基于FPGA的GPS数据采集器的设计与实现

全球定位系统(Clobal Position System，GPS)能够提供实时、全天候、全球性和高精度的服务，其广泛应用于各行各业中。GPS接收机通过天线单元接收卫星信号，将信号进行带通滤波、下变频混频、AGC放大、A/D转换等一系列处理，得到数字中频信号，进而对中频信号进行捕获、跟踪，解调出用户的纬度、经度、高度、速度、时间等导航信息，将这些信息按NMEA-0183协议封装，通过串口输出数据。用户设备中的GPS接收器在收到GPS信息后，需要对相关信息予以解码处理，从而得到用户的位置、时间等信息，进而实现用GPS导航和定位的目的。近几年来，现场可编程门阵列(FPGA)凭借其开发过程投资少、设计周期短、灵活方便以及可反复编程等特点，在现代电子设计中得到了广泛应用。本设计选择现场可编程门阵列(FPGA)来实现GPS信号的解析处理。

1 NMEA-0183协议的数据格式

NMEA-0183是美国国家海洋电子协会(NMEA，The National Marine Electronics Association)为海用电子设备制定的标准格式，它现在已被广泛地应用于多个领域的设备之间的数据传输。NMEA标准格式输出采用ASCII码，每个ASCII数据码长8位，串行通信的波特率为9600位/秒，数据位8位，开始位1位，停止位1位，无奇偶校验位。

NMEA-0183协议由语句组成，每条语句以字符“$”作为语句起始标志，数据之间以逗号相隔，字符“*”作为校验和前缀，最后以校验和数值和回车/换行字符结束。最常用的有6种语句格式：$GPGGA，$GPGLL，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG。下面以推荐定位信息GPRMC语句为例介绍数据格式。语句的格式如下：

$GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，10>，11>，12>*13>

1>UTC时间，格式hhmmss.sss(时分秒);

2>定位状态，A=有效定位，V=无效定位;

3>纬度，ddmm.mmmm(度分)格式(前导位不足则补0);

4>纬度半球N(北半球)或S(南半球);

5>经度，dddmm.mmmm(度分)格式(前导位不足则补0);

6>经度半球E(东经)或W(西经);

7>地面速率(000.0～999.9节，前导位不足则补0);

8>地面航向(000.0～359.9度，以真北为参考基准，前导位不足则补0);

9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;

10>磁偏角(000.0～180.0度，前导位不足则补0);

11>磁偏角方向，E(东)或W(西);

12>模式指示(仅NMEA-0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效);

13>校验和;

2 NMEA-0183协议解析器设计

2.1 系统的总体设计

以深圳星际通公司生产的GP5MX1513F1导航芯片为例进行说明。该芯片为一个64并行通道单频接收机，只接受L1波段的卫星信号，定位精度2 m(2D RMS)。该芯片依次输出6种NMEA信息，分别是：$GPGGA，$GPGLL，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC，$GPVTG，串口默认设置：波特率9 600bps，起始位1位，数据位8位，无奇偶校验位，停止位1位。NMEA-0183协议解析系统的总体设计框图如图1所示，GP5MX1513F1导航芯片通过天线单元接收卫星信号，将信号滤波、下变频、放大和模数转换等一系列处理，得到数字中频信号，进而对中频信号进行捕获、跟踪、位同步及帧同步，解调出导航数据，最后计算出用户的纬度、经度、高度、速度、时间等信息，以NMEA-0183协议格式打包成数据帧，再通过标准的串口输出数据。NMEA-0183协议解析模块生成的硬件电路内嵌在FPGA中，一方面通过串口模块接收GP5MX1513F1芯片发出的串行数据，将接收的信号给解析模块进行处理，另一方面解析模块根据NMEA-0183协议的数据格式提取出所需要的信息。

2.2 串口模块

串口模块主要负责接收由GP5MX1513芯片输出的导航定位信息，串口模块通过波特率发生器将系统时钟进行分频，产生16倍数据波特率的时钟。系统复位后，接收端以16倍波特率的速率读取线路状态，检测信号GPS_TX出现下降沿，在GPS_TX信号下降沿后第8个采样点确认是否为低电平，如果检测得到的是高电平，则认为起始位无效，返回到空闲状态，重新等待起始信号的到来。起始位找到后，开始接收数据，当数据计数器data_bit_cnt计到7时，8位数据都已经输入完成。最后，检测停止位，如果正确检测到高电平，则

说明本帧的各位数据正确接收，将数据存入到8位数据寄存器中，否则出错。

串口模块接收端的状态转移图如图2所示，接收机由4个工作状态组成，分别是空闲状态、起始位、数据位和停止位。当系统复位后，电路处于空闲状态，等待信号的触发，连续8个时钟检测出数据发生负跳变，sof信号为高，进入起始状态，当sample为1时，进入数据位，接着的数据位将每隔16个采样周期被采样一次。即取每一位的第8次的波特率时钟采样值来确保采样正确。连续采样8次后，采样计数器data_bit_cnt==7，进入停止位，当sample为1时，进入空闲状态，开始接收下一个数据。

在状态机模型的基础上，使用verilog HDL语言来描述其功能，其主要代码如下：

2.3 解析模块

串口模块输出的8位数据送到解析模块，解析模块采用6MUX1选择器来选择提取哪种语句，通过外部输入信号对寄存器config_Reg进行配置来实现，当config_Reg=000时，提取GGA语句，当config_Reg=001时，提取GLL语句，当config_Reg=010时，提取GSA语句，当config_Reg=001时，提取GSV语句，当config_Reg=011时，提取RMC语句，当config_Reg =100时，提取VTG语句。下面以RMC语句为例，来说明解析过程，解析模块将串口模块接收端接收的数据进行循环检测，判断报文头、定位状态、校验位、结束位信息，提取时间信息。首先，对config_Reg进行配置，设置config_Reg=011;其次，检测报文头$GPRMC，如果是，则进行下一步，否则，继续检测;最后，用逗号计数器的值来决定提取$GPBMC语句的哪段信息，当逗号计数器为1时，提取时分秒信息，存储在data_hh_mm_ss寄存器中;当逗号计数器为2时，提取定位状态信息，当VALID信号为高，则有效定位;当VALID信号为低，则无效定位;当逗号计数器为3时，提取纬度信息，存储在lat_data寄存器中;当逗号计数器为5时，提取经度信息，存储在lon_data寄存器中;当逗号计数器为9时，提取日月年信息，存储在data_dd_mm_yy寄存器中。程序设计的流程图如图3所示。

其主要代码如下：

3 仿真测试及硬件实现

根据编写的测试模块在ModelSim 6.2软件下进行了功能仿真，其仿真结果如图4所示，GPS_TX为输入的串行数据，rcv_data为接收的8位数据，hh_mm_ss为提取出时分秒信息：15：49：41，dd_mm_yy为提取出日月年信息：13.06.09，lat_data为提取的纬度信息：3409.3297，lon_data为提取的经度信息：10853.6986，从仿真波形上看，仿真的结果与测试激、励中的数据一致。

完成了仿真后，在Quartus II 9.0下进行了逻辑综合，将程序下载到Altera公司生产的CycloneII系列EP2C5T144C8型号的FPGA中，用Quartus II 9.0软件自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTapII，对FPGA内部的信号进行观测，FPGA内部实际工作波形如图5所示，从硬件调试结果观测，实际测出的结果：年月日2013.08.19，时分秒00：07：42，纬度为3412.0714，经度为10856.6625。由于所测得时间信息为世界协调时间，北京时间与世界协调时相差8个时差，北京时间应修正为：08：40：09，所测得结果与本地的时间一致。

结果分析：从图4和图5波形上可以看到我们测试的结果，实际测试中，我们让整个解析过程连续工作12 h，没有发现解析错误、丢包等不正常现象。因此，大量测试结果表明，该模块能够正确的接收和处理导航信息。

4 结论

根据NMEA—0183协议格式，提出使用FPGA实现NMEA-0183信息解析的一种方法，仿真及实际测试结果表明，该电路能够正确地提取出所需要的信息，如时间、位置等信息，最终实现了GPS数据采集及处理等工作，为搜查救援、事故定位等工作提供了技术依据。