基于NIOS II的導航系統平臺的設計

目前廣泛應用的MIMU/GPS組合導航系統的實(shí)現形式，依應用領(lǐng)域的不同而復雜多樣，但是導航計算機板卡負責的工作則相對固定，其主要包括：采集各路傳感器輸入信號；濾波、融合計算；將計算結果輸送給機電控制子系統；提供各種人機交互接口，如LCD，鍵盤(pán)等。

長(cháng)期以來(lái)，針對各種應用領(lǐng)域或相同領(lǐng)域的不同場(chǎng)合，由于對控制計算能力、接口電路數據吞吐能力等要求的差異，我們習慣于把功能相對固定的導航計算機子系統設計成不同的實(shí)現形式，這就造成了對硬件重復研發(fā)，相應軟件重復調整等低效率現狀。

SOPC（System On Programmable Chip）技術(shù)是Altera公司提出的一種靈活高效的SOC解決方案。它的宗旨是將處理器、存儲器、I/O口、硬件協(xié)處理器或加速器、一般的用戶(hù)邏輯等系統的設計需要的功能模塊都集成到一個(gè)FPGA芯片里，構建一個(gè)可編程的片上系統。它具有硬件上靈活裁剪、擴充和在線(xiàn)升級的優(yōu)點(diǎn)，而且市場(chǎng)上有豐富的IP 核資源可選，能成功地解決上述問(wèn)題。

1.組合導航系統硬件電路的實(shí)現

硬件框圖如圖1所示，它主要包括以Nios處理器為主體的片內邏輯（圖中虛線(xiàn)包圍部分，下文簡(jiǎn)稱(chēng)片內邏輯）、MIMU與GPS數據采集電路和人機交互接口電路三個(gè)部分組成。

1.1片內邏輯的設計

本文采用了Altera公司Cyclone系列FPGA EP1C12Q240、NIOS軟核處理器及其開(kāi)發(fā)和仿真工具（包括 SOPC Builder，DSP Builder，Simulink，Quatus II等）。在設計中利用的IP核里，比如Nios核，片內Boot ROM，用于FIFO的片內雙口RAM，定時(shí)器，Avalon片上總線(xiàn)，Avalon三態(tài)總線(xiàn)橋，SDRAM接口，JTAG UART等都來(lái)自SOPC Builder軟件，在此不必贅述。下面重點(diǎn)討論其他IP核及其接口電路的設計和功用。

圖 1 基于Nios的SOPC組合導航系統設計框圖

6 DSP協(xié)處理器 通過(guò)定制一些傳統的DSP運算指令或反復出現的計算密集型算法指令，來(lái)硬件加速CPU的處理能力。IP核可以通過(guò)硬件描述語(yǔ)言自己編寫(xiě)，也可以借助Simulink和DSP Builder來(lái)輔助實(shí)現。

7 UART 基于RS232通信協(xié)議的串行通路接口。UART-0負責傳遞主控設備的命令（如復位、初始化等）、輸入主控設備提供的電子地圖的庫信息，輸出處理結果等。UART-1則負責導入GPS OEM板的數據。該IP核來(lái)自于SOPC Builder軟件。

8 A/D接口 除了片選信號，A/D接口時(shí)序基本遵循SPI協(xié)議，因此選用了SOPC中相應的IP， 而對于片選信號，在系統中額外添加一個(gè)通用I/O口來(lái)控制之。這樣每次對Ａ/D的操作分兩步進(jìn)行：先置低GPIO，再進(jìn)行SPI操作。

9 同步采樣控制邏輯 負責控制MIMU和GPS信號的同步采集，為數據融合提供準確的輸入。該IP核由設計者自行編制，詳述請見(jiàn)MIMU和GPS信號采集系統的設計部分。

10 VGA控制 基于A(yíng)valon流模式的VGA控制器。它主要由VGA時(shí)序發(fā)生器，FIFO存儲器，Avalon流模式接口組成。該IP由設計者用VHDL語(yǔ)言自行編制，人機接口部分將詳述之。

11 ATA橋 連接CF卡，保存電子地圖信息庫、中英文字符點(diǎn)陣庫等海量信息。該IP核來(lái)自于SOPC Builder軟件。

12 GPIO 最常規的外設控制接口，本系統的LCD、LED、鍵盤(pán)都是采用該接口進(jìn)行連接，時(shí)序上的驅動(dòng)控制則是由軟件實(shí)現的。該IP核來(lái)自于SOPC Builder軟件。

13 ASMI EPCS4系列配置芯片的專(zhuān)門(mén)接口。該IP核來(lái)自于SOPC Builder軟件。與之相連的Flash存貯空間中有如下內容：一部分是FPGA的配置文件。另一部分作為常規程序存儲器用。采用此方案可以省去片外專(zhuān)門(mén)的程序存儲Flash，充分利用了配置芯片的資源。由于串行器件的帶寬限制，我們可以通過(guò)將主程序裝載入SDRAM中運行來(lái)提高程序的運行速度。

1.2 MIMU和GPS信號采集系統的設計

MIMU的信號采集工作由微型慣性測量組合、采樣/保持器AD1154、多路開(kāi)關(guān)MAX4540、A/D 轉換器完成；而GPS的信號采集工作則主要由GPS接收機完成。接收機采用了Jupiter OEM 板，可輸出位置、速度、偽距、偽距率、載波相位、衛星星歷等數據。系統啟動(dòng)期間，主控設備通過(guò)UART-0向片上邏輯發(fā)送命令并獲取信息反饋，對系統導航參數進(jìn)行初始化；接收的初始化數據可由片上邏輯的UART-1傳遞給GPS接收機，以實(shí)現GPS的快速初始化和快速鎖定衛星.

我們所討論的MIMU和GPS信號的同步，是指需要同步的兩個(gè)數據源在原始信息更新時(shí)刻對齊，而不是在經(jīng)過(guò)計算或A/D轉換延時(shí)等不同通信路徑傳輸后，在輸出結果的時(shí)刻對齊。GPS接收機解碼轉換后輸出的秒同步脈沖（1PPS，每秒一個(gè)脈沖）是與UTC秒點(diǎn)對齊的。接收機嚴格地在每個(gè)1PPS脈沖邊沿進(jìn)行一次偽距、偽距變化率、載波相位、GPS 標準授時(shí)、定位等測量，其脈沖沿為GPS數據更新時(shí)刻。我們把1PPS脈沖接入FPGA中，由同步采樣控制邏輯保證脈沖到來(lái)的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)SSP（同步采樣脈沖，synchronous sampling pulse），實(shí)現MIMU和GPS數據在整秒時(shí)刻同步。當然，MIMU數據更新率遠小于1秒，我們可以把1PPS脈沖作為FPGA內部的1秒定時(shí)器的標準同步觸發(fā)時(shí)刻，通過(guò)邏輯倍頻產(chǎn)生相應頻率的SSP輸出。在GPS信號丟失的情況下，FPGA內部的秒定時(shí)器則作為MIMU采樣信號的時(shí)基標準。

1.3人機交互接口的設計

七段數碼管負責標識系統的工作狀態(tài)；而鍵盤(pán)除了作為初始化參數輸入的備用接口外，還可以負責切換LCD、VGA顯示器等的顯示模式；液晶屏則相應地顯示輸入與輸出的導航參數；VGA接口形象的輸出電子地圖背景、車(chē)輛當前位置及運行軌跡等信息。

excalibur.h 頭文件定義了七段數碼管、按鍵數據結構指針na_seven_seg_pio 和na_button_pio通過(guò)對指針所指PIO數據結構內的np_piodata數據寄存器操作，來(lái)讓數碼管顯示特定的字符或判斷是否有按鍵按下，以及是哪個(gè)按鍵。

本文采用型號Optrex 16027的LCD屏，頭文件pio_lcd16027.h定義了九個(gè)控制子程序，通過(guò)這些程序完成對LCD的控制。標準VGA畫(huà)面大小是640*480，每秒60幀左右。像素時(shí)鐘高達25.175MHZ。如果每個(gè)點(diǎn)都由Nios軟件掃描實(shí)現，那么在40ns的間隔內，最多能讓共作在50MHZ的CPU執行兩條指令。所以，我們采用DMA控制器在流模式VGA控制器和SRAM之間建立一條DMA傳送通道，讓硬件完成像素信息的自動(dòng)讀取，緩解了CPU的工作壓力。VGA時(shí)序發(fā)生器的設計源程序由VHDL語(yǔ)言實(shí)現，下面是部分示意代碼：



2.系統工作原理

系統上電后，串行配置器件EPCS4配置FPGA；然后NIIOS啟動(dòng)，運行片內ROM中的Bootloader。Bootloader根據選擇端的控制選擇工作模式，模式分為兩種：調試模式和運行模式。在調試模式下，Bootloader啟動(dòng)GERMS監控程序，我們可以對系統進(jìn)行開(kāi)發(fā)調試。在運行模式下，Bootloader將EPCS4中存儲的主程序裝載到SRAM中全速運行。然后，程序指針復位指向SRAM中的系統主程序。主程序先初始化并配置系統，然后開(kāi)始正常工作。

3.軟件設計

由于本控制系統架構龐大，我們在軟件設計時(shí)使用實(shí)時(shí)操作系統microC/OS作為軟件內核。該操作系統具有內核小，代碼公開(kāi)等優(yōu)點(diǎn)，而且Altera公司提供了關(guān)于此系統移植方面比較詳細的技術(shù)文檔，操作起來(lái)簡(jiǎn)單易行。系統軟件分為三個(gè)層次設計：一、驅動(dòng)層。主要包括了UART驅動(dòng)，LED驅動(dòng)，鍵盤(pán)驅動(dòng)，LCD驅動(dòng)，VGA驅動(dòng)，SPI總線(xiàn)設備驅動(dòng)等等。二、內核層。包括系統任務(wù)和內核調度。三、應用層。

任務(wù)主要有數據采集任務(wù)，數據融合任務(wù)，數據濾波任務(wù)，導航計算任務(wù)，顯示任務(wù)等。其中還有一些用于控制管理性質(zhì)的任務(wù)，包括錯誤捕捉任務(wù)及其相應的處理方程序等。

系統的核心是操作系統的內核調度，負責整個(gè)軟件的運作。系統相關(guān)的層面是以任務(wù)為單位的系統模塊，這些任務(wù)模塊負責市實(shí)現導航系統的正常運行，負責系統模塊的配置控制和差錯檢測，響應處理用戶(hù)的操作。硬件相關(guān)的層面以驅動(dòng)任務(wù)為單位，它們作為操作系統和硬件系統中介，直接負責對硬件設備的驅動(dòng)控制。軟件分層封裝，用任務(wù)調度的方法來(lái)實(shí)現，可以提高軟件設計的效率，降低設計風(fēng)險，利于移植和升級。

4.結論

NIOS符合工業(yè)技術(shù)的潮流，即硬件設計軟件化。此設計方法可以對硬件做全面細致的模擬仿真，減少硬件設計的錯誤，有效降低了開(kāi)發(fā)成本，增強了產(chǎn)品的競爭力。而且由于它屬于單片解決方案，不僅提高系統的魯棒性，還可以有效地保護開(kāi)發(fā)者的知識產(chǎn)權。