基于GPS的数据采集系统的研究

GPS(Global Positioning System)全球定位系统是美国发射的24颗GPS地球卫星所组成的具有能提供全球全天候导航、定位、授时功能的系统。美国政府宣布2000年至2006年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，利用C／A码进行单点定位的精度由100米提高到10米，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，这进一步掀起了GPS应用的热潮，刺激GPS技术与科技和生产领域的结合。诞生了大量的GPS的应用成果。如相量测量装置PMU就是利用了GPS来解决了电力系统广域空间同步测量的问题。

随着时代的发展，如今对数据采集在通信，电力和建筑等特殊应用场合又提出了新的要求，希望能够对被测系统不同节点的物理量行同步采样，能够实时获知采样点的精准时刻和地理位置然后将这些信息实时传送到主监控系统，根据采集来的测量信息对系统的状态进行分析，控制及事故预警。

传统的数据采集装置是用晶振产生的时钟频率经分频后提供的采样信号，虽然随着科技水平的提高出现越来越多的高精度的晶体振荡器，采样频率的精度也越来越高，但是在异地同步高精度的测量要求中传统的数据采集方式在理论上已经不再同步了，而且随着时间的推移单一晶振的时钟系统会出现一系列的老化和漂移特性，已经越来越不能满足新时期下同步数据采集的应用。为此，本文探讨了一种采用了GPS这一新型授时方法，充分利用了数字信号处理器TMS320F2812 DSP丰富的片上资源，以GPS秒脉冲为同步时钟信号，结合其片上12位A／D可支持16通道芯片进行采样，并以USB 2．0接口通信方式实现高速、大容量的数据传输，来构建同步数据采集系统以满足多测量场合的应用。

1 GPS授时系统

GPS卫星授时系统主要由空间卫星系统、地面卫星控制部分和用户接收设备组成。其中用户设备就是指GPS接收机。本文所选择的接收机是GARMIN公司的GPS25 OEM板，该OEM板为12通道的GPS接收机，可以同时跟踪其视野范围内内多达12颗GPS卫星，通过接收来自天线单元的信号，并通过变频、放大、滤波等一系列处理对得到的导航电文的解码和处理后，输出间隔是1 s的同步脉冲信号1PPS和的由RS-232标准串口输出串行数据UTC(协调世界时)如图1所示。1PPS秒脉冲前沿与UTC同步误差不超过1μs。

GPS25 OEM串口输出输出信号符合美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式。其输出数据采用的是ASCII码，数据更新时间为1 s，数据格式设置为1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。输出默认波特率为4 800。内容包含纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息，常用语句有6种，包括GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC和GPVTG。本文只考虑其时间、经纬度信息，通常采用GPRMC定位信息来获得所需信息，GPRMC语句如下：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh<CR><LE>
<1>UTC时间，hhmmss(时分秒)格式
<2>定位状态，A=有效定位，V=无效定位
<3>纬度ddmm．mmmm(度分)格式
<4>纬度半球N(北半球)或S(南半球)
<5>经度dddmm．mmmm(度分)格式
<6>经度半球E(东经)或W(西经)
<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(东)或W(西)
<12>模式指示

其中：$为语句起始标志；GPRMC为识别符；逗号为数据区分隔符；*为效验和识别符；hh为效验和；<CR><LF>为语句结束符。

秒脉冲的上升沿对应着一精准的UTC时刻。可以先对GPS接收机的1PPS秒脉冲进行整形，用经过整形信号的上升沿对DSP中断进行控制或触发计数器进行分频处理，同时从RS-232接口传输来的GPRMC语句通过DSP的串口输入可以方便提取到UTC时刻，地理经纬度信息。本文中使用GPS25 OEM板其授时精度优于200ns，定位精度可达5 m以内基本可以满足异地同步数据采集的需求。

2 采集系统的硬件构成

数据采集系统系统采用的核心芯片是美国TI公司生产的TMS320F2812 DSP处理器，它采用改进的哈佛结构，具有独立的数据和地址总线，支持多级流水线操作片上集成了定时器，锁相环，通用I／O接口和串行通信接口等。与单片机相比具有更为强大的数字处理和控制能力特别适合结合GPS接收机实现数据采集。

如图2所示，整个系统主要分为GPS信号接受模块，DSP控制模块，模拟量输入模块，采样脉冲发生模块和数据通信模块。

文中基于GPS的同步数据采集方法基本过程是通过GPS25