Магістр ДонНТУ Медведєв Кирило Володимирович

Медведєв Кирило Володимирович

Факультет комп'ютерних наук і технологій
Кафедра електронних обчислювальних машин
Спеціальність: Комп'ютерні системи та мережі
Тема випускної роботи:
Розробка та дослідження структури навігаційної системи на базі FPGA-технологій Науковий керівник: Зінченко Юрій Євгенович

Реферат

Тема: Розробка та дослідження структури навігаційної системи на базі FPGA-технологій

Автор: Медведєв Кирило Володимирович

Вступ

Сучасні мікроелектронні пристрої у наш час впроваджуються в усі сфери людської діяльності. Мініатюризація, зниження енергоспоживання і здешевлення виробів роблять їх доступними для масового використання. Те, що зовсім недавно було або занадто великим або дорогим, або зовсім неможливим, зараз поміщається в "кишені" разом з джерелом живлення і продається в супермаркеті [3].
Навігаційна індустрія також не залишилася на узбіччі прогресу. Довгий час цивільні особи мали доступ тільки до одного сигналу глобальної навігаційної супутникової системи (GNSS) [4]. У найближчі кілька років, спостерігається стійка тенденція збільшення кількості таких сигналів. "Мисливців за чужим багатством" завжди було предостатньо. Навігаційні засоби легко можуть виконати роль систем охорони і сигналізації, тому будуть необхідні для забезпечення безпеки конкретного об'єкта і будь-якого жителя планети. У той же час не слід забувати, що професійні шахраї зазвичай знають, як нейтралізувати системи охорони промислового виробництва і тільки невідомі пристрої можуть стати перешкодою на їхньому шляху.
Для розробки навігаційної системи існують вагомі підстави використовувати технології FPGA, у зв'язку з їх універсальністю і здатністю переконфігурування.

Актуальність

Електроніка в сучасному житті так швидко розвивається і ускладнюється, що без навігаційної системи просто не обійтися. До того ж, використання ПЛІС істотно збільшує перспективність розробки і робить її більш сучасною. Іншим критерієм використання ПЛІС є потреба різко скоротити терміни і витрати на проектування, а також підвищити можливість модифікації та налагодження апаратури.

Мета

Розробка та дослідження структури навігаційної системи, що забезпечує більш високі технічні та економічні характеристики в порівнянні з аналогами.

Задачі

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються наступні задачі:

Розробка структури навігаційної системи рухомого об'єкту на базі FPGA.
Розробка експериментального зразка навігаційної системи на базі FPGA.
Експериментальне дослідження навігаційної системи за техніко-економічними показниками.

Наукова значимість

Наукова цінність даної роботи полягає в розробці системи визначення локальних координат об'єкту, яка правильно визначає місце розташування об'єкта, що рухається, при цьому зберігаючи модульність і гнучкість програмної і, що важливо, апаратної частини.

Практична цінність

Розроблювана система є складовою частиною технологічного комплексу охоронного пристрою, яка передбачає виконання функцій визначення та оповіщення місцезнаходження об'єкта, що рухається, в тому числі - автомобіля.
До переваг цієї розробки слід віднести низьку вартість і відносну компактність пристрою, яка досягається за рахунок використання FPGA-технологій проектування. Останнє забезпечує також високу гнучкість проектування. До переваг проекту слід віднести також практичну спрямованість роботи, використання сучасної елементної бази та FPGA-комплексу для налагодження проекту, наявність виготовленого автором роботи експериментального зразка.

Огляд досліджень по темі в ДонНТУ

Дане дослідження поки не має аналогів в базі даних ДонНТУ. У той же час, у зв'язку з актуальністю навігації, схожі питання розглядали:

Магістр ФКНТ Пасічник Д.А. за темою: "Автоматична система позиціонування рухомої одиниці на залізниці"..
Магістр ФКНТ Просянка Д.В. за темою: "Моделююча система навігаційного тренажера"..
Магістр ФКНТ Паршин О.М. за темою: "Обчислення координат рухомого об'єкта"..
Магістр ФКНТ Порицький А.В. по темі: "Алгоритми генерації траєкторії руху рухомого об'єкта"..
Магістр ГГФ Спіцина Ю.Ю. по темі: "Дослідження структури даних супутникових спостережень і розробка системи їх обробки та урівнювання"..

Огляд досліджень по темі в Україні

Схожі питання розглядали:

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., Бушанська В.В., Ігдалов І.М., Фролов В.П., Попель В.М. на тему: "Визначення координат місцерозташування наземного рухомого об'єкта".
Козелков С.В., Пашков Д.П. за темою: "Космічні навігаційні системи. Аналіз існуючих та перспективи розвитку навігаційних систем в Україні".

Огляд досліджень по темі у світі

Схожі питання розглядали:

Геймур І. на тему: "Нові сімейства GSM/GPRS/EDGE/GPS модулів компанії Siemens, орієнтовані на автомобільне застосування".
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".

Основні результати та об'єкти дослідження

Основними об'єктами дослідження є: GPS-приймач GlobalSat EM401 на базі чіпсета SiRF Star II і мікроконтролер MICROBLAZE, налагоджувальної плати SPARTAN 3E Development KIT фірми XLINX.
При розробці даного програмно-апаратного продукту використовувалися мови програмування високого рівня: С, C+ +, а також інтегрований програмний пакет для наскрізної розробки вбудованих програмованих процесорних систем на базі ПЛІС - Xilinx Embedded Development Kit (EDK).

На даний момент, основний результат даної роботи - програма та алгоритм обробки даних GPS-модуля охоронного пристрою, а також інтерфейсна схема узгодження GPS-приймача з мікроконтролером MICROBLAZE. Були детально вивчені характеристики GPS-модуля, стандартний GPS-протокол NMEA, його основні команди, інтерфейс RS-232, а також datasheet'и елементів інтерфейсної схеми узгодження. Заплановані результати: алгоритм і програма узгодження GPS-модуля з FPGA знаходиться в стадії розробки.
GPS-приймач GlobalSat EM401 є складовою частиною технологічного комплексу охоронного пристрою на базі GSM/GPS/FPGA-технологій, головна особливістю якого полягає в тому, що його управління здійснюється за допомогою мобільного телефону. Далі, формується запит через FPGA-мікроконтроллер, який за допомогою GPS-приймача активує систему визначення локальних координат об'єкту, яка визначає місцерозташування об'єкта, що рухається. У кінцевому підсумку, дані з координатами об'єкта через FPGA-мікроконтроллер передаються по зворотньому ланцюжку і потрапляють на мобільний телефон користувача. Структура роботи даного інформаційно-охоронного комплексу показана на рисунку 1 [1,8,9].

Рисунок 1 - Структурна схема роботи охоронного пристрою на базі GSM/GPS/FPGA 9 кадрів. Затримка: після першого кадру = 3 сек; після інших кадрів = 1 сек. Кількість повторень анімації = 10. Розмір анімації: 700px х 290px. Розмір файлу: 93.2 Kbytes. Створено за допомогою GIF Animator

Опис роботи GPS-приймача GlobalSat EM401

GPS-приймач (рисунок 2) має просте п'яти дротове з'єднання (1 - земля (GND), 2 - живлення (+5 V), 3 - GPS RX введення даних; 4 - GPS TX виведення даних; 5 - земля (Shield, GND)). Він живиться від 5 В, але також може працювати від живлення 3,3 В. Дані з\в пристрій передаються через добре відомий інтерфейс RS-232. EM401 може бути підключений через COM-порт до персонального комп'ютера [2,5].

Рисунок 2 - GlobalSat EM401

Холодний старт пристрою - 18 хвилин. Це той період, коли GPS-модуль не має первинних даних про час і місцерозташування, тому неможливо відразу визначити, який саме з 24 супутників знаходиться в полі видимості. У цьому випадку модуль шукає всі 24 супутники, що в результаті займає деякий час.
Гарячий старт - 5,6 секунд. Модуль зберігає дату, час і інформацію про місцезнаходження у пам'яті. При наступному включенні він використовує цю інформацію для більш швидкого знаходження GPS-супутників. Завдяки вбудованим годинам реального часу (RTC), час визначається правильно [10].
Основа розглянутого GPS-приймача - чіпсет SiRF Star II, розроблений компанією SiRF [11]. Він здатний приймати сигнал в міській або щільній лісистій місцевості, а також підтримує 12 каналів, тобто 12 супутників одночасно. Це більш ніж достатньо, тому що для визначення точного 2-D розташування (широта і довгота) достатньо сигналів від 3 супутників, при наявності 4 супутника, є можливість визначення ще й висоти щодо рівня моря (3-D формат).
GlobalSat EM401 використовує для передачі даних стандартний протокол - NMEA. Формат даних у NMEA - EIA-422A, але в більшості випадків він сумісний з RS-232 при швидкості 4800 біт в секунду, 8 біт даних, без парності і один стоповий біт (8N1). Рядки NMEA 0183 є ASCII кодуванням. Кожний рядок починається з dollarsign ($) і закінчується переведенням каретки linefeed ( ). Дані - розмежовуються коми. Всі коми повинні бути включені, оскільки вони діють як маркери. Контрольна сума додається довільно. Після знака $ йде адресна область формату aaccc. aa це id = GP, який використовується, щоб ідентифікувати дані GPS. Передача id пристрою є зазвичай додатковою [6,7].

Таблиця 1. Формат даних NMEA-рядка

Початок рядка	Ідентифікатор адреси рядка	Пусте поле або поле даних	...	Пусте поле або поле даних	Необов'язкове поле контрольної суми	Кінець рядка
"$" HEX 24	'address field'	[","+'data field']	...	[","+'data field']	["*"+ 'checksum field' ]	'CR''LF' Hex 0D 0A

Використовуваний GPS-модуль EM401 видає в безперервному стані чотири основні вихідні NMEA команди: GGA, GSA, GSV і RMC, в яких містяться ключові дані про місцезнаходження, час, якість даних; відображається режим роботи GPS-приймача; визначається кількість використаних і видимих супутніків, їх номери та параметри, що використовуються при вирішенні навігаційних завдань.
Приклади повідомлень:

$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]

Таким чином, розробка алгоритму обробки даних від GPS-модуля протиугінного пристрою передбачає вилов даних цих команд з послідовного СОМ-порту, їх ідентифікацію, обробку і подальше виділення необхідних складових. Основна складність полягає в тому, що прийом-передача через СОМ-порт вимагають суворого дотримання інтерфейсу RS-232. Безсумнівним плюсом є те, що NMEA-протокол, який використовується приймачем для передачі даних, як раз сумісний з RS-232.
Підсумувавши , алгоритм можна розбити на 2 основних етапи:

Вилов, читання і прийом NMEA-команд з обраного СОМ-порту.
Розбивка NMEA-команд і вибір необхідних даних.

Схема алгоритму обробки даних GPS-модуля протиугінного пристрою показана на рисунку 3.

Рисунок 3 - Схема алгоритму обробки даних GPS-модуля протиугінного пристроя

Побудова інтерфейсної схеми узгодження GPS-приймача GlobalSat EM401 з мікроконтролером MICROBLAZE

Для синхронізації роботи всіх модулів, і програмного управління використовується софтверний мікроконтроллер MICROBLAZE. Мікроконтролер реалізовано програмно на базі FPGA.
Основним способом обміну інформацією між модулями охоронного комплексу є передача через СОМ-порт. Складність полягає в тому, що прийом-передача через нього вимагають суворого дотримання інтерфейсу RS-232, згідно з яким високий рівень сигналу відповідає напрузі +3 .. +15 В, а нижній -3 ..- 15 В. У свою чергу, GPS модуль використовує знижене живлення - 3.3 В., при цьому передача даних здійснюється на низьковольтних рівнях - Low Voltage TTL, рівні сигналу яких не перевищують + -1,5 В. У зв'язку з цим для узгодженості можна використовувати мікросхеми MAX232 або MAX3232, які погоджують рівні напруги до 5 В і 3.3 В відповідно [1].
У даному проекті використання СОМ-порту більш переважно, ніж USB. Це обумовлено, перш за все, тим, що на платі 3E Development KIT є два СОМ-порта для сполучення з іншими пристроями. Другим безсумнівним плюсом є те, що NMEA-протокол, що використовується GPS-приймачем GlobalSat EM401 для передачі даних, сумісний з RS-232.
Основною деталлю інтерфейсної схеми узгодження GPS-приймача GlobalSat EM401 з мікроконтролером MICROBLAZE є мікросхема MAXIM 3232. Це часто вживаний перетворювач рівнів сигналів ТТЛ-КМОП з діапазоном живлячої напруги 3 .. 5,5 В. Вона оснащена фірмовими вихідними каскадами передавачів, що забезпечують мале падіння напруги і повну сумісність з вимогами стандарту RS-232 при напрузі живлення від 3,0 до 5,5 В. Формування вихідного сигналу, при використанні одного позитивного живлення напруги, забезпечується двома вбудованими генераторами накачування, для роботи яких достатньо чотирьох зовнішніх малогабаритних конденсаторів ємністю по 0,1 мкФ. Для MAX3232 гарантується, при забезпеченні вихідних рівнів RS-232, продуктивність до 120 Кбіт / с. Мікросхема містить два приймача і два передавачі [12].
Основні характеристики мікросхеми MAX3232:

мале споживання: 300 мкА;
повну відповідність специфікаціям EIA/TIA-232 до напруги живлення 3В;
гарантована швидкість наростання сигналу:6 В/мкс;
типовий струм ICC: 0,3 мA;
особливість: повна сумісність з RS-232.

Принципова схема підключення GlobalSat EM401 до COM-порту мікроконтролера наведена на рисунку 4 [1].

Рисунок 4 - Принципова схема підключення GPS-модуля до COM-порту
Другим важливим елементом інтерфейсної схеми узгодження є пятівольтовий лінійний стабілізатор напруги LM7805 (вітчизняний аналог - КР142ЕН5А) [13].
Після впаювання всіх елементів у макетну плату була отримана інтерфейсна схеми узгодження GPS-приймача GlobalSat EM401 з мікроконтролером MICROBLAZE, показана на рисунку 5.

Рисунок 5 - Інтерфейсна схема узгодження GPS-приймача GlobalSat EM401 з мікроконтролером MICROBLAZE

Висновок

У ході виконання магістерської роботи була досліджена задача розробки структури навігаційної системи на базі FPGA-технологій, яка передбачає виконання різними пристроями функцій оповіщення місцезнаходження об'єкта.
Робота з апаратурою - дуже складний і трудомісткий процес, що вимагає великих моральних і матеріальних витрат, тому процес налагодження проекту з використанням налагоджувальної плати ще триває.
У найближчій перспективі буде розроблена програма обробки даних з GPS-приймача в мікроконтроллер. На даному етапі ведеться робота зі створення алгоритму і програми узгодження GPS-модуля з FPGA.

Література

1. Грудінін А.А., Похомов А.А., Медведєв К.В., Зінченко О.Ю., Медгаус А.І., Зінченко Ю.Є.; доповідь "Система сигналізації автомобіля на базі GSM/GPS/FPGA технологій "; Інформатика та комп'ютерні Технології - 2010 // Збірка матеріалів шостої міжнародної науково-технічної Конференції студентів, аспірантів та молодих науковців - Донецьк, ДонНТУ - 2010.

2. Керівництво користувача по GPS-приймачу GlobalSat EM-401. // Інтернет-ресурс
http://www.sparkfun.com/datasheets/GPS/EM-401%20User%20Manual.pdf

3. Геймур І.; "Нові сімейства GSM/GPRS/EDGE/GPS модулів компанії Siemens, орієнтовані на автомобільне застосування"; журнал "Бездротові технології" № 2, 2008р. // Інтернет-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; розробник електроніки компанія General Dynamics // Інтернет-ресурс
http://www.dynamics.co.nz/media/V1/indicon2005.pdf

5. Стаття в Wikipedia про RS-232 // Інтернет-ресурс
http://en.wikipedia.org/wiki/RS-232

6. Протокол NMEA і команди управління GPS-приймачами GlobalSat // Інтернет-ресурс
http://fort21.ru/download/protocol_nmea.pdf

7. Довідкове керівництво по NMEA-командам для SiRF-пристроїв // Інтернет-ресурс
http://www.sparkfun.com/datasheets/GPS/NMEA%20Reference%20Manual-Rev2.1-Dec07.pdf

8. Семенов Ю.А.; Бездротові (радіо) канали та мережі // Інтернет-ресурс
http://web.opennet.ru/docs/RUS/inet_book/3/radio_33.html

9. Сайт, присвячений шаблонами з векторної графіки // Інтернет-ресурс
http://www.grafikerler.net/telefon-vektorleri-t51406.html

10. Darius; "Cheap and used Sirf II e LP GPS Module"; блог, присвячений різним проектам в галузі електроніки, проектування, програмного забезпечення. // Інтернет-ресурс
http://www.electronicsblog.net/cheap-and-used-sirf-ii-e-lp-gps-module-from-ebay/

11. Детальний опис архітектури чіпсета SiRFstarII. // Інтернет-ресурс
http://www.hotchips.org/archives/hc11/3_Tue/hc99.s7.3.Turetzky.pdf

12. Документація по мікросхемі MAX3232 // Інтернет-ресурс
http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX3222-MAX3241.pdf

13. Документація по мікросхемі LM7805 // Інтернет-ресурс
http://www.avrlab.com/node/29

14. Опис роботи програми GPSDiag для моніторингу вхідних NMEA GPS-повідомлень з послідовного порту; офіційний сайт розробника // Інтернет-ресурс
http://commlinx.com.au/

15. Опис , принципові схеми, документація охоронних GSM-систем на базі GSM-мереж (для стаціонарного та мобільного розміщення). // Інтернет-ресурс
http://www.wrjob.org.ru/guard.html#

Важливе зауваження

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: листопад 2011 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.