車(chē)載導航監控終端功能需求及基于SOPC技術(shù)設計方案

1 引 言

車(chē)載導航監控終端可廣泛用于交警巡邏車(chē)、消防用車(chē)、公安用車(chē)、運鈔車(chē)、長(cháng)途客車(chē)及一些特殊車(chē)輛上， 監控中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )與車(chē)載導航監控終端進(jìn)行信息交流， 從而實(shí)現監控中心對車(chē)輛的集中、高效、可視化管理以及車(chē)輛之間的相互協(xié)作。

本設計系統分析了車(chē)載導航監控終端的各種功能需求， 借助 ltera StratixTM 系列FPGA EP1S10豐富的邏輯資源， 應用SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具實(shí)現了車(chē)載導航監控終端硬件結構的高度集成。同時(shí)，利用N ios嵌入式處理器強大的處理能力， 配合使用 C /OS- II實(shí)時(shí)操作系統， 實(shí)現了終端對多種傳感信息的實(shí)時(shí)、高效處理。

2 功能描述

車(chē)載導航監控終端主要實(shí)現對各種傳感信息的檢測、處理、顯示及數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送和接收。具體包括:

無(wú)線(xiàn)數據通信模塊——實(shí)現監控中心與車(chē)載導航監控終端之間指令的交換和數據的傳輸; 文本信息合成模塊 將文字信息轉換為語(yǔ)音信息， 方便終端獲取監控中心的各種命令和指示;GPS定位模塊—— 獲取終端所在處的經(jīng)度和緯度信息， 監控中心可以在電子地圖上準確了解終端的地理位置;視頻圖像采集模塊——獲取車(chē)內和車(chē)外的具體情況， 可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )把圖像信息傳輸到監控中心;人機交互模塊——在本地顯示電子地圖、各種狀態(tài)信息、協(xié)同作業(yè)的對方狀態(tài)信息以及接收按鍵輸入信息;信息存儲模塊——用于保存狀態(tài)和設置信息;狀態(tài)檢測和控制模塊——實(shí)現對車(chē)載其它設備狀態(tài)的檢測以及根據控制中心的命令對相關(guān)設備進(jìn)行控制;電源管理模塊——實(shí)現電源的充電以及備用電源的切換。

3 Nios軟核及外圍模塊接口設計

Altera公司推出的高性能、大容量StratixTM FPGA以及Nios嵌入式軟核處理器， 實(shí)現了處理器和外圍接口的靈活配置， 大大推進(jìn)了SOPC (可編程片上系統) 設計的進(jìn)程。同時(shí)A ltera 公司提供的SOPCBuilder可視化開(kāi)發(fā)工具， 能夠根據客戶(hù)需求， 實(shí)現對硬件系統的高效配置?；贜 ios嵌入式軟核處理器， 應用SOPC 技術(shù)設計車(chē)載導航監控終端， 將能夠大大簡(jiǎn)化硬件設計的復雜度， 實(shí)現終端系統的高度集成， 滿(mǎn)足對各種接口的適配要求?；贓P1S10的多功能車(chē)載終端系統框圖如圖1所示。

圖1 多功能車(chē)載終端系統框圖

在本終端系統設計中， 采用了模塊化的設計理念， 通過(guò)對車(chē)載終端功能的分析， 確定了該系統所需的關(guān)鍵功能模塊， 并對功能模塊與EP1S10之間的接口進(jìn)行了規范。系統框圖中， CDMA 無(wú)線(xiàn)通信模塊、GPS定位模塊通過(guò)串口和EP1S10相連接;WTS701文本合成模塊通過(guò)SPI- master 總線(xiàn)和EP1S10相連接; FRAM信息存儲模塊通過(guò)I2C 總線(xiàn)和EP1S10相連接， 這些接口在SOPC Bu ilder的通信工具目錄下以免費IP核的形式提供。另外， 人機接口模塊涉及顯示和鍵盤(pán)， 需要通過(guò)I /O 定義時(shí)序控制總線(xiàn)來(lái)處理; 視頻圖像采集模塊需要更復雜的邏輯控制接口來(lái)實(shí)現， 下面對該模塊設計進(jìn)行介紹。

視頻圖像采集模塊由SAA7111 和ZR36060組成， StratixTMFPGA通過(guò)相應的接口來(lái)控制SAA7111的工作狀態(tài)， 并獲取經(jīng)過(guò)ZR36060壓縮后的數字視頻數據。SAA7111是功能強大的可編程視頻輸入處理芯片， 它可將攝像機輸出的PAL、NTSC 等不同制式的模擬復合全電視信號解碼成亮度、色度信號。

輸出的數字視頻信號格式有411YUV ( 16)、422YUV( 12位)、422YUV或CCIR- 656( 8位)、565RGB( 16位)、888RGB( 24位)等可供選擇。此外還提供了象素、時(shí)鐘信號、行場(chǎng)等多種同步信號。其所有的可編程功能是通過(guò)I2C 總線(xiàn)對內部的32個(gè)寄存器相應的控制位置相應的數值來(lái)完成的， 而StratixTM FPGA的I2C 接口可以很方便地對其進(jìn)行編程和控制。

ZR36060主要完成對數字視頻圖像的壓縮， 輸出標準JPEG格式的文件。壓縮數據可以主方式從壓縮數據端口或以從方式從控制端口輸出， 兩種方式都有握手功能以便進(jìn)行數據流控制， 它可以和SAA7113實(shí)現無(wú)縫結合。StratixTM FPGA 與視頻圖像采集模塊之間的接口如圖2所示。

圖2 StratixTM FPGA 與視頻圖像采集模塊之間的接口。

視頻圖像壓縮模塊ZR36060工作于16b it代碼寬度的從模式， Stra tixTM FPGA 通過(guò)使用不同的片選線(xiàn)和啟動(dòng)轉換線(xiàn)， 可以控制四路視頻圖像壓縮模塊的工作。兩路I2C總線(xiàn)和SAA7113的IICSA管角配合， 可以設置四路圖像采集模塊的工作狀態(tài)。通過(guò)S trat ixTM FPGA 要實(shí)現對圖像采集和壓縮模塊的正常操作， 就是要根據ZR36060的接口時(shí)序圖， 應用SOPC Bu ilder設計合理的接口控制邏輯， ZR36060的接口時(shí)序如圖3所示。

在SOPC 開(kāi)發(fā)工具中， 調用并行輸入輸出模塊( PIO )， 就可以構造操作該圖像壓縮模塊的邏輯接口， N ios嵌入式軟核利用該邏輯接口， 就可以將壓縮后的圖像數據保存在SDRAM 中， 同時(shí)可以實(shí)現對SAA7113和ZR36060模塊工作狀態(tài)的正確設置。 ZR36060被動(dòng)模式的接口時(shí)序

圖3 ZR36060被動(dòng)模式的接口時(shí)序

4 軟件系統設計

完成系統設計后， 可以使用SOPC Bu ilder的System Generation頁(yè)或使用命令行生成系統。SOPCBuilder軟件自動(dòng)生成所有必要邏輯， 用以將處理器、外圍設備、內存、總線(xiàn)、仲裁器、IP內核及到達系統外邏輯和存儲器的接口集成在一起， 并建立將組件捆綁在一起的HDL源代碼。

SOPC Builder 還可以建立軟件開(kāi)發(fā)工具包( SDK )軟件組件， 該組件包括INC、LIB、SRC 三個(gè)目錄， 這些目錄包含了標題文件、一般外圍設備驅動(dòng)程序、自定義軟件庫和實(shí)時(shí)操作系統( RTOS內核) ， 以便在生成系統時(shí)提供完整的設計環(huán)境。

有了SDK軟件開(kāi)發(fā)工具包， 就可以根據需要調用外圍設備的驅動(dòng)程序， 開(kāi)發(fā)系統軟件。系統軟件的編輯可以采用目前的多種編輯工具， 編輯完成后，啟動(dòng)N ios SDK She l，l 在[ SOPC Bu ilder]$ 命令字符后輸入nios- bu ild命令和相應的源文件名， 就可以進(jìn)行編譯， 如有錯誤， 可以重新修改后再編譯。對于多個(gè)源文件， 可以使用makefile命令編譯， 這時(shí)候需要建立一個(gè)專(zhuān)門(mén)的包含整個(gè)項目源文件( . c、. h、.

s)的目錄， 并要修改makefile文件的有關(guān)選項。

車(chē)載導航監控終端軟件包含多個(gè)功能模塊， 這些模塊以任務(wù)的形式與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統相聯(lián)系， 具體功能模塊如下圖4所示。

圖4 車(chē)載導航監控終端軟件功能模塊

各模塊在使用到底層驅動(dòng)程序時(shí)， 先要設置一些變量以及安裝相應的中斷函數。如使用串口1來(lái)控制CDMA 模塊時(shí)， 初始化過(guò)程包括:

串口1的中斷函數實(shí)現方法:

5 結束語(yǔ)

基于StratixTM FPGA 豐富的邏輯資源， 采用Nios嵌入式軟核， 應用SOPC設計技術(shù)開(kāi)發(fā)車(chē)載導航監控終端， 大大提高了設計的靈活性， 優(yōu)化了系統結構。