基于FPGA的WEBGIS数据采集器设计

摘要

论文论述了基于FPGA环境数据采集器的设计,实现了GPS定位数据采集、环境信息数据采集与无线网络发送功能,为WEBGIS数据库提供基础环境数据。在课题实现过程中,硬件方面为FPGA及外围设备设计了多种电源电路、接口电路;软件方面使用VHDL语言编程,实现各模块的功能,并以相应的仿真验证正确性。GPS定位数据类型为异步串行的ASCII码,数据内容包括了时间、经度、纬度、高度、卫星数、速度等信息,使用VHDL语言设计串并转换模块对数据进行选择性接收并将采集到的数据储存于RAM中,等待发送。环境信息采集器件使用了DS18B20数字温度传感器、HIH-4000-003湿度传感器、光敏电阻、气敏电阻与ADC0809分别采集了温度、湿度、光照、气体浓度等数据。无线网络发送部分由两个模块组成,分别为AT指令发送模块与并串转换模块。AT指令发送模块用来发送AT指令,该指令数据类型为并行的ASCII码需要通过并串转换模块转换为异步串行数据,然后将转换后的数据传输至SIM300器件,用来控制数据发送。软件设计采用自顶向下的设计理念,并将系统按照功能划分为若干模块,各模块的功能在QuartusII软件开发环境下使用VHDL语言实现。编译后的目标文件通过JTAG下载到FPGA芯片中运行。硬件设计围绕FPGA,设计了原理图并制作了相应的PCB版图,为之后进一步开发多媒体数据采集提供了硬件平台。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.1.1 GIS 地理信息系统

1.1.2 WEBGIS 网络地理信息系统

1.2 课题研究的国内外现状

1.2.1 数据采集技术的发展

1.2.2 FPGA 的发展

1.2.3 GPRS/GPS 在车载系统上的应用

1.3 课题研究的工作

1.4 论文结构

第二章 WEBGIS 简介

2.1 WEBGIS 发展现状

2.2 WEBGIS 的结构体系

第三章 数据采集器的结构设计与功能

3.1 数据采集器的结构设计

3.2 数据采集器的各模块选型与功能

3.2.1 定位模块

3.2.2 通信模块

3.2.3 FPGA 芯片

3.2.4 温度采集器件

3.2.5 湿度采集器件

3.2.6 气体采集器件

第四章 GPS 定位模块

4.1 GPS 定位系统

4.2 NMEA-0183 协议

4.2.1 NMEA 协议语句的含义

4.2.2 GPRMC 语句的格式

4.2.3 GPRMC 语句的校验

4.3 GPS 的硬件连接

4.4 实验测量

4.4.1 异步串行通信

4.4.2 计算机对GPS 的数据接受

4.4.3 FPGA 对GPS 数据的接收

第五章 数据采集功能设计

5.1 DS18B20 数字温度传感器

5.1.1 DS18B20 的读写方式

5.1.2 DS18B20 的硬件连接

5.1.3 控制DS18B20 进行温度测量

5.1.4 软件程序流程

5.1.5 控制温度

5.1.6 仿真与实验结果

5.2 湿度数据测量

5.2.1 霍尼韦尔湿度传感器

5.2.2 模数转换器件

5.2.3 模数转换控制

5.2.4 数码管显示

5.3 光照传感器

5.3.1 光通量

5.3.2 光照信息采集

5.3.3 光照等级

5.3.4 光照测量

5.4 气体传感器

5.4.1 气体传感器原理

5.4.2 MQ-7 型气敏元件

5.5 实验数据储存

第六章 无线通讯模块

6.1 GPRS 的原理及背景

6.2 AT 指令

6.3 硬件设计

6.3.1 SIM300 供电模块

6.3.2 SIM300 连接图

6.3.3 网络状态指示灯

6.4 无线数据传输的实现

6.4.1 AT 指令登陆GPRS 网络

6.4.2 AT 指令发送GSM 短信

6.4.3 计算机发送AT 指令

6.4.4 FPGA 发送AT 指令

6.5 异步通讯模块

6.5.1 波特率发生器

6.5.2 发送器状态机

6.5.3 接收器状态机

6.6 电压转换

6.6.1 MAX3238 电压转换芯片

6.6.2 串行通讯接口

第七章 FPGA 设计

7.1 VHDL 程序设计

7.2 FPGA 硬件系统设计

第八章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介

附录一 原理图

附录二 PCB 图

附录三 顶层文件VHDL程序