯示模塊hand_lcd，系統(tǒng)頂層文件方框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)頂層文件方框圖

2.2.1 fdiv分頻模塊

分頻模塊主要產(chǎn)生采集和顯示GPS定位數(shù)據(jù)需要的時鐘信號頻率。FPGA的時鐘頻率為50MHz，而OEM板串口波特率為19200 b/s，為提高系統(tǒng)的容錯性處理，要求分頻器的輸出時鐘為實際串口數(shù)據(jù)波特率的 N 倍，N 的取值為 8，16，32，64 等[7]。本設(shè)計中N的取值為16，所以分頻器的輸出信號頻率為19200×16=307200Hz，這樣就需要對FPGA系統(tǒng)時鐘進行162分頻；液晶顯示的時鐘頻率為2000Hz，同樣需要分頻，采用的分頻方法是先將系統(tǒng)時鐘分頻為1MHz，再對1MHz進行500分頻就可得到液晶顯示的時鐘頻率。

2.2.2 rx串口模塊

串口模塊主要作用是采集GPS數(shù)據(jù)，并將采集到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)處理模塊，此程序采用狀態(tài)機來實現(xiàn)，分別為s_idle，s_sample和s_stop 3種狀態(tài)。

s_idle：此狀態(tài)用于檢測GPS接收機發(fā)送數(shù)據(jù)的起始信號。FPGA系統(tǒng)復(fù)位后，接收模塊rx就處于空閑狀態(tài)，在RS232串行通信中，在不發(fā)送數(shù)據(jù)時，串行總線保持邏輯“1”狀態(tài)，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，會首先發(fā)送一個起始位，其邏輯值為“0”，表示開始發(fā)送數(shù)據(jù)；因此，F(xiàn)PGA系統(tǒng)要不斷檢測發(fā)送過來的數(shù)據(jù)位是否從1跳變?yōu)?，如果發(fā)生跳變，狀態(tài)機就進入到s_sample，采集GPS接收機發(fā)送的數(shù)據(jù)。

s_sample：這是數(shù)據(jù)采樣狀態(tài)，在這個狀態(tài)中，接收模塊rx連續(xù)采樣GPS接收機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并對每16個采樣數(shù)據(jù)進行最大似然判斷，得到相應(yīng)的邏輯值。做這種判斷的目的是得到有效的數(shù)據(jù)位，需要重復(fù)8次，才能接收完一個8位數(shù)據(jù)。接收時，先將接收到的每個數(shù)據(jù)位保存在一個8位寄存器中，接收完一個數(shù)據(jù)后，通過串并轉(zhuǎn)換，將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸出。接收完8個數(shù)據(jù)比特后，就轉(zhuǎn)為s_stop狀態(tài)。s_sample狀態(tài)程序的具體流程圖如圖3所示。

s_stop：這個狀態(tài)是檢測停止位，程序比較簡單，只需要計數(shù)，計數(shù)值為15時就轉(zhuǎn)為s_idle狀態(tài)，繼續(xù)接收下一幀數(shù)據(jù)。

2.2.3 hand_lcd信息處理與顯示模塊

數(shù)據(jù)處理與顯示模塊主要是處理采集到的GPS數(shù)據(jù)，分離出需要的日期、時間、經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)并保存，供液晶顯示模塊調(diào)用。處理定位信息時，由于GPS接收機輸出的語句只有GPRMC一種，所以只需要對接收到的數(shù)據(jù)判斷開頭是不是“S”，再通過判斷逗號數(shù)量的方法，就可以將需要的定位數(shù)據(jù)分離出來，接收到“*”后，停止接收。程序流程圖如圖4所示。

圖3 s_sample流程圖

圖4 處理GPS定位信息流程圖

利用逗號數(shù)量分離定位數(shù)據(jù)的程序為：

數(shù)據(jù)顯示部分程序利用狀態(tài)機來實現(xiàn)，同樣采用編程語言來實現(xiàn)此狀態(tài)機，最后在Quartus II中得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖[8]，此液晶顯示模塊程序的狀態(tài)圖如圖5所示。

使用液晶模塊顯示數(shù)據(jù)，首先需要對其進行初始化，設(shè)置顯示方式以及清屏等操作，流程圖如圖6所示。

圖5 液晶顯示模塊程序狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖6 液晶顯示模塊初始化流程圖

圖7 GPS定位信息顯示

液晶模塊初始化完成之后，需要判斷GPS數(shù)據(jù)處理是否完成，如果完成就分別顯示各定位數(shù)據(jù)。顯示日期和時間之前，需要對日期和時間進行轉(zhuǎn)換，GPS接收機發(fā)送的是世界時間，轉(zhuǎn)換為北京時間需要加上8h，如果超過24h，則已是第二天，需要對接收到的日期加1，同時對時間減去24h，就會得到準確的北京時間[9]。依次顯示完各定位數(shù)據(jù)后，返回一個完成標志給數(shù)據(jù)處理程序，使其繼續(xù)處理接收到的GPS數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)經(jīng)過多次修改與調(diào)試，最終能夠正確顯示GPS定位信息，可以實現(xiàn)基本定位功能。圖7顯示了日期時間以及當(dāng)?shù)氐奈恢眯畔ⅲ?1年12月6號，23∶8∶23，北緯 30°42.2856′，東經(jīng) 104°2.4673′。

3 結(jié)束語

本文給出了硬件電路原理圖，論述GPS定位數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示的方法，在Quartus II開發(fā)平臺下進行編譯、仿真和下載，成功實現(xiàn)GPS定位信息顯示。該系統(tǒng)與無線傳輸模塊、電子地圖等連接后，可以實現(xiàn)列車定位功能。也可以通過無線傳輸模塊，將FPGA采集和處理后的時間、經(jīng)緯度以及列車速度信息實時傳輸?shù)诫娔X上，應(yīng)用到高速列車檢測中。

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