基于FPGA的嵌入式双模定位系统该怎么设计？

随着航天技术的不断发展，卫星导航系统对国家的安全及发展变得越来越重要。全球定位系统最早研制于美国，能够在全球进行作业，连续实时、全天候、免费的提供高精度的定位信息、授时信息等，但是考虑到部分条件的限制性，我国自主研发了北斗卫星导航系统并已进行了区域性的工作，具有很强的可靠性。但由于GPS定位技术已经趋于成熟，所以将北斗与GPS结合在一起工作有助于北斗的发展，并且北斗/GPS的结合能够更好地进行定位系统服务。

陈涛

2019-8-29 16:36:15

本设计提出一种新型的北斗/GPS双模切换技术，结合嵌入式微处理器Atmega16L，利用具有同步性能强、低功耗的FPGA来进行威廉希尔官方网站设计，从而设计出一种新型的定位系统便于应用。
系统总体硬件设计
Atmega16L是Atmel公司研制的一款低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，采用哈佛结构，大部分指令执行时间为单个时钟，供电电压在2.7V~5.5V。因为其强大的能效比、低功耗、处理速度、价格便宜等优点使得其在工控领域得到了广泛的运用，而且也完全满足定位系统设计要求。本设计由以下三个模块组成：北斗/GPS双模切换模块、定位信息处理模块、Atmega16L信息接收及显示模块，其总体设计如图1所示。
北斗/GPS信息接收及切换模块
信息接收模块主要是由FPGA内部设计一个波特率为9600bps的UART模块进行接收，通过双模天线需要将北斗的$GNRMC码流和GPS的$GPRMC码流中的相关定位信息提取出来，如经纬度、本地时间、对地航速航向等等，对于时间的提取要注意其为UTC时间，信息接收及处理模块如图2所示。
如图2所示，U1为串口接收模块，输入包含经纬度等相关信息的串行码流输出为8位的数据和数据完成接收信号；U2位信息转换模块，将接收到的相关信息存储到寄存器里面便于传输。

图1 总体设计框图

图2 信息接收及处理模块

北斗和GPS信息接收完成后便要进行模式的选择，默认的接收模式是GPS模式，设计流程如图3所示。
如图3所示，在默认的情况下，如果GPS信号有效，便会传输GPS中的时间信息给上位机，无效则会显示无法定位，便于进行正常工作；当FPGA接收到应用程序发送的模式命令“7E7EAAE7E7”时会切换到北斗模式，这时传输北斗时间；接收到模式命令“7E7E55E7E7”时便会切换到GPS模式，根据应用的需要进行智能的模式切换。
在图4中，上图是GPS接收原理图，内部经过相应的信号处理从而输出码流，这里要注意的就是在刚上电的时候必须输入96个字节的数据给GPS模块，让其只输出$GPRMC码流；下图是北斗接收原理图，对于外部的输出信号也要进行相应的处理以便数据达到标准，这里要注意的是在设计威廉希尔官方网站板时一定要注意阻抗匹配问题。

图3 模式切换流程图

图4 北斗和GPS硬件接收原理图

定位信息处理模块
这个模块的主要功能是将前端采集到的数据按照自己设定的编码形式进行编码，从而将北斗/GPS信息传送给Atmega16L进行相应的中断接受处理。在主模块中会编写组合逻辑威廉希尔官方网站进行设计，默认的情况下是发送GPS信息，当接收到上位机的模式命令后则进行模式切换，这在组合逻辑威廉希尔官方网站中完成，当模式选择完成后接受到的数据将会按照”7E,7E,MOD,STA, TIME, LONGITUDE AND LATITUDE,0D,0A”的编码模式进行发送，其中：MOD是GPS或者北斗模式；STA是当前模式定位是否有效；TIME是UTC时间；LONGITUDE AND LATITUDE是当前的经纬度。

康振清

2019-8-29 16:36:18

Atmega16L信息接收及显示模块
本设计使用了Atmega16L的接受中断功能，FPGA每秒钟发送的数据会在在中断服务中进行处理，程序中使用了波特率为9600bps进行数据接收，定义了两个全局变量uart_start和uart_state，uart_state是用来表示每个字符的位置用来便于switch进行判断，而uart_start则用来表示中断接收到一帧数据的起始位也就是第一个0x7e,等到一帧数据接收到0x0d的时候uart_start应该等于3，等接受完到0x0a的时候这时这两个变量都要清0，在default下面进行UTC时间、经纬度等信息的提取，因为考虑到显示屏是无字库的，信息处理时间较长所以将屏幕显示的程序放在0x0a下面进行显示操作。在硬件威廉希尔官方网站的设计中，Atmega16L的PD0端口与FPGA相连作为接受端口，PA端口作为显示屏的数据端口，PB0、PB1、PB2、PC6、PC7分别作为显示屏的RD、WR、DC、RST、CS端口，其具体的原理图如图5所示。

图5 端口接受及外部显示模块

硬件威廉希尔官方网站实现与分析
将实验的几个模块整合后连接双模天线，则可以在显示屏上看到由GPS提供的相关的定位信息，但当在上位机中十六进制发送北斗模式命令的时候屏幕会显示相关北斗定位信息，如图6所示。

图6 上位机命令显示及液晶显示
在图6中，左图是上位机串口部分，开始的时候发送的默认是GPS时间信息，所以会显示$GPRMC码流，当串口发送转换命令的时候模式切换变成北斗模式，输出$GNRMC码流；右图是将切换的码流输入到单片机中通过接受中断进行解码显示工作，其中：第一行显示北斗模式和定位有效，第二行显示UTC时间，第三行显示当前维度，第四行显示当前经度。
总结
科技的发展使得导航系统运用到各种领域，本系统提出一种新型的北斗/GPS双模切换技术，结合先进的可编程逻辑器件和嵌入式微处理器来进行整体方案的设计，通过实验威廉希尔官方网站的搭建与结果的分析除了显示FPGA占用资源少、抗干扰等有点外还显示了此设计的可靠性与稳定性，可以广泛运用。

作者：苏州科技学院光电与信息技术研究所杨会玲王军安徽理工大学电气与信息工程学院唐彬

高倩

回帖（2）

陈涛

康振清

相关问答

FPGA在嵌入式测试系统中的利与弊

基于DSP和FPGA的嵌入式控制器该如何去设计？

关于FPGA的嵌入式系统的设计问题

如何通过LabVIEW FPGA加速嵌入式系统原型化？

基于Xilinx FPGA的嵌入式系统该怎样去设计？

SPB嵌入式音频处理系统该怎么设计？

单片机/ARM/FPGA/嵌入式系统的特点

单片机/ARM/FPGA/嵌入式系统的特点

怎样运用Altium Designer平台实现FPGA的嵌入式系统设计？

怎么实现嵌入式系统从串配置FPGA

20万+工程师都在用，免费PCB检查工具