嵌入式开发之路

🛰️ 北斗 GPS 实验：接收卫星定位数据

Properties2
description用 ATK-MO1218 北斗 GPS 模块通过 UART 向 FPGA 发送 NMEA 报文，解析 GGA 语句并把经纬度、时间显示在 VGA 上。
tags移远fpga竞赛安路, 官方demo实验

28分钟阅读

这一篇在干嘛？

这一次把接收器搬到了天上——用一块 ATK-MO1218 北斗/GPS 模块接收卫星定位数据，FPGA 通过串口收下 NMEA 报文，解析出 GGA 语句里的时间、经纬度和海拔，最终把这些信息以字符形式显示在 VGA 屏幕上。实验打通了「传感器 → UART → 协议解析 → 字符显示」的完整链路，是官方 DEMO 中软硬件结合最典型的一篇。

实验目标与器件

设计需求

1.1 GPS 模块定位数据；

1.2 使用 HX4S20 接收 GPS 定位到的数据，并在 VGA 上进行显示。

器件选用：ATK-MO1218 模块

本实验选用 ATK-MO1218 模块。它同时兼容北斗和 GPS 卫星系统，无论定位到哪种卫星，输出都遵循统一的 NMEA-0183 报文协议，所以 FPGA 端解析逻辑不需要区分卫星来源。其基本参数如下：

项目说明
通讯接口UART
通讯波特率4800bps、9600bps、19200bps、38400bps(默认)、7600bps、115200bps、230400bps
接收特性167通道,支持QZSS、WAAS、MSAS、EGNOS、GAGAN
定位精度2.5mCEP(SBAS:2.0mCEP)
更新速率1Hz、2Hz、4Hz、5Hz、8Hz、10Hz、20Hz
捕获时间冷启动:29S(最快)温启动:27S热启动:1S
冷启动灵敏度-148dBm
捕获追踪灵敏度-165dBm
通讯协议NMEA-0183 V3.01SkyTraq binary
工作温度-40°C~85°C
模块尺寸25mm*27mm

电气参数：

项目说明
电源电压DC3.3V~5.0V
IO口电平3.3V、5V
功耗45mA

模块实物图：

引脚说明

序号名称说明
1VCC电源(3.3V~5V)
2GND电源地
3TXD模块串口发送引脚(TTL电平,不能直接接RS232电平!),可接单片机的RXD
4RXD模块串口接收引脚(TTL电平,不能直接接RS232电平!),可接单片机的TXD
5PPS时钟脉冲输出引脚

PPS 引脚说明：PPS 时钟脉冲输出引脚同时连接到了模块的板载 PPS 指示 LED 上，该引脚是模块板载模组 S1216F8-BD 端口 1PPS 的引脚，该引脚的输出特性可通过程序进行设定。模块板载 PPS 指示 LED（即模块 PPS 时钟脉冲输出引脚）在没有经过程序特殊设定的默认情况下，有两种状态：

(1) 常亮，此时模块已经开始工作，但还未实现定位。

(2) 闪烁（100 毫秒灭，900 毫秒亮），此时表示模块已成功定位。

用 PPS 灯判断定位状态

调试时最先看的不是屏幕，而是模块上的 PPS 指示灯：常亮 = 在工作但没定位到，1 秒周期闪烁 = 定位成功。天线要放到窗外或开阔处，室内定位可能要等几分钟甚至失败。

2.2 FPGA 芯片：核心 FPGA 采用 Intel 公司的 Cyclone 10 系列，型号为 10CL006YU256C8G，FBGA 封装，6772 个逻辑宏单元，2 个锁相环输入脚，256 个引脚的最大可用脚 176 个。

协议：NMEA 与 GGA 语句

3.1 接收协议：UART

3.2 GPS 数据报文协议：本实验主要识别 GPS 模块输出的 GGA 协议，无论定位到何种卫星都识别以下的协议。

GGA 语句格式

GGA 语句主要包含时间、位置和定位的相关信息，其帧格式如下所示：

$—GGA,hhmmss.ss,lllll,a,yyyyy.yyy,a,x,uu,v.v,w.w,M,x.x,M,,zzzz*hh

各字段的描述如下表所示：

字段名称描述
hhmmss.ssUTC 时间定位时的 UTC 时间,格式为 hhmmss.ss,范围为 000000.000~235959.999
llll.lll纬度维度,格式为 ddmm.mmmm,高位用 0 填充
A指示南、北纬“N”:北纬 “S”:南纬
yyyy.yyy经度经度,格式为 dddmm.mmmm,高位用 0 填充
A指示东、西经“E”:东经 “W”:西经
x指示 GPS 质量0:未定位 1:已定位,SPS 模式 2:已定位,差分模式
uu卫星数量用于定位的卫星数量,范围为 00~24
v.vHDOP水平精度因子,范围为 00.0~99.9
w.w海拔高度海拔高度,范围为-9999.99~17999.9,单位为米
x.x大地水准面高度单位为米
zzzzDGPS 站 ID差分站 ID,范围为 0000~1023(未使用 DGPS 时为 0000)
hh校验和

记住字段顺序（以逗号分隔的域编号）是后面写解析逻辑的关键：域 1 是 UTC 时间，域 2/3 是纬度与南北纬，域 4/5 是经度与东西经，域 9 是海拔。

FPGA 模块设计

PLL 模块

4.1.1 系统输入时钟 50M

4.1.2 模块输出时钟：

  • 50M：UART 接收模块；
  • 25M：字符显示模块、VGA 显示模块。

接收模块：UART 原理

参数设定：

1）系统时钟频率：50000000HZ

2）串口波特率：115200

4.2.2 UART 协议原理：UART 在发送或接收过程中的一帧数据由 4 部分组成——起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。

起始位：当不传输数据时，UART 数据传输线通常保持高电平。若要开始数据传输，发送 UART 会将传输线从高电平拉到低电平并保持 1 个波特率周期。当接收 UART 检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。

//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200 ; //串口波特率

数据帧：数据帧包含所传输的实际数据。

停止位：为了表示数据包结束，发送 UART 将数据传输线从低电平驱动到高电平并保持 1 到 2 位时间。

接收模块设计思路

如果使用 115200 的波特率，其串口的比特率为 115200Bps×1bit = 115200bps。由计算得串口发送或者接收 1bit 数据的时间为一个波特，即 1/115200s。如果用 50MHz（周期为 20ns）的系统时钟来计数，需要计数的个数为 cnt = (1s×10^9)ns/115200bit)ns/20ns ≈ 434 个系统时钟周期，即每位数据之间的间隔要在 50MHz 的时钟频率下计数 434 次，这样我们就需要一个至少为 9 位的波特率计数器来计数，这里设为 16 位是为了其他波特率的使用。串口是串行发送的，而我们的输出数据是并行输出的，所以还需要一个 4 位的接收数据计数器。我们在系统时钟计数器计数到一半时去采集数据，这时候的数据采集是最正确的。我们将进来的串口接收数据打拍，从而消除亚稳态。当检测到串口接收数据的下降沿时，表示接收过程的开始，即 start_flag 信号拉高，此时系统时钟计数器（clk_cnt）开始计数。当系统时钟计数器记到最大值（433）时接收数据计数器（rx_cnt）开始计数，当接收数据计数器大于等于 1 后，计数器每计数一次，将打拍后的数据 uart_rxd_d2 寄存在 rxdata 中。当接收数据计数器记到 9 时，把 rxdata 寄存的数据 rxdata 给到输出端口 uart_data，同时拉高接收完成标志信号 uart_done。这里为什么要记到 9 了，因为我们本次的传输协议是 1bit 起始位，8bit 数据位，1bit 停止位，总共 10bit，而 0~9 总共是计了 10 个数。

module uart_rx(
    input clk, //系统时钟
    input rst_n, //系统复位，低有效
    input uart_rxd, //UART 接收端口
    output reg uart_rx_done, //UART 接收完成信号
    output reg [7:0] uart_rx_data //UART 接收到的数据
);

localparam BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数 BPS_CNT 次

//reg define
reg    uart_rxd_d0;
reg    uart_rxd_d1;
reg    uart_rxd_d2;
reg    rx_flag    ; //接收过程标志信号
reg [3:0] rx_cnt    ; //接收数据计数器
reg [15:0] baud_cnt    ; //波特率计数器
reg [7:0] rx_data_t    ; //接收数据寄存器
//wire define
wire    start_en;
 
//******************************************************************************************
/**    main code
//***(*)  
//捕获接收端口下降沿(起始位)，得到一个时钟周期的脉冲信号  
assign start_en = uart_rxd_d2 & (~uart_rxd_d1) & (~rx_flag);  
//针对异步信号的同步处理  
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin  
    if(!rst_n) begin  
    uart_rxd_d0 <= 1'b0;  
    uart_rxd_d1 <= 1'b0;  
    uart_rxd_d2 <= 1'b0;  
    end  
    else begin  
    uart_rxd_d0 <= uart_rxd;  
    uart_rxd_d1 <= uart_rxd_d0;  
    uart_rxd_d2 <= uart_rxd_d1;  
end  
end  
//给接收标志赋值  
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin  
    if(!rst_n)  
    rx_flag <= 1'b0;  
    else if(start_en) //检测到起始位  
    rx_flag <= 1'b1; //接收过程中，标志信号 rx_flag 拉高  
//在停止位一半的时候，即接收过程结束，标志信号 rx_flag 拉低  
else if((rx_cnt == 4'd9) && (baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1))  
    rx_flag <= 1'b0;  
    else  
    rx_flag <= rx_flag;  
end  
//波特率的计数器赋值  
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin  
    if(!rst_n)  
    baud_cnt <= 16'd0;  
    else if(rx_flag) begin //处于接收过程时，波特率计数器（baud_cnt）进行循环计数  
    if(baud_cnt < BAUD_CNT_MAX - 1'b1)  
    baud_cnt <= baud_cnt + 16'b1;  
    else  
    baud_cnt <= 16'd0; //计数达到一个波特率周期后清零  
end  
else  
    baud_cnt <= 16'd0; //接收过程结束时计数器清零  
end
//对接收数据计数器（rx_cnt）进行赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
    rx_cnt <= 4'd0;
    else if(rx_flag) begin    //处于接收过程时 rx_cnt 才进行计数
    if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1'b1) //当波特率计数器计数到一个波特率周期时
    rx_cnt <= rx_cnt + 1'b1;    //接收数据计数器加 1
    else
    rx_cnt <= rx_cnt;
    end
    else
    rx_cnt <= 4'd0;    //接收过程结束时计数器清零
end
 
//根据 rx_cnt 来寄存 rxd 端口的数据
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
    rx_data_t <= 8'b0;
    else if(rx_flag) begin    //系统处于接收过程时
    if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1) begin   //判断 baud_cnt 是否计数到数据位的中间
    case(rx_cnt)
    4'd1 : rx_data_t[0] <= uart_rxd_d2;    //寄存数据的最低位
    4'd2 : rx_data_t[1] <= uart_rxd_d2;
    4'd3 : rx_data_t[2] <= uart_rxd_d2;
    4'd4 : rx_data_t[3] <= uart_rxd_d2;
    4'd5 : rx_data_t[4] <= uart_rxd_d2;
    4'd6 : rx_data_t[5] <= uart_rxd_d2;
    4'd7 : rx_data_t[6] <= uart_rxd_d2;
    4'd8 : rx_data_t[7] <= uart_rxd_d2;    //寄存数据的高低位
    default : ;
    endcase
    end
    else
    rx_data_t <= rx_data_t;
    end
    else
    rx_data_t <= 8'b0;
end
 
//给接收完成信号和接收到的数据赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
uart_rx_done <= 1'b0;
uart_rx_data <= 8'b0;
end
//当接收数据计数器计数到停止位，且 baud_cnt 计数到停止位的中间时
else if(rx_cnt == 4'd9 && baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1) begin
    uart_rx_done <= 1'b1    ; //拉高接收完成信号
    uart_rx_data <= rx_data_t; //并对 UART 接收到的数据进行赋值
end
else begin
    uart_rx_done <= 1'b0;
    uart_rx_data <= uart_rx_data;
end
end

亚稳态处理不能省

UART 接收引脚是异步输入，代码里 uart_rxd_d0/d1/d2 三级打拍不是为了凑数：前两级防止亚稳态传播，第三级供边沿检测使用。初学者常因为省掉打拍而出现偶发乱码，而且这种问题极难复现排查。

解析模块

根据协议首先我们需要识别报文字头 GGA，确定此报文类型，再识别换行符号结束报文识别。根据逗号将数据分成多个域 cntField，根据协议解析每个域的数据对应顺序的输出。

input rx_done_toUart, //整个模块由 rx_done_toUart 驱动
output reg rx_done, //接收指令结束，上升沿对齐'\n'字符出现时刻，下降沿对齐$xxGGA 后面的','的出现时刻的下一时刻
output reg [4:0] hh, //UTC 时间，整数，时 0~24
output reg [5:0] mm, //UTC 时间，整数，分 0~59
output reg [5:0] ss, //UTC 时间，整数，秒 0~59
output reg [6:0] ss2, //UTC 时间，小数，秒 2 位小数，0~99
output reg [6:0] lat, //纬度 整数部分，度 0~90
output reg [5:0] lat2, //纬度 整数部分，分 0~59
output reg [16:0] lat3, //纬度 小数部分，分 5 位小数,0~99999
output reg NS, //区分南北纬，北纬标为 1，南纬标为 0
output reg [7:0] lon, //经度 整数部分，度 0~180
output reg [5:0] lon2, //经度 整数部分，分 0~59
output reg [16:0] lon3, //经度 小数部分，分 5 位小数，0~99999
output reg EW, //区分东西经，东经标为 1，西经标为 0
output reg [13:0] alt, //海拔 整数部分，m
output reg [3:0] alt2 //海拔 小数部分，一位小数 0~9

);

//xxGGA 格式:
$xxGGA, time, lat, NS, lon, EW, quality, numSV, HDOP, alt, altUnit, sep, sepUnit, diffAge, diffStation*cs
<CR><LF>
//time 格式: hhmmss.ss
//lat 格式: ddmm.mmmm
//lon 格式: dddmm.mmmmm
//alt 格式: numeric, 一位小数
reg    [4:0] cntField;    //当前读取第几个域，以','分隔
reg    [3:0] cntChar;    //当前读取域中的第几个字符
reg    start = 1'b0; //NMEA 报文的接收标志，以$开始，到\n结束
reg    [7:0] charBuffer;
reg    [1:0] corrNum = 2'd0; //比对是否为 xxGGA，当 corrNum=3 时，表示"GGA"字符通过测试，该条报文即 xxGGA
wire [3:0] num; //若 charBuffer 为字符 0~9，则将之转换为数字 0~9
wire isnum;
reg afterDot; //判断是否是"."后面的数字，在解析海拔时用到
//将字符 0~9 转换为数字 0~9
Char2Num Char2Num_inst(
    .Char(charBuffer),
    .Num(num),
    .isNum(isnum)
);
always @(posedge rx_done_toUart) begin
    charBuffer <= rddat_toUart;
//----接收 NMEA 报文数据----
if(rddat_toUart == "$") begin    //接收到$, 标志着 NMEA 数据的起始
    start    <= 1'b1;
    cntField    <= 5'd0;
    cntChar    <= 4'd0;
    corrNum    <= 2'd0;
end
 
else if(start) begin
    if(rddat_toUart == "\n") begin    //收到\n, 标志 NMEA 报文结束
    start    <= 1'b0;
    rx_done    <= 1'b1;
    end
 
    else if(rddat_toUart == ", " ||
    rddat_toUart == "*") begin    //收到','或'*', 为域的分隔符
    cntField    <= cntField + 1'b1;
    cntChar    <= 4'd0;
    end
 
    else begin    //收到其他字符
    cntChar    <= cntChar + 1'b1;
    end
 
end
 
else begin
    start    <= 1'b0;
cntField <= 5'd0;
cntChar <= 4'd0;
corrNum <= 2'd0;
end
//----判断是否为 xxGGA----
if(cntField == 5'd0) begin
    if(cntChar == 4'd3 && charBuffer == "G") begin
    corrNum <= corrNum + 1'b1;
    end
    else if(cntChar == 4'd4 && charBuffer == "G") begin
    corrNum <= corrNum + 1'b1;
    end
    else if(cntChar == 4'd5 && charBuffer == "A") begin
    corrNum <= corrNum + 1'b1;
    end
end
if(corrNum == 2'd3) begin //检测到是"xxGGA", 开启解析
    rx_done <= 1'b0;
    corrNum <= 2'b0;
end
//----解析 xxGGA----
if(rx_done == 1'b0) begin
    //解析 UTC 时间
    if(cntField == 5'd1) begin
    if(cntChar == 4'd1) begin //UTC-hh
    hh <= num*4'd10;
    end
    else if(cntChar == 4'd2) begin
    hh <= hh + num;
    end
    else if(cntChar == 4'd3) begin //UTC-mm
    mm <= num*4'd10;
    end
    else if(cntChar == 4'd4) begin
    mm <= mm + num;
    end
    else if(cntChar == 4'd5) begin //UTC-ss
    ss <= num*4'd10;
    end
    else if(cntChar == 4'd6) begin
    ss <= ss + num;
    end
    else if(cntChar == 4'd8) begin //UTC-.ss
    ss2 <= num*4'd10;
end
else if(cntChar == 4'd9) begin
    ss2 <= ss2 + num;
end
end
 
//解析纬度
if(cntField == 5'd2) begin
    if(cntChar == 4'd1) begin    //lat-dd
    lat    <= num*4'd10;
    end
    else if(cntChar == 4'd2) begin
    lat    <= lat + num;
    end
    else if(cntChar == 4'd3) begin    //lat-mm
    lat2    <= num*4'd10;
    end
    else if(cntChar == 4'd4) begin
    lat2    <= lat2 + num;
    end
    else if(cntChar == 4'd6) begin    //lat-.mmmmm
    lat3    <= num;
    end
    else if(cntChar == 4'd7 || cntChar == 4'd8 ||
    cntChar == 4'd9 || cntChar == 4'd10) begin
    lat3    <= lat3*4'd10 + num;
    end
end
if(cntField == 5'd3 && cntChar == 4'd1) begin    //NS
    if(charBuffer == "N") begin
    NS    <= 1'b1;
    end
    else begin
    NS    <= 1'b0;
    end
end
 
//解析经度
if(cntField == 5'd4) begin
    if(cntChar == 4'd1) begin    //lon-ddd
    lon    <= num;
    end
    else if(cntChar == 4'd2 || cntChar == 4'd3) begin
    lon    <= lon*4'd10 + num;
end
else if(cntChar == 4'd4) begin    //lon-mm
    lon2    <= num*4'd10;
end
else if(cntChar == 4'd5) begin
    lon2    <= lon2 + num;
end
else if(cntChar == 4'd7) begin    //lon-.mmmmm
    lon3    <= num;
end
else if(cntChar == 4'd8 || cntChar == 4'd9 ||
    cntChar == 4'd10 || cntChar == 4'd11) begin
    lon3    <= lon3*4'd10 + num;
end
end
if(cntField == 5'd5 && cntChar == 4'd1) begin    //EW
    if(charBuffer == "E") begin
    EW    <= 1'b1;
end
else begin
    EW    <= 1'b0;
end
end
 
//解析海拔
if(cntField == 5'd9) begin
    if(cntChar == 4'd1) begin
    alt    <= num;
    afterDot   <= 1'b0;
end
else if(charBuffer==".") begin
    afterDot   <= 1'b1;
    alt2    <= 4'd0;
end
else begin
    if(~afterDot) begin
    alt    <= alt*4'd10 + num;    //alt-MMM
    end
    else begin
    alt2    <= alt2*4'd10 +num;    //alt-.M
    end
end
end

//END OF parseGGA.v FILE*******************************************************************************************

解析思路总结成一句话：以 $ 开帧、\n 结帧，逗号计域、字符计位。cntField 记录当前在第几个逗号域，cntChar 记录域内第几个字符，两者组合起来就是每个数据的坐标；数值解析时用「先乘 10 再加新数字」的方式把 ASCII 字符流拼成二进制数，这是数字系统里处理十进制输入最通用的技巧。

字符显示模块

设置一个字符的大小为 32*32，则 640*480 的图像显示 20*15 个字符。根据图像像素的坐标，右移 5 位得到字符的坐标（x_pos，y_pos），根据坐标显示对应的字符。提前将要显示的字符存在 ROM 中，根据像素坐标和字符坐标得到需要显示的字符的 ROM 地址，进行输出。

显示的字符的个数为 22 位，采用 RGB565 的形式生成 mif 文件，则 ROM 的深度为 32*32*22=22528，大小为 16*22528。

module char_display(

inputclk,
inputrst_n,
output[11:0]video_data,//RGB444颜色数据
input[10:0]pixel_xpos,//像素点横坐标
input[10:0]pixel_ypos,//像素点纵坐标
inputdata_req,
input[4:0]hh,
input[5:0]mm,
input[5:0]ss,
input[6:0]ss2,
input[6:0]lat,
input[5:0]lat2,
input[16:0]lat3,
inputNS,
input[7:0]lon,
input[5:0]lon2,
input[16:0]lon3,
inputEW,
input[13:0]alt,
input[3:0]alt2

//parameter define

//640*480 分辨率时序参数,60fps

wire [4:0] x_pos ;

wire [4:0] y_pos ;

wire [4:0] x_cnt ;

wire [14:0] y_cnt ;

wire [9:0] char_choose;

reg [4:0] char_choose_case;

//字符显示分区

wire [15:0] video_data_q;
assign x_pos = pixel_xpos >> 'd5 ;
assign y_pos = pixel_ypos >> 'd5 ;
assign x_cnt = pixel_xpos - (x_pos << 'd5) ;
assign y_cnt = pixel_ypos - (y_pos << 'd5) ;
wire [ 15:0] rom_addr ;
assign video_data = {video_data_q[15:12],video_data_q[10:7],video_data_q[5:1]};
gps_char_rom u_gps_char_rom(
  .address    (rom_addr    ),
  .clock    (clk    ),
  .rden    (data_req    ),
  .q    (video_data_q)    );
// reg [9:0] addr_cnt;
// always @(posedge clk or negedge rst_n)
// begin
//    if(!rst_n)
//    addr_cnt <= 'b0;
//    else if(data_req && addr_cnt <d703)
//    addr_cnt <= addr_cnt + 'b1    ;
//    else if(data_req && addr_cnt == 'd703)
//    addr_cnt <= 'b0;
//    end
 
assign char_choose = {y_pos, x_pos}    ;
// assign rom_addr = data_req ?((y_cnt << 'd9) + (y_cnt << 'd7) + (y_cnt << 'd6) + addr_cnt): 'b0;
assign rom_addr = data_req ? ((char_choose_case == 'd22) ?'b0 :(y_cnt << 'd9) + (y_cnt << 'd7) + (y_cnt << 'd6) + (char_choose_case << 'd5) + x_cnt ): 'b0;
// assign rom_addr = ({y_pos, x_pos} == 'b0000000000) ?(y_cnt << 'd9) + (y_cnt << 'd7) + (y_cnt << 'd6) + x_cnt : 'b0;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
    if(!rst_n)
    char_choose_case <= 'b0;
    else
    case (char_choose)
    'b0000000000:
    char_choose_case <= 'd10;
    'b000000001:
    char_choose_case <= 'd11;
    'b000000010:
    char_choose_case <= hh / 'd10 ;
    'b000000011:

char_choose_case<= hh % ‘d10;

‘b0000000100: char_choose_case<=‘d21;

‘b0000000101: char_choose_case<=mm / ‘d10;

‘b0000000110: char_choose_case<=mm % ‘d10;

‘b0000000111: char_choose_case<=‘d21;

‘b0000001000: char_choose_case<=ss / ‘d10;

‘b0000001001: char_choose_case<=ss % ‘d10;

‘b0000001010: char_choose_case<=‘d21;

‘b0000001011: char_choose_case<=ss2 / ‘d10;

‘b0000001100: char_choose_case<=ss2 % ‘d10;

‘b0000100000: char_choose_case<=‘d12;

‘b0000100001: char_choose_case<=‘d13;

‘b0000100010: char_choose_case<= lat / ‘d10 ;

‘b0000100011: char_choose_case<= lat % ‘d10;

‘b0000100100: char_choose_case<=‘d21;

‘b0000100101: char_choose_case<=lat2 / ‘d10;

‘b0000100110: char_choose_case<= lat2 % ‘d10;

‘b0000100111: char_choose_case<=‘d21;

‘b0000101000: char_choose_case<=(lat3 >>‘d10) / ‘d10;

‘b0000101001: char_choose_case<=(lat3 >>‘d10) % ‘d10;

‘b0001000000: char_choose_case<=‘d15;

‘b0001000001: char_choose_case<=‘d16;

‘b0001000010:

char_choose_case<= NS ? ‘d15 : ‘d16;

‘b0001100000: char_choose_case<=‘d14;

‘b0001100001: char_choose_case<=‘d13;

‘b0001100010: char_choose_case<= lon / ‘d100 ;

‘b0001100011: char_choose_case<= lon % ‘d100 / ‘d10;

‘b0001100100: char_choose_case<= lon % ‘d10;

‘b0001100101: char_choose_case<=lon2 / ‘d10;

‘b0001100110: char_choose_case<=lon2 % ‘d10;

‘b0001100111: char_choose_case<=‘d21;

‘b0001101000: char_choose_case<=(lon3 >>‘d10) / ‘d10;

‘b0001101001: char_choose_case<=(lon3 >>‘d10) % ‘d10;

‘b0010000000: char_choose_case<=‘d17;

‘b0010000001: char_choose_case<=‘d18;

‘b0010000010: char_choose_case<= EW ? ‘d17 : ‘d18;

‘b0010100000: char_choose_case<=‘d19;

‘b0010100001: char_choose_case<=‘d20;

‘b0010100010: char_choose_case<= (alt >> ‘d10) / ‘d10 ;

‘b0010100011: char_choose_case<= (alt >> ‘d10) % ‘d10;

‘b0010100100: char_choose_case<=alt % ‘d1000/‘d100;

‘b0010100101: char_choose_case<=alt % ‘d100 / ‘d10;

‘b0010100110: char_choose_case<=alt % ‘d10;

‘b0010100111: char_choose_case<=‘d21;

‘b0010101000:

end

endmodule

这段代码的核心技巧是把 640*480 的像素平面切成 32*32 的字符格子：pixel_xpos >> 5 得到格子坐标，pixel_xpos - (x_pos << 5) 得到格子内偏移；char_choose（格子坐标）经 case 分配成 char_choose_case（该格子显示 22 个 ROM 字符中的哪一个），再与格子内偏移一起拼出 ROM 地址。除法、取模、移位全部只针对小位宽的坐标值，硬件代价很小。

引脚锁定

根据 doc—>gps_display.tcl 文件配置引脚，配置如下：

package require ::quartus::project set_location_assignment PIN_E15 -to CLK_50 set_location_assignment PIN_M1 -to reset_n set_location_assignment PIN_P16 -to video_hs set_location_assignment PIN_N15 -to video_vs set_location_assignment PIN_N16 -to video_rgb[0] set_location_assignment PIN_L15 -to video_rgb[1] set_location_assignment PIN_F16 -to video_rgb[10] set_location_assignment PIN_F15 -to video_rgb[11] set_location_assignment PIN_L16 -to video_rgb[2] set_location_assignment PIN_K15 -to video_rgb[3] set_location_assignment PIN_K16 -to video_rgb[4] set_location_assignment PIN_J15 -to video_rgb[5] set_location_assignment PIN_J16 -to video_rgb[6] set_location_assignment PIN_J11 -to video_rgb[7] set_location_assignment PIN_G16 -to video_rgb[8] set_location_assignment PIN_G15 -to video_rgb[9] set_location_assignment PIN_E7 -to UART_RXD

引脚脚本与开发板型号的对应关系

上面这份 tcl 是 Quartus 风格的约束语法（本例程对应的子板说明原文如此），在 HX4S20/安路 TD 环境下使用时请对照官方例程中 doc 目录下的 gps_display.tcl 与你的核心板引脚手册核对后再使用，重点确认 CLK_50、UART_RXD 与 VGA 三组信号。

上板流程与结果

上位机配置 GPS 模块

GNSS_Viewer 软件可以设置 ATK-MO1218 模块的串口通讯波特率，出厂默认情况下 ATK-MO1218 模块的串口通讯波特率为 34800bps，下面演示使用 GNSS_Viewer 软件设置 ATK-MO1218 模块的串口通讯波特率为 115200bps，并保存至 Flash 中。点击 GNSS_Viewer 软件菜单栏中的 Binary→Configure Serial Port，便可看到弹出的串口配置窗口，根据需求配置 flash，首先串口连接模块，如下图所示：

（1）准备一个 USB 转串口模块


（2）用杜邦线将转串口模块与 GPS 模块连接

注意：VCC 与 GND 不要接错，USB 串口模块的 RXD 接 GPS 模块的 TXD，USB 串口模块的 TXD 接 GPS 模块的 RXD，GPS 模块接 5v 或 3.3v 均可。

（3）将 GPS 模块插上天线，另一端 USB 转串口模块插在电脑 USB 口上

（4）打开上位机 GNSS_Viewer-7.0.2.1 修改波特率

GNSS_Viewer 软件可以设置 ATK-MO1218 模块的串口通讯波特率，出厂默认情况下 ATK-MO1218 模块的串口通讯波特率为 34800bps（模块已经经过测试，波特率已经设置为 115200bps），下面演示使用 GNSS_Viewer 软件设置 ATK-MO1218 模块的串口通讯波特率为 115200bps：

打开串口后，我们可以看到各种打印信息与坐标信息等等：

点击 GNSS_Viewer 软件菜单栏中的 Binary→Configure Serial Port：


修改波特率为 115200bps，选择保存到 FLASH 中后点击 Set，至此就完成了串口速率的修改，修改成功后会在 Response 显示 Configure Serial Port Successfu…表示修改成功：

上板验证

5.2.2 显示结果：

时间06. 52 9 - 35 6 O纬度30. o. 8NSN经度12005.72EWE海拔00121.0

屏幕上依次显示出 UTC 时间、纬度（含南北纬指示 N/S）、经度（含东西经指示 E/W）和海拔信息。定位成功后，随着模块 1Hz 的更新速率，时间字段每秒跳动一次。

现象与总结

本实验的完整数据链路是：卫星信号 → GPS 模块解算 → NMEA 报文（UART 115200）→ FPGA 串口接收 → GGA 语句逐域解析 → 字符 ROM 显示 → VGA 输出。掌握三个要点即可复现：

  1. 模块侧：波特率要设为 115200 并存入 Flash，天线置于开阔处，用 PPS 灯确认定位状态；
  2. 接收侧：50MHz 时钟下 115200 波特每位约 434 个时钟，在位中间采样，输入信号三级打拍防亚稳态；
  3. 解析侧：以 $/\n 定帧界，以逗号划分域，用「乘 10 加数」把 ASCII 转二进制，只挑 GGA 语句解析。

自测

关系图谱

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