GPS的FPGA实现

用ram (quartus 自带IP) 开始因为RxD_ready 信号的问题，导致数据存储不正 确（如：RxD_ready 不是一个时钟周期导致同一字符被存了好多次），放弃了 使用。 定义一个memory类型的数据， 如 : reg[7:0] Time_ram[15:0] , 这由16个单元，每个单元由8个寄存器组成。存储 和读取很方便，类似于C语言中的一维数组。
GPS数据的解析与显示 （Verilog HDL）
Time_ram
LCD1602
gps_data[7..0] GPS_TXD
UART接收 Latitude_ram
data_ready
Longitude_ram
解析GPRMC并将所需信息放到memory中
解析GPRMC信息并显示
FPGA 实现数据解析并在LCD1602上显示框图
1、NiosII 软硬协同
1、NIOS II 编程方法 2、项目系统结构 3、项目程序
1、 NIOS II 编程方法
（1）最底层的寄存器操作，我们 可以自己按照altera的文档定义寄 存器结构体。然后写函数直接对 结构体进行操作。然后自己写函 数操作寄存器，要对这些寄存器 ，就要根据system.h里面的各个 设备的基地址来操作结构体。
GPS模块简介：
我们所关心的是GPRMC这条信息，因为其中包括当前格林 威治时间、经度、纬度、日期等。
设计结构图
Top Module
UART Module
Gps_Data_Process Module
LCD Module
实现方式： 1、NiosII 软硬协同 2、纯硬件语言 （Verilog HDL和VHDL）
基于FPGA的GPS采集器设计与实现
项目骨干： 组长：余江 组员：木荣、洪光 仁飞、文斌 超
GPS模块简介：
GPS (Global Position System), 即全球定位系统，它是一个由覆 盖全球的24颗卫星组成的卫星系 统。 GPS系统包括3个基本组成部分： (1)太空部分，即空中的GPS 卫星 (2)控制部分，即地面的GPS卫星 (3)监控系统用户部分，即GPS的移 动用户端
系统RTL原理图
UART接收模块
第n个字节数据流
开 始 位
LSB
MSB
停 止 位
这个模块的好坏直接影响后续模块能否正确解析数据并显示。
通过示波器可以观察到，从GPS_TXD输出的信号是一串脉冲信号。输出的串行 数据遵从RS232标准，特征如下：
没有数据发送时，输出一直是高电平； 数据是一个bit 一个bit 的输出，低位在前，高位在后； 发送一个字符需要10bit, 即 1个开始位（低电平）、8个数据位、1个停止位 每个字符的8bit数据由ASII 码表示（如：‘$’的ASII码是0x24）;
GPS模块简介：
Samsung 公司的GPD14B02
GPS模块简介：
数据流：
GPS模块简介：
模块输出信息主要包括4个部分：
（1）位置测定系统定位资料GPGGA $GPGGA,063740.998,2234.2551,N,11408.0339,E,1,08,00.9,000 53.A,M,-2.1,M,,*7B （2）偏差信息和卫星状态GPGSA $GPGSA,A,3,06,16,14,22,25,01,30,20,,,,,01.6,00.9,01.3*0D （3）导航系统卫星相关资料GPGSV $GPGSV,2,1,08,06,26,075,44,16,50,227,47,14,57,097,44,22,17,1 69,41*70 $GPGSV,2,2,08,25,49,352,45,01,64,006,45,30,13,039,39,20,15,3 12,34*7A （4）最起码的GNSS信息GPRMC $GPRMC,012724.000,A,2234.3157,N,11408.0921,E,0.00,,29010 8,,,A*71
RxD =’N
RxD !=’N
S7
RxD =’V’ RxD =’A’
S0
RxD !=’R’ RxD !=’M’
S3 S3 S3 S3
RxD =’R’
RxD !=’C’
S6
S5
RxD =’C’ RxD =’M’
S4
基于FPGA的GPS数据采集 (VHDL)
• 串并转换
• 序列检测 • 高速数据与低速数据
波特率产生器通过对系统时钟（50M）分频得到9600Hz的时钟。
数据处理显示模块
我们所关心的是以“$GPRMC”开头的这条信息，所以首先需检测到 “$GPRMC”这六个字符， 用一个状态机就可以实现（这个就是我们在数字电路 中所学的序列检测器），然后将后续的时间、经纬度信息存储起来。
这个过程中遇到的主要问题是不知道信息如何存储并读出。其中采用了以下方案： 用移位寄存器（如： reg [60:0] gps_data），这里犯了一个严重错误：移位寄 存器是一位一位的存储，而我们的数据是一个字符一个字符的存储（8 位）
1、 NIOS II 编程方法
可以用以下的代码直接从设备中读 出数据 FILE* fd; fd = fopen ("/dev/uart","r+"); if (fd == 0) { perror("Open uart error\n"); exit(1); }
2、项目系统结构
UART 波特率为9600，连接DE2的GPIO，接收GPS串 行数据，lcd显示数据 。
3、项目程序
一般有两种方式：
• 1、用altera软件接口
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • int set_baudrate(alt_u32 brate) { IOWR_ALTERA_AVALON_UART_DIVISOR(UART_BASE,(unsigned int)(CPU_FRE/brate+0.5)); return 0; } //串口接收中断服务程序 void uart_ISR(void* context,alt_u32 id) { temp=IORD_ALTERA_AVALON_UART_RXDATA(UART_BASE); raw_buf[receive_count++]=temp; } int uart_init(void) { //设置波特率为9600 set_baudrate(baudrate); IOWR_ALTERA_AVALON_UART_CONTROL(UART_BASE, 0x80);//接收中断使能 IOWR_ALTERA_AVALON_UART_STATUS(UART_BASE, 0x00);//清状态标志 IOWR_ALTERA_AVALON_UART_RXDATA(UART_BASE, 0x00);//清接收寄存器 alt_irq_register(UART_IRQ,NULL,uart_ISR); return 0; }
1、 NIOS II 编程方法
（3）HAL提供了硬件寄存器操作 和c语言编程的接口，相当于系统 调用Linux中的系统调用。相当于 实现了设备驱动，我们可以调用 其中的一些函数编程序。在 SOPC Builder生成硬件系统以后 ，NIOS II IDE 能够自动生成对应 的HAL系统库。
目前Nios II 的大部分开发都是在 HAL（hardwareabstraction layer） 的基础上进行的。HAL系统库是 一个轻量级的运行环境，提供了 简单的和硬件通讯的设备驱动程 序。HAL API集成了ANSI C标准 库，这些API允许你用标准C函数 （例如：printf,fopen,fwrite等等） 去存取设备。
大概问题
1、IDE的使用问题，包括标准输入输出，调试级别，优化 级别，标准库的包含问题（要根据系统的ram资源大小 折中选择）等。 2、一开始对可以直接用C语言编程不是很理解，C语言和 硬件系统是如何联系的。后来通过分析HAL和寄存器等 有所了解。 3、LCD方面，NIOS里面用户不需要设置LCD_ON.在 quartus里面，不用的管脚一定要设置三态，因为默认接 地，LCD_ON低电平，不会工作。
图2 HAL体系结构
应为有了这样的接口，所以我们不用考虑底层，直接用C语言编程。
1、 NIOS II 编程方法
（4） HAL API集成了ANSI C标准 库，可以直接调用标准的C函数 编程。 在IDE里面编译以后，system.h文 件中有这样的定义：
#define UART_NAME "/dev/uart" #define UART_TYPE "altera_avalon_uart" #define UART_BASE 0x00041000 #define UART_SPAN 32 #define UART_IRQ 0
UART接收模块
gps_data[7..0]
波特率产生器
RxD
data_ready
数据接收状态机
data_ready 信号产生状态机
这个模块做两件事： 将串行的输入数据转换为并行的数据（8bit）输出; 每接收完一个字符就产生一个单时钟周期脉冲信号。
此UART接收模块主要包括两个功能组成部分：波特率产生器和串 行数据接收状态机。
数据处理显示模块
注：复位时在S0状态，信息有效时，S6状态存储 时间信息，S7状态存储纬度信息，S8状态存储经 度信息。每个状态在RxD_ready 信号有效时读取 RxD.
“$GPRMC”检测、时间、经纬度信息存储状态机
RxD !=’E RxD =’G’
S1
S8
S2
RxD =’$’ RxD !=’G’ RxD =’P’ RxD !=’$’ RxD =’E RxD !=’P’
• 测试方法
• 疑问解决
串并转换
• 协议（说好了的事，不能变卦）
第n个字节数据流
开 始 位
LSB
MSB
停 止 位
• Datareday信号产生（并转串也用到）
process (rst,clk16x,no_bits_rcvd) begin if rst = '1' then reday <= '0' ; elsif clk16x'event and clk16x = '1' then
S4
注：复位时在 S0 状态，信息有效时，S6 状态存储时间信息，S7 状态存储 纬度信息，S8 状态存储经度信息。每个状态在 RxD_ready 信号有效时读 取 RxD.
if std_logic_vector(no_bits_rcvd) = "1010" then reday <= '1' ; else reday<='0' ; end if;
end if ; end process ;
序列检测
• 连续序列
• 非连续序列
• 连续？非连续？
RxD !=’E RxD =’G’
1、 NIOS II 编程方法
（2）altera提供的软件接口和函数， 他封装好了函数，屏蔽了寄存器的 操作。
IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base)
IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(b ase) IORD_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(b ase) IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(b ase)
S1 S8
RxD RxD =’N =’$’ RxD !=’$’ RxD =’E RxD !=’N RxD !=’P’ RxD !=’G’ RxD =’P’
S2
S7
RxD =’V’ RxD =’A’
S0
RxD !=’R’
S3
RxD =’R’
RxD !=’M’ RxD !=’C’
源自文库S6 S5
RxD !=’A’ or ‘V’ RxD =’C’ RxD =’M’
3、项目程序
2、用标准C函数 本项目用的是第二种方法。 主要函数： void gps_pro(char *）//处理数据 void lcd_display(FILE *lcd)//显示信息 结构体用来存储信息 struct gps_info{ • int time; char status;char latitude_value[BUF_SIZE]; • char longtitude_value[BUF_SIZE];char date[BUF_SIZE]; • }rmc_info;