Медведев Кирилл Владимирович

Факультет компьютерных наук и технологий
Кафедра электронных вычислительных машин
Специальность: Компьютерные системы и сети
Тема выпускной работы:
Разработка и исследование структуры навигационной системы на базе FPGA-технологий Научный руководитель: Зинченко Юрий Евгеньевич

Реферат

Тема: Разработка и исследование структуры навигационной системы на базе FPGA-технологий

Автор: Медведев Кирилл Владимирович

Введение

Современные микроэлектронные устройства в наше время внедряются во все сферы человеческой деятельности. Миниатюризация, снижение энергопотребления и удешевление изделий делают их доступными для массового использования. То, что совсем недавно было либо слишком большим или дорогим, либо вовсе невозможным, сейчас помещается в "кармане" вместе с источником питания и продается в супермаркете [3].
Навигационная индустрия также не осталась на обочине прогресса. Долгое время гражданские лица имели доступ только к одному сигналу глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) [4]. В ближайшие несколько лет, наблюдается устойчивая тенденция увеличения количества таких сигналов. "Охотников за чужим богатством" всегда было предостаточно. Навигационные средства легко могут исполнить роль систем охраны и сигнализации, поэтому будут необходимы для обеспечения безопасности конкретного объекта и любого жителя планеты. В тоже время не следует забывать, что профессиональные мошенники обычно знают, как нейтрализовать системы охраны промышленного производства и только неизвестные устройства могут стать препятствием на их пути.
Для разработки навигационной системы существуют веские основания использовать технологии FPGA, в связи с их универсальностью и простой переконфигурирования.

Актуальность

Электроника в современной жизни так быстро развивается и усложняется, что без навигационной системы просто не обойтись. Вдобавок, использование ПЛИС существенно увеличивает перспективность разработки и делает ее более современной. Другим критерием использования ПЛИС является потребность резко сократить сроки и затраты на проектирование, а также повысить возможность модификации и отладки аппаратуры.

Цель

Разработка и исследование структуры навигационной системы, обеспечивающей более высокие технические и экономические характеристики по сравнению с аналогами.

Задачи

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• Разработка структуры навигационной системы движущегося объекта на базе FPGA.
• Разработка экспериментального образца навигационной системы на базе FPGA.
• Экспериментальное исследование навигационной системы по технико-экономическим показателям.

Научная значимость

На защиту планируется выносить новую структуру навигационной системы на базе FPGA, отличающуюся от аналогов по техническим и экономическим характеристикам, а также результаты исследования данной структуры.

Практическая ценность

Разрабатываемая система является составной частью технологического комплекса охранного устройства, которая предполагает выполнение функций определения и оповещения местонахождения движущегося объекта, в том числе – автомобиля.
К преимуществам данной разработки следует отнести низкую стоимость и относительную компактность устройства, которая достигается за счет использования FPGA-технологий проектирования. Последнее обеспечивает также высокую гибкость проектирования. К преимуществам проекта следует отнести также практическую направленность работы, использование современной элементной базы и FPGA- комплекса для отладки проекта, наличие изготовленного автором работы экспериментального образца.

Обзор исследований по теме в ДонНТУ

Данное исследование пока не имеет аналогов в базе данных ДонНТУ. В тоже время, в связи с актуальностью навигации, похожие вопросы рассматривали:

• Магистр ФКНТ Пасечник Д.А. по теме: "Автоматическая система определения местоположения подвижной единицы на железной дороге".
• Магистр ФКНТ Просянко Д.В. по теме: "Моделирующая система навигационного тренажера".
• Магистр ФКНТ Паршин А.Н. по теме: "Вычисление координат подвижного объекта".
• Магистр ФКНТ Порицкий А.В. по теме: "Алгоритмы генерации траектории движения подвижного объекта".
• Магистр ГГФ Спицина Ю.Ю. по теме: "Исследование структуры данных спутниковых наблюдений и разработка системы их обработки и уравнивания".

Обзор исследований по теме в Украине

Похожие вопросы рассматривали:

• Зеленьова І.Я., Лаврик А.С., Пасічник Д.О. за темою: "Застосування ПЛІС при розробці бортової навігаційної системи локомотива".
• Бондарук А.Б., Глухов В.С., Євтушенко К.С., Оліярник Б.О. за темою: "Гарантоздатна інтегрована система навігації рухомих наземних об’єктів".
• Овсяникова Т.В., Бушанская В.В., Игдалов И.М., Фролов В.П., Попель В.М. на тему: "Определение координат местоположения наземного подвижного объекта".
• Козелков С.В., Пашков Д.П. за темою: "Космічні навігаційні системи. Аналіз існуючих та перспективи розвитку навігаційних систем в Україні".

Обзор исследований по теме в мире

Похожие вопросы рассматривали:

• Геймур И. на тему: "Новые семейства GSM/GPRS/EDGE/GPS модулей компании Siemens, ориентированные на автомобильное применение".
• Dempster A.G., Parkinson K.J., Engel F., Mumford P., Rizos С. на тему: "The UNSW/NICTA FPGA-based GPS Receiver: A Tool for GNSS Research".
• Parkinson K.J., Dempster A.G., Mumford P., Rizo С. на тему: "FPGA based GPS receiver design considerations".
• Adam M. Shapiro на тему: "FPGA-based real-time GPS receiver".
• Antonio Roldao Lopes на тему: "Adapting a Generic System-on-Chip into a Global Navigation Satellite System receiver".

Основные результаты и объекты исследования

Основными объектами исследования являются: GPS–приемник GlobalSat EM401 на базе чипсета SiRF Star II и микроконтроллер MICROBLAZE, отладочной платы SPARTAN 3E Development KIT фирмы XLINX.
При разработке данного программно-аппаратного продукта использовались языки программирования высокого уровня: С, C++, а также интегрированный программный пакет для сквозной разработки встраиваемых программируемых процессорных систем на базе ПЛИС - Xilinx Embedded Development Kit (EDK).
На данный момент, основной результат данной работы - программа и алгоритм обработки данных GPS-модуля охранного устройства, а также интерфейсная схема согласования GPS-приемника с микроконтроллером MICROBLAZE. Были детально изучены характеристики GPS-модуля, стандартный GPS-протокол NMEA, его основные команды, интерфейс RS-232, а также datasheet’ы элементов интерфейсной схемы согласования. Планируемые результаты: алгоритм и программа согласования GPS-модуля с FPGA находится в стадии разработки.
GPS–приемник GlobalSat EM401 является составной частью технологического комплекса охранного устройства на базе GSM/GPS/FPGA–технологий, главная особенностью которого состоит в том, что его управление осуществляется при помощи мобильного телефона. Далее, формируется запрос через FPGA-микроконтроллер, который с помощью GPS-приемника активирует систему определения локальных координат объекта, определяющую местоположение движущегося объекта. В конечном итоге, данные с координатами объекта через FPGA-микроконтроллер передаются по обратной цепочке и попадают на мобильный телефон пользователя. Структура работы данного информационно-охранного комплекса показана на рисунке 1 [1,8,9].

Рисунок 1 - Структурная схема работы охранного устройства на базе GSM/GPS/FPGA

Описание работы GPS–приемника GlobalSat EM401

GPS–приемник (рисунок 2) имеет простое пяти проводное соединение (1 – земля (GND); 2 - питание (+5V); 3 - GPS RX ввод данных; 4 - GPS TX вывод данных; 5 - земля (Shield, GND)). Он питается от 5 В, но также может работать от питания 3,3 В. Данные из\в устройство передаются через хорошо известный интерфейс RS-232. EM401 может быть подключен через COM-порт к персональному компьютеру [2,5].

Рисунок 2 - GlobalSat EM401

• $GPGGA, 161229.487,3723.2475,N, 12158.3416,W, 1,07,1.0,9.0,M, ,M,0000*18
• $GPGSA, A,3,07,02,26,27,09,04,15,,,,,,1.8,1.0,1.5*33
• $GPGSV, 2,1,07,07,79,048,42,02,51,062,43,26,36,256,42,27,27,138,42*71
• $GPRMC, 161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,,*10 [7]

• Вылов, чтение и прием NMEA-команд из выбранного СОМ-порта.
• Разбивка NMEA-команд и выбор необходимых данных.

Рисунок 3 - Схема алгоритма обработки данных GPS-модуля

Построение интерфейсной схемы согласования GPS-приемника GlobalSat EM401 с микроконтроллером MICROBLAZE

Для синхронизации работы всех модулей, и программного управления используется софтверный микроконтроллер MICROBLAZE. Микроконтроллер реализован программно на базе FPGA.
Основным способом обмена информацией между модулями охранного комплекса является передача через СОМ-порт. Сложность заключается в том, что прием-передача через него требуют строгого соблюдения интерфейса RS-232, согласно которому высокий уровень сигнала соответствует напряжению +3..+15 В, а нижний -3..-15 В. В свою очередь, GPS модуль использует пониженное питание – 3.3 В., при этом передача данных осуществляется на низковольтных уровнях – Low Voltage TTL, уровни сигнала которых не превышают +-1,5 В. В связи с этим для согласованности можно использовать микросхемы MAX232 или MAX3232, которые согласовывают уровни напряжения до 5 В и 3.3 В соответственно [1].
В данном проекте использование СОМ-порта более предпочтительно, чем USB. Это обусловлено, прежде всего, тем, что на плате 3E Development KIT есть два СОМ-порта для сопряжения с другими устройствами. Вторым несомненным плюсом является то, что NMEA-протокол, использующийся GPS-приемником GlobalSat EM401 для передачи данных, совместим с RS-232.
Основной деталью интерфейсной схемы согласования GPS-приемника GlobalSat EM401 с микроконтроллером MICROBLAZE является микросхема MAXIM 3232. Это часто применяемый преобразователь уровней сигналов ТТЛ-КМОП с диапазоном питающих напряжений 3..5,5В. Она оснащена фирменными выходными каскадами передатчиков, обеспечивающими малое падение напряжения и полную совместимость с требованиями стандарта RS-232 при напряжении питания от 3,0 до 5,5 В. Формирование выходного сигнала, при использовании одного положительного напряжения питания, обеспечивается двумя встроенными генераторами накачки, для работы которых достаточно четырех внешних малогабаритных конденсаторов емкостью по 0,1 мкФ. Для MAX3232 гарантируется, при обеспечении выходных уровней RS-232, производительность до 120 Кбит/с. Микросхема содержит два приемника и два передатчика [12].
Основные характеристики микросхемы MAX3232:

• малое потребление: 300 мкА;
• полное соответствие спецификациям EIA/TIA-232 до напряжения питания 3В;
• гарантированная скорость нарастания сигнала: 6 В/мкс;
• типовой ток ICC: 0,3 мA;
• особенность: полная совместимость с RS-232.

Рисунок 4 - Принципиальная схема подключения GPS-модуля к COM-порту

Рисунок 5 - Интерфейсная схема согласования

Заключение

В ходе выполнения магистерской работы была исследована задача разработки структуры навигационной системы на базе FPGA-технологий, которая предполагает выполнение различными устройствами функций оповещения местонахождения объекта.
Работа с аппаратурой - очень сложный и трудоемкий процесс, требующий больших моральных и материальных затрат, поэтому процесс отладки проекта с использованием отладочной платы еще продолжается.
В ближайшей перспективе будет разработана программа обработки данных с GPS-приемника в микроконтроллер. На данном этапе ведется работа по созданию алгоритма и программы согласования GPS-модуля с FPGA.

Литература

1. Грудинин А.А., Похомов А.А., Медведев К.В., Зинченко Е.Ю., Медгаус А.И., Зинченко Ю.Е.; доклад “Система сигнализации автомобиля на базе GSM/GPS/FPGA технологий”; Інформатика та комп'ютерні технології — 2010 // Збірка матеріалів шостої міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих науковців — Донецьк, ДонНТУ — 2010.

2. Руководство пользователя по GPS-приемнику GlobalSat EM-401. // Интернет-ресурс
http://www.sparkfun.com/datasheets/GPS/EM-401%20User%20Manual.pdf

3.Геймур И.; “Новые семейства GSM/GPRS/EDGE/GPS модулей компании Siemens, ориентированные на автомобильное применение”; журнал "Беспроводные технологии" №2, 2008г. // Интернет-ресурс
http://www.wireless-e.ru/articles/modules/2008_2_14.php

4.Dempster A.G., Parkinson K.J., Engel F., Mumford P., Rizos С.; The UNSW/NICTA FPGA-based GPS Receiver: A Tool for GNSS Research; разработчик электроники компания General Dynamics // Интернет-ресурс
http://www.dynamics.co.nz/media/V1/indicon2005.pdf

5. Статья в Wikipedia о RS-232 // Интернет-ресурс
http://en.wikipedia.org/wiki/RS-232

6. Протокол NMEA и команды управления GPS-приемниками GlobalSat // Интернет-ресурс
http://fort21.ru/download/protocol_nmea.pdf

7. Cправочное руководство по NMEA-командам для SiRF-устройств// Интернет-ресурс
http://www.sparkfun.com/datasheets/GPS/NMEA%20Reference%20Manual-Rev2.1-Dec07.pdf

8. Семенов Ю.А.; Беспроводные (радио) каналы и сети // Интернет-ресурс
http://web.opennet.ru/docs/RUS/inet_book/3/radio_33.html

9. Сайт, посвященный шаблонам по векторной графике // Интернет-ресурс
http://www.grafikerler.net/telefon-vektorleri-t51406.html

10. Darius; "Cheap and used Sirf II e LP GPS Module"; блог, посвященный различным проектам в области электроники, проектирования, программного обеспечения.
http://www.electronicsblog.net/cheap-and-used-sirf-ii-e-lp-gps-module-from-ebay/

11. Подробное описание архитектуры чипсета SiRFstarII. // Интернет-ресурс
http://www.hotchips.org/archives/hc11/3_Tue/hc99.s7.3.Turetzky.pdf

12. Документация по микросхеме MAX3232 // Интернет-ресурс
http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX3222-MAX3241.pdf

13. Документация по микросхеме LM7805 // Интернет-ресурс
http://www.avrlab.com/node/29

14. Описание работы программы GPSDiag для мониторинга входящих NMEA GPS-сообщений из последовательного порта; официальный сайт разработчика // Интернет-ресурс
http://commlinx.com.au/

15. Описание, принципиальные схемы, документация охранных GSM-систем на базе GSM-сетей (для стационарного и мобильного размещения). // Интернет-ресурс
http://www.wrjob.org.ru/guard.html#

Важное замечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: ноябрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.