GPS(Global Positioning System)全球定位系統是美國發射的24顆GPS地球衛星所組成的具有能提供全球全天候導航、定位、授時功能的系統。美國政府宣布2000年至2006年期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，利用C／A碼進行單點定位的精度由100米提高到10米，GPS民用信號精度在全球范圍內得到改善，這進一步掀起了GPS應用的熱潮，刺激GPS技術與科技和生產領域的結合。誕生了大量的GPS的應用成果。如相量測量裝置PMU就是利用了GPS來解決了電力系統廣域空間同步測量的問題。

隨著時代的發展，如今對數據采集在通信，電力和建筑等特殊應用場合又提出了新的要求，希望能夠對被測系統不同節點的物理量行同步采樣，能夠實時獲知采樣點的精準時刻和地理位置然后將這些信息實時傳送到主監控系統，根據采集來的測量信息對系統的狀態進行分析，控制及事故預警。

傳統的數據采集裝置是用晶振產生的時鐘頻率經分頻后提供的采樣信號，雖然隨著科技水平的提高出現越來越多的高精度的晶體振蕩器，采樣頻率的精度也越來越高，但是在異地同步高精度的測量要求中傳統的數據采集方式在理論上已經不再同步了，而且隨著時間的推移單一晶振的時鐘系統會出現一系列的老化和漂移特性，已經越來越不能滿足新時期下同步數據采集的應用。為此，本文探討了一種采用了GPS這一新型授時方法，充分利用了數字信號處理器TMS320F2812 DSP豐富的片上資源，以GPS秒脈沖為同步時鐘信號，結合其片上12位A／D可支持16通道芯片進行采樣，并以USB 2．0接口通信方式實現高速、大容量的數據傳輸，來構建同步數據采集系統以滿足多測量場合的應用。

1 GPS授時系統

GPS衛星授時系統主要由空間衛星系統、地面衛星控制部分和用戶接收設備組成。其中用戶設備就是指GPS接收機。本文所選擇的接收機是GARMIN公司的GPS25 OEM板，該OEM板為12通道的GPS接收機，可以同時跟蹤其視野范圍內內多達12顆GPS衛星，通過接收來自天線單元的信號，并通過變頻、放大、濾波等一系列處理對得到的導航電文的解碼和處理后，輸出間隔是1 s的同步脈沖信號1PPS和的由RS-232標準串口輸出串行數據UTC(協調世界時)如圖1所示。1PPS秒脈沖前沿與UTC同步誤差不超過1μs。

GPS25 OEM串口輸出輸出信號符合美國國家海洋電子協會制定的NMEA-0183通信標準格式。其輸出數據采用的是ASCII碼，數據更新時間為1 s，數據格式設置為1個起始位，8個數據位，1個停止位，無奇偶校驗。輸出默認波特率為4 800。內容包含緯度、經度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛星狀況等信息，常用語句有6種，包括GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC和GPVTG。本文只考慮其時間、經緯度信息，通常采用GPRMC定位信息來獲得所需信息，GPRMC語句如下：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh<CR><LE>
<1>UTC時間，hhmmss(時分秒)格式
<2>定位狀態，A=有效定位，V=無效定位
<3>緯度ddmm．mmmm(度分)格式
<4>緯度半球N(北半球)或S(南半球)
<5>經度dddmm．mmmm(度分)格式
<6>經度半球E(東經)或W(西經)
<7>地面速率
<8>地面航向
<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式
<10>磁偏角
<1l>磁偏角方向，E(東)或W(西)
<12>模式指示

其中：$為語句起始標志；GPRMC為識別符；逗號為數據區分隔符；*為效驗和識別符；hh為效驗和；<CR><LF>為語句結束符。

秒脈沖的上升沿對應著一精準的UTC時刻。可以先對GPS接收機的1PPS秒脈沖進行整形，用經過整形信號的上升沿對DSP中斷進行控制或觸發計數器進行分頻處理，同時從RS-232接口傳輸來的GPRMC語句通過DSP的串口輸入可以方便提取到UTC時刻，地理經緯度信息。本文中使用GPS25 OEM板其授時精度優于200ns，定位精度可達5 m以內基本可以滿足異地同步數據采集的需求。

2 采集系統的硬件構成

數據采集系統系統采用的核心芯片是美國TI公司生產的TMS320F2812 DSP處理器，它采用改進的哈佛結構，具有獨立的數據和地址總線，支持多級流水線操作片上集成了定時器，鎖相環，通用I／O接口和串行通信接口等。與單片機相比具有更為強大的數字處理和控制能力特別適合結合GPS接收機實現數據采集。

如圖2所示，整個系統主要分為GPS信號接受模塊，DSP控制模塊，模擬量輸入模塊，采樣脈沖發生模塊和數據通信模塊。

文中基于GPS的同步數據采集方法基本過程是通過GPS25 OEM接收機輸出的1PPS秒脈沖信號作為DSP外部中斷輸入源來觸發分頻計數器來產生采樣脈沖設備來保證被測信號在同一個時刻開始采樣。為保證點采樣頻率的高度一致性，可以采用高精度溫補晶體振蕩器TCOX，其工作頻率為10 MHz，頻差不大于2 ppm。輸出的振蕩信號經過整形、電平轉換后經計數器分頻得到滿足采樣率的同步高精度的采樣信號。為了進一步消除晶振電路給采樣頻率帶來的累積誤差，晶振產生的時鐘鐘信號每隔1 s被1PPS信號的上升沿同步一次，使得被測的模擬輸入量經過低通濾波后被嚴格建立在GPS時間基準上的同步采樣系統所采樣。模擬量采樣后經A／D轉換依次轉換后按順序放入固定RAM區。DSP通過SCI接口從GPS25OEM接收機的串行數據發送端TX中提取到秒脈沖上升沿所對應的UTC時刻和地理經緯度坐標，從第一個采樣點按順序為每一個采樣點置以便于識別的時間標簽和地理位置坐標，最終將各測量量連同其對應的時間地理標簽按照一定的數據格式，經過USB2.0數據線上傳到上位機。

3 通信接口設計

傳統的數據傳輸大多采用RS 232、RS 485接口傳送，但是對于異地同步大容量的數據上傳傳統的通信模式就暴露出傳輸輸速度較慢，時延大，易出錯的缺點。利用USB接口就能有效實現數據遠程海量的雙向傳輸，而且USB傳輸速度可高達480 Mbps支持單點的熱插拔可以有效地實現本地數據的攜帶轉移。

本系統通信接口電路采用USB2．0接口，其控制器芯片選用CYPRESS公司的CY7C68013。CY7C68013遵從USB2．0規范，包括一個增強型的51內核與8051指令集兼容，USB2．0串行接口引擎SIE、USB收發器、8．5KB片上RAM、4KBFIFO以及一個通用可編程接口GPIF。CY7C68013與外設有兩種接口方式：GPIF和SlaveFIFO。GPIF是主機方式，可以由軟件設置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對任何8／16bits接口的控制器、存儲器和總線進行數據的主動讀寫，使用非常靈活。而Slave FIFO方式是從機方式，工作方式可設為同步或異步，外部控制器DSP可象對普通FIFO一樣對FX2的多層緩沖FIFO進行讀寫。本文采取的是Slave FIFO接口方式。電路中CY7C68013作為TMS320F2812的外設，它采用異步存儲器接口與DSP相連接，上位PC機可以喚醒CY7C68013并對USB芯片。DSP2812將CY7C68013配置在其子空間采用異步讀寫方式完成二者之間的數據和命令的交換。

USB 2．0控制芯片的選擇和接口方式的確定后，還要完成USB固件和驅動程序設計。固件程序負責接收并處理USB驅動程序和應用程序的控制指令從而使硬件讓設備實現雙向數據交換。CYPRESS公司針為CY7C68013芯片提供給出了一個Firmware庫和Firmware框架。USB固件程序文件基于Firmware框架主要由fw．c、FPUSB．c、dscr．a51、USBJmpTb．OBJ、Ezusb．lib五部分組成。用戶只需要Kei C51開發環境下修改文件FPUSB．c和dscr．a51中的代碼來調用任務分配、設備請求和中斷處理等函數來處理USB事件，在TD_Init()、TD_Poll()兩個任務分配函數中添加初始化代碼和完成特定功能的代碼從而實現了芯片初始化、處理USB標準設備請求以及電源管理等功能。最好將編譯后產生的．hex文件載入芯片就能與主機進行基本的USB通信。

4 軟件設計流程

基于GPS的數據采集系統程序在TI公司提供的CCS集成開發環境下進行。系統軟件主要由系統主程序，串口中斷服務程序數據采集中斷服務程序組成。程序流程如圖3～5所示。基本的過程是系統上電以后，程序程將對DSP片上組件包括時鐘，ADC，定時器，IO口，串口以及通過串口TXD對GPS25 OEM板實現初始化。系統初始化后設置中斷向量，等待響應中斷服務程序。待DSP接收到GPS25LP板會給出相應信息，開始接收GPS25 OEM板傳送來的串行數據，DSP識別到“$GPRMC”語句后可以確定GPS數據處于有效數據的起始位置，開始數據的接收。如果數據的起始符和標示符有誤則重復查詢過程。接收到有效數據從中篩選出時間(轉換成北京時間)和經緯度信息后對由GPS秒脈沖同步的采樣信號采集來測量量打上時間和經緯度標簽，在片內RAM中儲存，再送入發送緩沖區，最后通過USB2．0上傳到PC機中分析和處理。

5 結束語

文中將TMS320F2812與GPS25 OEM接收機相結合，設計了一種通用的同步數據采集處理系統。該系統能實現對異地的數據進行同步采集并記錄測量點準確測量時間和地理位置信息，并對采集的數據通過USB2．0實現高速實時的上傳。基于GPS的數據采集系統在電力系統測量，機電保護，通信測量等領域有著非常廣闊的應用前景。

作者：許輝王紫婷   來源：電子設計工程