卫星导航旗子暗记采集存储系统的设计_暗记_旗子

（1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004；2.广西精密导航技能与运用重点实验室，广西 桂林541004）

摘 要：为了给卫星导航吸收机的性能研究供应主要的环境数据，设计了一款能够对真实导航卫星的旗子暗记进行采集存储的设备。
该系统以FPGA+ARM作为核心芯片，并集成了射频下变频电路、高速A/D转换电路以及高速数据存储模块。
这些模块构成了一款具有双采样通道、高采样存储速率、强便携性等特点的卫星导航旗子暗记采集存储系统。
在完全的硬件平台上，通过对在轨卫星实际旗子暗记的测试，验证了旗子暗记采集存储系统数据的精确性，达到了预期设计哀求。

中图分类号：TN965.7+4

文献标识码：A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.018

中文引用格式：黄庚，纪元法，孙希延. 卫星导航旗子暗记采集存储系统的设计[J].电子技能运用，2016，42(4)：63-66.

英文引用格式：Huang Geng，Ji Yuanfa，Sun Xiyan. The design of data acquisition system based on the navigation satellite signal[J].Application of Electronic Technique，2016，42(4)：63-66.

0 弁言

卫星导航吸收机的研发须要在真实的旗子暗记环境中进行，然而一些真实环境每每地处偏僻，乃至是条件恶劣，这不仅给研发过程带来更繁芜的操作流程，而且还会加大资金投入。
这导致了一种新需求，即吸收机研发者须要一种新型的仪器设备，能大略高效地采集存储真实环境中的GNSS旗子暗记，并可随时将旗子暗记数据提取出来直策应用，以便进行吸收机的算法研究。

由于须要为软件吸收机供应最原始的不雅观察数据，它的性能直接反响着软件吸收机对原始数据的哀求，以是原始数据的质量至关主要。
目前导航卫星旗子暗记采集存储系统不少基于USB、PCI总线与IDE硬盘等，其采样存储速率越来越难以知足日益增长的高性能吸收机的需求[1]。
PCI Express总线技能及SATA总线技能，与以往的总线技能比较，在数据传输速率和扩展性方面都有了较大的提升，可较好地知足此方面的需求。

1 系统总体架构

本文所设计的卫星导航旗子暗记采集存储系统由射频下变频模块、高速A/D转换模块、FPGA、ARM、SATA硬盘存储掌握模块、SATA硬盘组成。
系统总体架构如图1所示。

射频下变频电路卖力将环境中导航射频旗子暗记 GPS L1频点与BD2 B1频点的旗子暗记同时进行下变频处理，转换成仿照中频旗子暗记同时输出。
高速A/D转换模块有两路，两路A/D模块卖力同步地对两路仿照中频旗子暗记进行量化采样。
在FPGA器件内部完成对A/D采样数据的缓存处理后，通过FPGA内部的PCI Express硬IP核，操控以PCI Express总线为传输掌握接口的SATA硬盘存储掌握模块SiL3132。
SiI3132卖力PCI Express 总线到SATA总线的协议转换。
ARM微掌握器的紧张功能是通过FPGA命令与数据的交互来实现对SATA硬盘的存储。

2 系统紧张硬件电路设计

2.1 射频下变频电路设计

射频前端部分是系统的主要组成部分，本文选用RX3007作为射频下变频芯片。
RX3007是一款北斗2 B1/GPS L1双模双通道射频导航芯片，芯片高度集成化，支持双通道同时事情，具有中频旗子暗记低的特点。
此芯片可以将从天线吸收到的导航射频旗子暗记经由下变频后输出两路仿照中频输出旗子暗记。
默认情形下并行吸收BD2 B1频点和GPS L1频点的射频旗子暗记。
BD2 B1和GPS L1的输出仿照中频旗子暗记频率分别为4.092±2.046 MHz和4.092±1.023 MHz。
图2为射频下变频模块电路事理图。

2.2 A/D转换模块电路设计

模数转换器是决定采集系统性能指标的关键器件之一，对采集数据准确度具有重大影响。
本系统选用AD9233来实现仿照中频旗子暗记的模数转换功能。
AD9233是一款单芯片、量化精度为12位、采样速率高达125 MS/s的模数转换器，片内集成基准电压源和采样保持放大器，具有出色的性能[2]。
此模块的紧张功能是对前端仿照中频旗子暗记进行采样与模数转换，并将采样数据传送给后端FPGA。
考虑到前端仿照中频旗子暗记低中频的特点和后端存储数据吞吐速率的限定，将A/D采样频率设置为39 MS/s，足够知足系统功能与性能指标。
图3为A/D转换模块电路事理图。

2.3 硬盘存储掌握模块设计

本系统的存储掌握核心芯片采取Silicon Image 公司生产的SiI3132，它是一款单PCI Express通道转换至双SATA端口的主机掌握器。
片内高度集成了SATA2.0传输层、链路层和物理层掌握逻辑，供应了PCI Express总线到SATA设备的单芯片完全办理方案。
SiI3132支持完全的SATA2.0的接口规范，包括支持传输速率高至3.0 Gb/s、硬盘NCQ功能和热插拔功能等。
其PCI Express总线接口支持PCI Express 1.1标准规范，通道为x1，其数据传输速率为250 MB/s[3]。
硬盘存储掌握模块事理图如图4所示。

3 系统关键程序设计

3.1 PCI Express硬核配置

本系统的FPGA器件选用Altera公司生产的Cyclone IV GX系列芯片EP4CGX150。
该FPGA内含多达8个3.125 Gb/s速率的全双工高速收发器，并供应资源占用较少的PCI Express 1.1硬核IP，以实现PCI Express 1.1规范所需的2.5 Gb/s速率、8B/10B编解码器和PCI Express分层协议栈，并支持x1、x2、x4通道模式，是一个完全的PCI Express协议办理方案[4]。

本设计PCI Express的IP硬核是利用Quartus II的宏功能模块完成硬核详细参数的配置。
在Quartus II 15.0工程内，点击Tools菜单下面IP Catalog，选择 IP Compiler for PCI Express v15.0。
硬核配置界面如图5所示。
设计选择硬IP核心，选择通道数为x1，参考时钟选择100 MHz，运用时钟频率设置为125 MHz，端口类型为根端口。
点击Next可对配置空间、容量、缓存和电源管理进行一系列的设置，本设计利用默认设置。
末了点击Finish即可天生PCI Express硬核文件。

3.2 硬盘存储驱动程序设计

ARM微掌握器在存储进程中作为主掌握器。
ARM微掌握器选用意法半导体公司生产的STM32F429芯片。
FPGA与SiI3132通过PCI Express接口直接相连，因此ARM对SiI3132的掌握是通过向FPGA下发各种掌握命令的办法，间接实现对SiI3132内部寄存器与内部命令RAM的访问，从而实现对硬盘的读写掌握。
对SiI3132而言，ARM+FPGA系统被看作是主机。

SiI3132存储掌握掌握器紧张由两个子模块构成：PCI Express逻辑模块、SATA端口逻辑模块。
在PCI Express逻辑模块中，其配置寄存器和全局寄存器均位于PCI配置空间中，可以按PCI干系协议规范对其进行通用访问。
SATA逻辑块有两个，其功能完备相同，紧张卖力与SATA设备通信。
芯片内部PCI Express总线与SATA总线共享数据通路，而协议的实行与数据的搬运则由读取命令状态机和实行命令状态机来操控。
这两个状态机各有干系的命令FIFO，每个命令FIFO有31个命令槽。
一个命令霸占128 B，这个中包括一个64 B的PRB（The Port Request Block，端口要求块）和一个64 B的SGT（The Scatter/Gather Table，分散/集中表）。

PRB的数据构造包括四个部分：(1)掌握字段，表明PRB的类型。
根据PRB类型字段的不同，PRB有各种命令形式：标准ATA 命令、PACKET命令、软复位命令等。
(2)协议覆盖重写字段，用于选择性地改变正常SATA协议流程。
(3)FIS 区域，包含在PRB实行时，被发送到设备的初始化FIS（Frame Information Structure，帧信息构造体）。
(4)SGE（The Scatter/Gather Entry，分散/集中条款），定义了被传输数据的地址。
即在存储过程中，主机只需将采集数据的缓存地址填入SGE条款中，当数据传输命令实行时，数据总线会将对应数据传送到SATA硬盘设备中。
一个SGT中包含4个SGE条款，因此一个完全的PRB命令一共包含6个SGE条款[5]。
完全PRB数据构造如表1所示。

SATA硬盘存储驱动程序中，写硬盘程序流程图如图6所示。
主机将连续的命令流写入到命令FIFO中，命令槽中的命令则依次被取出来并实行。
主机通过访问PCI配置空间中基地址寄存器1来访问命令FIFO。

主机创建包含相应SATA命令的PRB，并将其写入SiI3132。
SiI3132根据PRB天生相应的FIS，FIS是与SATA设备完成数据传输与协议交互的基本单元[6]。
当SATA命令实行完成后，主机根据所得到相应命令的完成状态进行后续处理。

4 测试结果

系统设计完成后，通过多次实验对系统的实际功能进行测试。
测试利用固态硬盘作为存储设备，采集存储工具为真实卫星导航旗子暗记。
存储完毕后将硬盘接到电脑上，对采集的数据运行MATLAB软件吸收机进行剖析。
从旗子暗记频谱、捕获效果和末了的跟踪定位出发，对采集数据的准确性进行评估。
图7为对采集存储的个中一起GPS L1频点中频旗子暗记的一系列剖析结果。

由图7的剖析结果可知，GPS L1中频旗子暗记的中央频点为4.092 MHz旁边，且旗子暗记带宽为2.046 MHz旁边。
可以成功捕获到6颗GPS卫星，卫星序号为2、5、12、15、26、29，并成功实现定位。
这表明本采集存储系统在一定程度上准确采集并精确存储了该卫星导航频点的中频旗子暗记，达到系统设计目标。

5 结束语

为了知足目前卫星导航吸收机研究过程中对真实环境原始数据的需求，本文提出了一种卫星导航旗子暗记采集存储系统，并对系统实际功能进行了测试。
测试结果表明，系统可以准确采集并存储导航卫星中频旗子暗记。
此外，仪器设备也可运用于GNSS旗子暗记仿照器与GNSS在轨卫星的旗子暗记剖析研究中，具有广阔的运用前景。

参考文献

[1] 李豹，曹可劲，许江宁，等．基于FPGA和USB接口的多通道导航旗子暗记采集系统设计[J].打算机丈量与掌握，2012(2)：541-543．

[2] Silicon Image.SiI3132 PCI express to serial ATA controller data sheet[EB/OL].(2010-05-07)[2013-03-25].http：//wenku.baidu.com/link?url=UlR-pZJUZpjJjACqE-J36abR_7cWzJTMx2Z7tXczxYQ1g8Ge3As-Bmgx_fqr550L63OKqUuf6-t3gZrWesPF-rHabwHKVQCeRCMXNHvXQ0Th_G.

[3] 胡惠．多通道超高速数据采集与记录系统的设计与实现[D]．南京：南京理工大学，2010.

[4] 李小龙，孟李林，邵瑞瑞，等．基于FPGA的PCI Express运用平台设计[J].电子科技，2014(12)：108-111．

[5] 张辉，陈昕，沈晶晶，等．大容量机载存储系统设计与仿真评价[J].电光与掌握，2014(5)：104-108．

[6] 张天文．基于SATA 2.0接口的固态硬盘掌握器的设计与实现[D]．太原：中北大学，2015.