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基于FPGA的GPS定位信息处理系统设计

作　者: 屠君君
导　师: 赵不贿
学　校: 江苏大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: GPS-OEM 坐标转换卡尔曼滤波 FPGA 分时复用
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 271次
引　用: 2次
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内容摘要

随着GPS(Global Positioning System)技术的不断发展和成熟,其全球性、全天候、低成本等特点使得GPS接收机的用户数量大幅度增加,应用领域越来越广。但由于定位过程中各种误差源的存在,单机定位精度受到影响。目前常从两个方面考虑减小误差提高精度:①用高精度相位天线、差分技术等通过提高硬件成本获取高精度;②针对误差源用滤波算法从软件方面实现精度提高。两种方法中,后者相对于前者在满足精度要求的前提下节约成本,而且便于系统融合,是应用于GPS定位的系统中更有前景的方法。但由于在系统中实现定位滤波算法需要时间,传统CPU往往不能满足实时性的要求,而FPGA以其快速并行计算越来越受到青睐。本文在FPGA平台上,根据“先时序后电路”的设计思想,由同步设计方法以及自顶向下和自下而上的混合设计方法实现系统的总体设计。从GPS-OEM板输出的定位信息的接收到定位结果的坐标变换,最终到kalman滤波递推计算减小定位误差,实现实时、快速、高精度的GPS定位信息采集处理系统,为GPS定位数据的处理方法做了新的尝试,为基于FPGA的GPS嵌入式系统的开发奠定了基础。具体工作如下:基于FPGA设计了GPS定位数据的正确接收和显示,以及经纬度到平面坐标的投影变换。根据GPS输出信息标准和格式,通过串口接收模块实现串口数据的接收和经纬度信息提取,并通过LCD实时显示。在提取信息的同时将数据格式由ASCⅡ码转变为十进制整数型,实现利用移位和加法运算达到代替乘法运算的效果,从而减少资源的利用率。在坐标转换过程中,利用查找表的方法查找转化时需要的各个参数值,并将该参数先转为双精度浮点小数,再进行坐标转换。根据高斯转化公式的规律将公式简化成只涉及加法和乘法运算,以此简化公式运算量,达到节省资源的目的。卡尔曼滤波器的实现。首先分析了影响定位精度的各种误差因素,将各种误差因素视为一阶马尔科夫过程的总误差,建立了系统状态方程、观测方程和滤波方程,并基于分散滤波的思想进行卡尔曼滤波设计,并通过Matlab进行仿真。结果表明,本文设计的卡尔曼滤波器收敛性好,定位精度高、估计误差小。在仿真基础上,实现基于FPGA的卡尔曼滤波计算。在满足实时性的基础上,通过IP核、模块的分时复用和树状结构节省资源,实现数据卡尔曼滤波,达到提高数据精度的效果。设计中以Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX110-FF676为硬件平台,采用Verilog HDL硬件描述语言实现,利用Xilinx公司的ISE 10.1工具布局布线,一共使用44438个逻辑资源,时钟频率达到100MHZ以上,满足实时性信号处理要求,在保证精度的前提下达到资源最优。Modelsim仿真验证了该设计的正确性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-18
  1.1 研究目的和意义  12-13
  1.2 滤波理论及在GPS信号处理中的应用  13-15
    1.2.1 滤波理论及方法研究  13-14
    1.2.2 滤波理论在GPS信号处理方面的应用  14-15
  1.3 FPGA的发展及其应用  15-16
  1.4 论文主要内容安排  16-18
第二章 GPS系统及其定位原理  18-29
  2.1 GPS系统及其定位原理  18-21
    2.1.1 GPS的系统组成  18-19
    2.1.2 GPS的定位方式及原理  19-21
  2.2 GPS定位误差  21-23
    2.2.1 GPS定位的各种误差源  21-22
    2.2.2 GPS定位精度表示方法  22-23
  2.3 定位系统的坐标系及其变换  23-28
    2.3.1 地心坐标系和大地坐标系  23-24
    2.3.2 高斯投影  24-26
    2.3.3 坐标变换  26-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章卡尔曼滤波技术及GPS滤波方程的建立  29-38
  3.1 卡尔曼滤波技术  29-32
    3.1.1 卡尔曼滤波的应用背景和特点  29-30
    3.1.2 随机线性离散系统卡尔曼滤波基本方程  30-32
  3.2 基于GPS定位结果的滤波方法  32-37
    3.2.1 GPS定位数学模型的建立  32-35
    3.2.2 Matlab仿真结果  35-37
  3.3 本章小结  37-38
第四章系统的开发平台及总体设计方案  38-47
  4.1 系统开发平台  38-42
    4.1.1 Virtex-5  38-39
    4.1.2 Verilog HDL语言  39-40
    4.1.3 ISE以及第三方软件  40
    4.1.4 FPGA设计流程  40-42
  4.2 GPS接收平台  42-43
    4.2.1 GPS-OEM板  42
    4.2.2 GPS输出数据格式  42-43
  4.3 系统的整体设计方案  43-45
    4.3.1 系统功能及框图  43-44
    4.3.2 系统整体设计的方法及特点  44-45
  4.4 本章小结  45-47
第五章 GPS滤波系统的FPGA设计  47-73
  5.1 串口接收模块  47-51
    5.1.1 RS-232串行通信协议  47
    5.1.2 串口模块的设计  47-51
    5.1.3 仿真结果  51
  5.2 坐标转换模块  51-55
    5.2.1 设计方案的提出  51-53
    5.2.2 坐标转换模块的设计  53-54
    5.2.3 仿真结果  54-55
  5.3 卡尔曼滤波器模块  55-65
    5.3.1 卡尔曼滤波器设计方案  55-56
    5.3.2 滤波模块设计  56-64
    5.3.3 仿真结果  64-65
  5.4 LCD显示模块  65-67
    5.4.1 LCD及其时序  65-66
    5.4.2 LCD模块设计  66-67
    5.4.3 仿真结果  67
  5.5 IP核功能测试  67-71
    5.5.1 ROM测试  67-68
    5.5.2 定点转浮点模块测试  68-69
    5.5.3 除法IP核测试  69
    5.5.4 乘法器IP测试  69-70
    5.5.5 加/减法器IP测试  70-71
  5.6 系统的综合实现  71-72
  5.7 本章小结  72-73
第六章总结与展望  73-75
  6.1 工作总结  73-74
  6.2 展望  74-75
参考文献  75-78
致谢  78-79
攻读学位期间发表的论文  79

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