CN104655134A - 一种基于gps时标的多传感器数据采集系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统，其特征是本发明主要由GPS接收机、MTI航姿参考系统、FPGA芯片和上位机四部分组成。可以实现惯性元件、GPS接收机、高度表等多种传感器数据的同步接收。本发明主要由GPS接收机、MTI航姿参考系统、FPGA芯片和上位机四部分组成。本发明的主要任务是完成GPS接收机导航信息和MEMS陀螺仪输出姿态信息的同步接收。本设计用FPGA作为核心控制芯片，以GPS秒脉冲作为数据同步接收的时间基准。MEMS陀螺仪的发送频率和GPS接收机的不同，不能将所有接收到的姿态信息都传送给上位机，只有在检测到GPS脉冲上升沿时，收到的MEMS陀螺信息传送给上位机。接收到的数据还需要发送到上位机进行数据的后处理，最终可以得到在秒脉冲上升沿时刻的时间信息，载体的位置信息和载体的姿态信息。

Description

一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统
技术领域
本发明涉及的是一种数据采集系统，特别涉及一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统。
背景技术
随着科技的不断进步，导航制导技术已经渗透到社会的不同方面中。在军事领域，导航制导技术的成熟与否直接关系到导弹或无人机能否精准的命中目标或到达指定位置。在日常生活领域，车载导航技术的发展为人们的生活带来了更多的便利。
确定一个运动物体的姿态和位置信息，进而引导和控制载体向目标方向运动的过程称之为导航。导航的重要内容之一，就是提供运动物体的六个自由度的参数，即运动物体的三维角度和三维方位信息。这六个参数决定了运动物体的空间位置和状态信息。
一个完整的导航制导系统由以下几部分组成：传感器测量部分，控制计算机，执行机构和被控对象。传感器测量部分用于测量运动物体的位置，姿态，速度等信息。在早期的导航系统中，这些测量工作通常是由功能较为单一的仪器组成的，随着科学技术的不断进步，这些功能单一的仪器逐步被传感器所取代。而且，一个载体上通常会搭载多个传感器，如GPS接收机用于给出载体的位置信息，惯性元件用于给出载体的姿态信息，高度计用于给出载体的高度信息等。要想对载体进行精确的导航制导控制，就需要得到某一时刻下，载体的位置，姿态，速度等信息。可见，对传感器信息进行同步采集对导航制导系统具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GPS时标的多传感器数据同步采集系统的方案，可以实现惯性元件、GPS接收机、高度表等多种传感器数据的同步接收。
一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统，其特征是本发明主要由GPS接收机、MTI航姿参考系统、FPGA芯片和上位机四部分组成。
所述的一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统，其特征在于所述的核心部分是完成基于FPGA的GPS导航信息和GPS秒脉冲的接收处理。
所述的一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统，其特征在于所述的GPS导航信息接收模块和MEMS陀螺仪信号接收模块的主要任务是编写串口接收程序，实现FPGA和GPS接收机、MEMS陀螺仪的数据接收。
本发明的目的是这样实现的：
本发明主要由GPS接收机、MTI航姿参考系统、FPGA芯片和上位机四部分组成。基于GPS时标的多传感器数据同步采集系统的主要任务是完成GPS接收机导航信息和MEMS陀螺仪输出姿态信息的同步接收。本设计用FPGA作为核心控制芯片，以GPS秒脉冲作为数据同步接收的时间基准。核心内容是如何利用GPS秒脉冲实现数据的同步接收，GPS秒脉冲出现上升沿后，接收机随之就会发送导航信息，可以认为此时导航信息中的位置信息就是载体在GPS秒脉冲上升沿时的位置信息，发送给上位机。MEMS陀螺仪的发送频率和GPS接收机的不同，不能将所有接收到的姿态信息都传送给上位机，只有在检测到GPS脉冲上升沿时，收到的MEMS陀螺信息传送给上位机。这样就采集到了在秒脉冲上升沿时刻的位置信息和姿态信息，并且采集的频率是1Hz，从而实现了GPS接收机导航信息和MEMS陀螺仪输出姿态信息的同步接收。接收到的数据还需要发送到上位机进行数据的后处理，最终可以得到在秒脉冲上升沿时刻的时间信息，载体的位置信息和载体的姿态信息。
本发明的核心部分是完成基于FPGA的GPS导航信息和GPS秒脉冲的接收处理，在此基础上完成GPS导航信息有效信息的提取和MEMS陀螺仪同步采集，具体任务可以分解为以下几个FPGA功能子模块：GPS秒脉冲信号处理模块，GPS导航信息接收模块，GPS导航信息提取模块，MEMS陀螺仪信息接收模块，信息发送模块。
其中，GPS导航信息接收模块和MEMS陀螺仪信号接收模块的主要任务是编写串口接收程序，实现FPGA和GPS接收机、MEMS陀螺仪的数据接收。GPS导航信息提取模块的主要作用是从GPS接收机发送的导航数据中识别和分离出时间，纬度，经度和高度信息。GPS秒脉冲信号处理模块的主要作用是正确识别出秒脉冲信号的上升沿，作为时间基准控制信息发送模块向上位机发送信息。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的FPGA的设计示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统，其特征是本发明主要由GPS接收机、MTI航姿参考系统、FPGA芯片和上位机四部分组成。
上述的核心部分是完成基于FPGA的GPS导航信息和GPS秒脉冲的接收处理。
上述的GPS导航信息接收模块和MEMS陀螺仪信号接收模块的主要任务是编写串口接收程序，实现FPGA和GPS接收机、MEMS陀螺仪的数据接收。
结合图1，本发明主要由GPS接收机、MTI航姿参考系统、FPGA芯片和上位机四部分组成。基于GPS时标的多传感器数据同步采集系统的主要任务是完成GPS接收机导航信息和MEMS陀螺仪输出姿态信息的同步接收。本设计用FPGA作为核心控制芯片，以GPS秒脉冲作为数据同步接收的时间基准。核心内容是如何利用GPS秒脉冲实现数据的同步接收，GPS秒脉冲出现上升沿后，接收机随之就会发送导航信息，可以认为此时导航信息中的位置信息就是载体在GPS秒脉冲上升沿时的位置信息，发送给上位机。MEMS陀螺仪的发送频率和GPS接收机的不同，不能将所有接收到的姿态信息都传送给上位机，只有在检测到GPS脉冲上升沿时，收到的MEMS陀螺信息传送给上位机。这样就采集到了在秒脉冲上升沿时刻的位置信息和姿态信息，并且采集的频率是1Hz，从而实现了GPS接收机导航信息和MEMS陀螺仪输出姿态信息的同步接收。接收到的数据还需要发送到上位机进行数据的后处理，最终可以得到在秒脉冲上升沿时刻的时间信息，载体的位置信息和载体的姿态信息。
各模块的详细说明：
1、GPS接收机
GPS接收机输出两种信息，一是GPS秒脉冲，作为数据同步采集的时间基准。二是GPS导航信息，其中包括载体的位置信息。
2、MTI航姿参考系统
MTI航姿参考系统可以提供载体的姿态信息。
3、GPS秒脉冲信号处理模块
首先考虑GPS秒脉冲信号的电平形式（TTL或RS422），设计对应电路将GPS秒脉冲正确引入FPGA，并且，在FPGA内部设计去抖电路，使FPGA可以正确检测到秒脉冲的上升沿，提高系统的可靠性。
4、GPS导航信息接收模块
该模块实现了GPS导航信息的接收，根据GPS接收机发出信息的波特率、数据位个数、有无奇偶校验位和停止位个数编写相应的串口程序，实现串口接收功能。
5、GPS导航信息提取模块
GPS接收机发出的GPS导航信息中包含$GPGGA，$GPGSV等多条语句信息，根据每条语句多包含的内容可知，$GPGGA语句中包含了UTC时间信息，经度、纬度和高度信息。所以，GPS导航信息提取模块应从GPS接收机发出的众多语句中正确提取出$GPGGA语句，并从中提取出所需的UTC时间信息，经度、纬度高度信息。
6、MTI信息接收模块
该模块实现了MEMS陀螺仪发送的载体姿态信息的接收，根据MEMS陀螺仪发出信息的波特率、数据位个数、有无奇偶校验位和停止位个数编写相应的串口程序，实现串口接收功能。此模块同GPS导航信息接受模块类似，在编程上可以相互借鉴。
7、信息发送模块
此模块将处理后的GPS导航信息和MEMS陀螺仪信息整合成一条语句，发送给上位机做进一步的数据处理。由于GPS接收机和MEMS陀螺仪发送数据的频率不一致，为了实现信息的同步接收。需要引进GPS秒脉冲充当系统的时间基准，只有检测到秒脉冲上升沿时，才将此时MEMS陀螺发送的数据和GPS接收机发送的数据传送给上位机，进行数据的后处理。即本系统是1秒钟输出一次载体的位置信息和姿态信息。
8、上位机
上位机完成的任务是数据后处理以及最终载体信息的显示。在数据处理中，首先要从接收到的GPS信息中分离出UTC时间，并在此基础上加8得到本地时间（因为中国出在东八区）。其次，由于本系统的采样频率较低，载体运动的角速度对导航的意义不大，所以要根据MEMS陀螺仪输出的信息中得到姿态信息即俯仰角、滚转角和偏航角。
结合图2，图2为本发明的FPGA的设计示意图。该发明的核心部分是完成基于FPGA的GPS导航信息和GPS秒脉冲的接收处理，在此基础上完成GPS导航信息有效信息的提取和MEMS陀螺仪同步采集，具体任务可以分解为以下几个FPGA功能子模块：GPS秒脉冲信号处理模块，GPS导航信息接收模块，GPS导航信息提取模块，MEMS陀螺仪信息接收模块，信息发送模块。
其中，GPS导航信息接收模块和MEMS陀螺仪信号接收模块的主要任务是编写串口接收程序，实现FPGA和GPS接收机、MEMS陀螺仪的数据接收。
GPS导航信息提取模块的主要作用是从GPS接收机发送的导航数据中识别和分离出时间，纬度，经度和高度信息。
GPS秒脉冲信号处理模块的主要作用是正确识别出秒脉冲信号的上升沿，作为时间基准控制信息发送模块向上位机发送信息。

Claims (3)

1.一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统，其特征是本发明主要由GPS接收机、MTI航姿参考系统、FPGA芯片和上位机四部分组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统，其特征在于所述的核心部分是完成基于FPGA的GPS导航信息和GPS秒脉冲的接收处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于GPS时标的多传感器数据采集系统，其特征在于所述的GPS导航信息接收模块和MEMS陀螺仪信号接收模块的主要任务是编写串口接收程序，实现FPGA和GPS接收机、MEMS陀螺仪的数据接收。
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