【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 其中年月日時(shí)分秒的信息可以由GPS解碼得到，并可以實(shí)時(shí)更新。而毫秒、微秒、這些信息由秒脈沖清0，并持續(xù)對(duì)10M的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。10M脈沖可由50M晶振經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)PLL分頻得到。 下圖表示時(shí)標(biāo)信息獲取的過(guò)程： 時(shí)標(biāo)寄存器年月日時(shí)分秒寄存器年月日時(shí)分秒暫存器GPS時(shí)間數(shù)據(jù)解碼UTC1PPS計(jì)數(shù)器 10MHz脈沖50MHz脈沖PLL峰值脈沖 每一幀UTC數(shù)據(jù)包到來(lái)時(shí)，都進(jìn)行解碼的操作，解碼后把年月日時(shí)分秒的信息送入暫存器暫存，當(dāng)1PPS到來(lái)時(shí)，將暫存器的數(shù)據(jù)送至年月日時(shí)分秒寄存器寄存，表示真正的峰值絕對(duì)時(shí)分秒時(shí)間，表示新的1S的開始，為隨時(shí)出現(xiàn)的峰值時(shí)刻提供時(shí)間信息。當(dāng)出現(xiàn)信號(hào)峰值時(shí)，并將其鎖存至?xí)r標(biāo)寄存器。 時(shí)標(biāo)信息的存儲(chǔ)和傳輸根據(jù)雷電采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，雷電的時(shí)標(biāo)信息是雷電信號(hào)的重要特征量，因此時(shí)標(biāo)和峰值需保存到當(dāng)?shù)氐腟DRAM中，并能通過(guò)PCI總線上傳至上位機(jī)中。此部分設(shè)計(jì)如下圖所示： SDRAM存儲(chǔ)器控制器時(shí)標(biāo)寄存器與峰值寄存器上位機(jī)PCI接口FPGA 控制器的主要功能是將時(shí)標(biāo)寄存器與峰值寄存器的內(nèi)容存到SDRAM的相應(yīng)單元中去，并且可以控制時(shí)標(biāo)信息按照上位機(jī)的要求進(jìn)行上傳。由于此部分不是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，所以只進(jìn)行簡(jiǎn)略介紹。7 時(shí)標(biāo)獲取的FPGA程序設(shè)計(jì) 整個(gè)軟件部分各子模塊 鎖相環(huán)模塊PLL(Phase Locked Loop)： 為鎖相回路或鎖相環(huán)，用來(lái)統(tǒng)一整合時(shí)脈訊號(hào)，使內(nèi)存能正確的存取資料。PLL用于振蕩器中的反饋技術(shù)。 許多電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號(hào)與內(nèi)部的振蕩信號(hào)同步，利 用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的?；窘M成：鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)（PLL, PhaseLocked Loop）。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來(lái)。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD, Phase Detector）、環(huán)路濾波器（LF ,Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO, Voltage Controlled Oscillator）三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖所示鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成uD（t）電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC（t），對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。本次設(shè)計(jì)所用到的鎖相環(huán)模塊采用FPGA內(nèi)部的硬件鎖相環(huán),輸入為50Mhz，因?yàn)橐蠊ぷ鞯膅ps子模塊 和gpsinterface子模塊工作要求的頻率分別為153374Hz和10Mhz。, 153600Hz主要是用于對(duì)GPS的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。所以，鎖相環(huán)的功能主要是通過(guò)將50Mhz的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行分頻處理得到需要的時(shí)鐘頻率。 gps數(shù)據(jù)解碼模塊當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；，，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。 這個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能就是將接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行解碼，把正確的解碼后的數(shù)據(jù)存入gps子模塊寄存器，然后通過(guò)48位的hmsdata將寄存器內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)loadctl對(duì)gpsinterface子模塊讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。 gpsinterface數(shù)據(jù)處理輸出模塊這個(gè)過(guò)程主要完成對(duì)從gps得到的準(zhǔn)確的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得最終的輸出分別為時(shí)，分的ASCII碼，秒的ASCII碼，最終將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，從而得到整個(gè)時(shí)間體系。 頂層原理圖利用FPGA實(shí)現(xiàn)基于GPS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心單元,采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法,用Verilog HDL語(yǔ)言描述,使用quartusii進(jìn)行仿真、綜合和實(shí)現(xiàn)。頂層設(shè)計(jì)由解碼模塊、I/O控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。工作過(guò)程為：串口接收到GPS接收機(jī)發(fā)來(lái)的NEMA $POLYT語(yǔ)句，I/O控制模塊檢測(cè)語(yǔ)句開始和結(jié)束標(biāo)志字符，并檢查語(yǔ)句格式的正確性，將正確的語(yǔ)句存入輸入緩存解碼模塊提取出NEMA信息中的時(shí)間信息和GPS定位信息，時(shí)間信息輸入數(shù)據(jù)處理模塊，GPS定位信息作為“與門”輸入；數(shù)據(jù)處理模塊中，將解碼模塊送來(lái)的時(shí)間信息進(jìn)行處理并鎖存，與預(yù)設(shè)的時(shí)間信息比對(duì)，當(dāng)兩者完全相同時(shí)，在下一個(gè)PPS上升沿時(shí)刻產(chǎn)生同步信號(hào)，此同步信號(hào)和GPS定位信息相與生成觸發(fā)信號(hào)，出發(fā)數(shù)據(jù)采集開始工作。頂層原理圖 見附錄1 各子模塊設(shè)計(jì) gps子模塊設(shè)計(jì)： 此模塊的功能主要是將從外界接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，在通過(guò)48位hmsdata并行輸出。程序解碼分為三個(gè)狀態(tài)：初始狀態(tài)s0,開始狀態(tài)s1，處理數(shù)據(jù)狀態(tài)s2解碼部分程序設(shè)計(jì)狀態(tài)圖如下：idle s0start s1process s2data=1data=0data=0gps模塊通過(guò)FPGA將數(shù)據(jù)流接收到data中，因?yàn)镚PS數(shù)據(jù)流中包含了很多的信息，包括經(jīng)緯度，衛(wèi)星編號(hào)，等等。因此需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行識(shí)別。data對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)data為1的時(shí)候接著接受下一個(gè)數(shù)據(jù)流，如果data為0的時(shí)候就繼續(xù)等待，直到接收到數(shù)據(jù)為1，當(dāng)數(shù)據(jù)流為1的時(shí)候進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)該狀態(tài)繼續(xù)等待，當(dāng)data為0的時(shí)候進(jìn)入s2狀態(tài)，接著繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)下一個(gè)數(shù)據(jù)流為0的時(shí)候，說(shuō)明那個(gè)數(shù)據(jù)流不是需要的數(shù)據(jù)，于是返回初始狀態(tài)，如果下一個(gè)數(shù)據(jù)是0的時(shí)候，則會(huì)將接下來(lái)的8個(gè)數(shù)據(jù)全部接收過(guò)來(lái)裝入FPGA內(nèi)部緩沖區(qū)。同時(shí)將8個(gè)數(shù)據(jù)送入hmsdata[47..0]的低八位，同時(shí)再檢測(cè)hmsdata[47..0]的數(shù)據(jù)是否為GPRMC的ASCII碼，如果是的，則將數(shù)據(jù)全部送入hmsdata[47..0]同時(shí)給gpsinterface送入一個(gè)控制信號(hào)。整個(gè)程序不斷地重復(fù)這個(gè)過(guò)程。狀態(tài)轉(zhuǎn)換部分的程序代碼如下：case(Scurrent0) S0: begin if(data==1) begin c1=c1+1。 if(c1==128) begin idlests = 0 。 startsts = 1。 samplests = 0 。 c1 = 0 。 end end else c1 = 0 。 end S1: begin if(data==0) begin c1 = 0 。 idlests = 0 。 startsts = 0。 samplests = 1 。 err = 0。 revflg = 0。 end end S2: begin c1= c1+1。 if(c1==24) begin buffer=buffer1。 buffer[7] = data。 end else if(c1==40) begin buffer=buffer1。 buffer[7] = data。 end else if(c1==56) begin buffer=buffer1。 buffer[7] = data。 end else if(c1==72) begin buffer=buffer1。 buffer[7] = data。 end else if(c1==88) begin buffer=buffer1。 buffer[7] = data。 end else if(c1==104) begin buffer=buffer1。 buffer[7] = data。 end else if(c1==120) begin buffer=buffer1。 buffer[7] = data。 end else if(c1==136) begin buffer=buffer1。 buffer[7] = data。 end else if(c1==152) begin if(data==1) begin err=0。 revflg = 1 。 bufresult = buffer。 idlests = 0 。 startsts = 1。 samplests = 0 。 // end else begin err=1。 idlests = 1。 startsts = 0 。 samplests = 0。 end c1 = 0。 buffer = 0 。 end end endcase當(dāng)數(shù)據(jù)被裝入寄存器以后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，看是否得到了GPRMC這幾個(gè)字符的ASCII碼，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為GPRMC的ASCII碼的時(shí)候，將得到數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，同時(shí)給gsminterface輸出一個(gè)控制信號(hào)loadctl。整個(gè)子程序見附錄2。 gpsinterface子模塊設(shè)計(jì)： gspinterface子模塊的輸入為a0,a1，主要用來(lái)控制輸出，通過(guò)a0,a1的四種狀態(tài)可以分別對(duì)應(yīng)有4種不同的輸出。程序代碼如下：always @(a0 or a1)begin case({a1|a0}) 239。b00: hmsd