基于FPGA的GPS数据采集存储电路设计开题报告

基于FPGA的GPS数据采集存储电路设计开题报告本文简介：中北大学信息商务学院毕业设计开题报告学生姓名：XX学号：XXXXXX学院、系：信息商务学院信息与通信工程系专业：电气工程机器自动化论文题目：基于FPGA的GPS数据采集存储电路设计指导教师:XXXXXX年X月X日毕业设计开题报告基于FPGA的GPS数据采集存储电路设计一本课题研究的背景及意义五十年代

基于FPGA的GPS数据采集存储电路设计开题报告本文内容：

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毕业设计开题报告

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信息商务学院信息与通信工程系

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电气工程机器自动化

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基于FPGA的GPS数据采集存储电路设计

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基于FPGA的GPS数据采集存储电路设计

一

本课题研究的背景及意义

五十年代后期，美国出于自身的政治、军事和经济利益的考虑，开始研制卫星导航系统，经过三十多年的努力，耗资300多亿美元，终于建成了本世纪航天史上最成功、最有意义的工程之一----全球卫星定位系统GPS（Global

Positioning

System），成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后第三项庞大工程，GPS能连续、实时、高精度地为用户提供三维位置、三维速度和时间信息，并能覆盖全球和全天候工作。1994年4月3日，24颗Block-II型工作卫星发射完毕，系统投入全面运行。

GPS最初主要用于军事和涉及国家重要利益的民用领域，可实现飞机舰船的导航、部队调动、军事目标定位、武器的精确制导等，特别是在沙漠风暴和对科索沃的轰炸这两场典型高技术战争中，GPS大量用于巡航导弹的制导，打击目标的选择，甚至地面士兵都随身携带便携式定位装置，可以说，GPS是现代高技术武器的眼睛。

鉴于GPS的军事上非凡的表现和巨大的实用价值，美国总统克林顿颁布法令，将GPS向民用领域免费开放，同时在2000年5月1日起停止S/A政策，对民用码不加干扰，使民用定位精度大大提高。

另外，前苏联也发展了自己的全球定位系统：Glonass，同样也免费向民用市场开放使用；国际通信协会也有类似GPS的系统。相信不远的将来，我们也能享受到我国自己的卫星定位系统给我们带来的方便。

现在GPS已发展成为一个高速成长的产业，广泛应用于车辆定位、航海航空、测量等民用行业，特别是移动目标的定位监控、防盗报警和指挥调度。

全球定位系统（Global

Positioning

System）是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星定位系统，以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点成为当今世界上使用最广泛的全球精密导航系统。如何实时采集存储GPS定位信息对载体的姿态了解有着显著的意义。

二

本课题国内外研究现状

1、美国GPS系统自身的更新

美国为了充分

利用GPS系统的商业价值，独霸全球的导航定位市场，近年来对GPS系统进行了一系列的更新。首先，从2000年5月2日起，停止实施

“SA”政策，并将在GPS卫星L2频率信号上增设C/A码。2005年前，在GPS新型工作卫星Block

II

F上增设第三频率1176.45MHz，以提高GPS动态和静态定位精度。GPS

III计划除了继承GPS更新计划外，重点是放弃现有24颗中高轨道（MEO）卫星星座方案，采用全新的33颗HEO+GEO卫星星座（HEO为高椭圆倾

角轨道，GEO为在赤道上空的静止卫星），除采用更稳定的频标和提高信号可靠性等措施外，GPS

III卫星将采用新的M码以增强保密和抗干扰功能。GPSIII预计在2015～2020年投入运行，计划将对军用平台提供25年的卫星导航服务。

2、欧洲伽利略计划

为打破美国全球定位系统独霸天下的局面，开创欧盟空间大地测量和航天事业的新阶段，2002年3月26日，欧盟15个成员国的交通部长在布鲁塞尔决定开始

启动伽利略卫星导航定位系统计划。该计划基于如下三点考虑：

政治和军事上。目前的GPS系统在全世界各个领域的广泛应用，使得各国在技术、市场、军事等

方面对美国有过多依赖，欧盟要想独立成为多边世界的一极，实现欧洲自主防务，必须打破这种依赖；

技术上。欧盟意识到卫星导航在未来的应用会更加广泛而普

及，然而目前这种技术由美国和俄罗斯的军方控制，要想在巨大的市场中为欧洲的高科技产业界创造机会，为他们进入这一市场提供了关键技术的平台必须打破技术

垄断，而作为一项基础设施，首先要建立一套卫星导航系统；

安全上。由军方控制的GPS和GLONASS系统，一般用户只能获得定位服务，信号的安全性和

连续性都是没有保证的，一旦信号错误或者信号被关闭，对用户造成的影响是难以估计的，有的甚至危及生命安全。

Galileo

系统并不是重复GPS或者是GLONASS系统，它由民间组织控制，保证服务的连续性和完好性；系统本身提供了比“定位”更多的服务，侧重

于导航，卫星的覆盖度更高，定位精度更高（更好的星座设计），提供系统完备性参数和系统错误警告等信息；和GPS、GLONASS系统兼容，为用户提供多

样的服务。

3、星基增强系统（SBAS）

为增强现有GPS和GLONASS系统的导航性能，美国联邦航空局（FAA）、欧

洲和日本提出了三种SBAS：WAAS、EGNOS和MSAS系统。这三

种SBAS系统的功能大致相同，其特点是：①通过地球静止卫星（GEO）发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息；②通过GEO卫

星发播GPS和GEO卫星完整的数据；③GEO卫星的导航载荷发射GPS

L1测距信号。这三个系统都正在加紧建设中，WAAS和EGNOS即将全面运行，MSAS将在2005年全面运行。他们建成后，将形成一个全球无缝的导航

系统，使用一种GPS导航设备，飞机即可飞遍全球。

4、我国“北斗一号”导航定位系统

“北斗一号“卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位，间断数字报文通信和授时服务的一种全天候，区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是：

定位，即快速确定用户所在点的地理位置，向用户机主管部门提供导航信息。

通信，即用户与用户，用户与中心控制系统间均可实行双向简短数字报文通信。

授时，即中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。

“北斗一号“的覆盖范围是在北纬5度～6度，东经70度～140度之间的一个心脏形区域，上大下小，最宽出在北纬35度左右。其定位精度是水平100米

（1σ），进行差分后水平精度为20米；高程控制精度为10米，系统能容纳的用户数每小时为540，000户；其定位响应时间为：1类用户<5

秒，2类用户<2秒，3类用户<1秒；一次定位成功率为95%。“北斗一号”导航定位系统由于固有的特性，仍存在不足之处：用户采用主动式定

位；用户数量有限；定位数据实时性差；生存能力不强，系统的抗干扰性较差；定位依赖数字地图。

三

本课题相关理论综述

1、FPGA器件

使用FPGA器件设计数字电路，不仅可以简化设计过程，而且可以降低整个系统的体积和成本，增加系统的可靠性。它们无需花费传统意义下制造集成电路所需大量时间和精力，避免了投资风险，成为电子器件行业中发展最快的一族。使用FPGA器件设计数字系统电路的主要优点如下：

(1)设计灵活

使用FPGA器件，可以不被标准系列器件在逻辑功能上所限制，而且修改逻辑可在系统设计和使用过程的任一阶段中进行，并且只须通过对所用的FPGA器件进行重新编程即可完成，给系统设计提供了很大的灵活性。

(2)增大功能密集度

功能密集度是指在给定的空间能集成的逻辑功能数量。可编程逻辑芯片内的组件门数高，一片FPGA可代替几片、几十片乃至上百片中小规模的数字集成电路芯片。用FPGA器件实现数字系统时用的芯片数量少，从而减少芯片的使用数目，减少印刷线路板面积和印刷线路板数目，最终导致系统规模的全面缩减。

(3)提高可靠性

减少芯片和印刷板数目，不仅能缩小系统规模，而且它还极大的提高了系统可靠性。具有较高集成度的系统比用许多低集成度的标准组件设计的相同系统具有高得多的可靠性。使用FPGA器件减少了实现系统所需要的芯片数目，在印刷线路板上的引线以及焊点数量也随之减少，所以系统的可靠性得以提高。

(4)缩短设计周期

由于FPGA器件的可编程性和灵活性，用它来设计一个系统所需时间比传统方法大为缩短。FPGA器件集成度高，使用时印刷线路板电路布局布线简单。同时，在样机设计成功后，由于开发工具先进，自动化程度高，对其进行逻辑修改也十分简便迅速。因此，使用FPGA器件可大大缩短系统的设计周期，加快产品投放市场的速度，提高产品的竞争能力．

(5)工作速度快

FPGA／CPLD器件的工作速度快，一般可以达到几百兆赫兹，远远大于DSP器件。同时，使用FPGA器件后实现系统所需要的电路级数又少，因而整个系统的工作速度会得到提高。

(6)增加系统的保密性能

很多FPGA器件都具有加密功能，在系统中广泛的使用FPGA器件可以有效防止产品被他人非法仿制。

(7)降低成本

使用FPGA器件实现数字系统设计时，如果仅从器件本身的价格考虑，有时还看不出来它的优势，但是影响系统成本的因素是多方面的，综合考虑，使用FPGA的成本优越性是很明显的。首先，使用FPGA器件修改设计方便，设计周期缩短，使系统的研制开发费用降低；其次，Ft

GA器件可使印刷线路板面积和需要的插件减少，从而使系统的制造费用降低；再次，使用FPGA器件能使系统的可靠性提高，维修工作量减少，进而使系统的维修费用降低。总之，使用FPGA器件进行系统设计能节约成本。

2、FPGA结构介绍

本次FIR数字滤波器的设计采用Xilinx公司的Spartan-3系列的XC3S1500来实现，因此以Spartan-3为例进行介绍。Xilinx公司推出的90rim工艺技术的Spartan．3系列FPGA采用最成功的V

trtex-II，FPGA架构，利用90am和300mm(12英寸)晶圆工艺生产，使得Spartan．3的性能价格比大幅度提高，此外，它还提供四个功能强大的数字化时钟管理器(DCM)。由基本的延迟锁相环(DLL)构成的可编程时钟管理器，具有灵活、完善的频率合成、相移、时钟偏移消除等功能。另外，Spartan-3还提供丰富的嵌入型DSP功能，这项功能可保证每秒执行3300亿次乘累加(MAC)运算的高性能DSP应用。在存储器(RAM)方面，Spartan一3系列提供多达1872Kb的块存储器及多达520Kb的分布式存储器，这些存储器都具有完全的双口功能，还可提供高速的外部数据接口，与外部的海量存储器实行对接。其特性还体现在内部时钟频率可达326MHz，可提供74880个逻辑单元，500万个系统门；支持多达17种的单端接口标准和6种差分接口标准；每个FO接口支持622Mb／S的数据传输率，同时还支持DDR数据传输方式。根据权威的数据统计，Xilinx公司推出的Spartaa-3系列FPGA是工艺先进、价格低廉、单位成本内有效I／O管脚最多的平台级可编程逻辑器件。

3、GPS

利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。要实现以上所有功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。中国物联网校企联盟认为GPS是将现实虚拟化实现了物与物、物与人等大部分物品与网络的连接，使物品方便识别、管理和控制。

GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。现在民用的定位精度可达10米内。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

四

设计思路

1、综述

本课题通过GPS模块采集卫星数据信息，将个人位置信息通过串口传入FPGA，FPGA对数据进行处理转换为并口数据送入FLASH存储器进行存储。

2、

实现流程图

GPS模块

FLASH

FPGA

模拟串口

3、

3、

各部分介绍

FPGA：编写串口转并口程序，实现将GPS采集到的信息传给FPGA，由FPGA存入FLASH存储器。

GPS模块：采用H-8123型号的GPS模块，电压3-5V，主芯片采用U-BLOX

G6010，支持C/A码,1.023MHz码流，接收频段为L1（1575.42MHz），接收通道：50CH；速率：<0.1m/s；方向：<0.5Degrees，授时精度:30us，参照坐标系:WGS-84，最大海拔高度:50000米。

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[15]董绪荣等GPS/INS组合导航定位及其应用长沙国防科技大学出版社1999

毕

业

设

计

开

题

报

告

指导教师意见：

季海同学在查阅了一定数量的相关中英文献资料的基础上，对本次毕业设计题目和内容有了一定的认识，明确了本次设计的相关内容，并有了清晰的完成思路，同意开题，希望该同学在后续的设计中继续努力，以期圆满完成毕业设计的任务。

指导教师：*年*月*日

所在系审查意见：

系主任：*年*月*日