基于Nios II及GPS/GSM的汽車(chē)狀態(tài)監控系統設計

引 言:

基于SoPC的汽車(chē)安全監控系統采用Altera公司最新的SoPC(可編程片上系統)解決方案——Nios處理器軟核為核心，配合GPS和GSM系統，對汽車(chē)的停放和運行狀態(tài)進(jìn)行監控。系統監測、記錄和儲存汽車(chē)在行駛過(guò)程中的各種數據，一旦出現安全問(wèn)題，立即采用GSM無(wú)線(xiàn)通信方式通知相關(guān)人員和單位，并隨時(shí)發(fā)送通過(guò)GPS獲得的汽車(chē)位置等數據，為問(wèn)題的解決提供及時(shí)、準確和可靠的信息，必要時(shí)通過(guò)GSM對汽車(chē)進(jìn)行遠程控制。

基于SoPC的汽車(chē)安全監控系統可廣泛應用于汽車(chē)的防盜、日常維護和交通事故的處理，為車(chē)輛故障提供有效的測試手段。

1 系統硬件組成

設計采用Altera公司的SoPC開(kāi)發(fā)工具。系統的開(kāi)發(fā)包括硬件和軟件兩大部分。使用SoPC Builder生成Nios嵌入式處理器，Nios嵌入式處理器開(kāi)發(fā)工具允許用戶(hù)配置一個(gè)或多個(gè)Nios CPU，從標準庫中添加外圍設備，綜合處理自定義系統，與Quartus II設計軟件一起編譯系統。軟件開(kāi)發(fā)的步驟是：利用SoPC Builder生成的軟件文件，用文本編輯器編寫(xiě)匯編語(yǔ)言或C/C++源程序，用GNUPro軟件開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行程序設計、連編和調試。GNUPro將源程序連編(包括匯編/編譯和連接)成可執行程序，通過(guò)下載電纜對可執行程序進(jìn)行調試和運行。Quartus II設計軟件提供全面有效的設計環(huán)境，將設計、綜合、布局和驗證以及第三方EDA工具接口集成在一個(gè)無(wú)縫的環(huán)境中。利用集成在Quartus II 3.0中的SoPCbuilder可以創(chuàng )建自己的Nios CPU系統。Nios是Altera公司開(kāi)發(fā)的16/32位嵌入式處理器軟核。

* ?？蒲谢痦椖?ldquo;基于SOPC的汽車(chē)安全監控系統”資助。 Altera公司推出了新一代多種系列FPGA，本設計選用低成本的Cyclone系列器件EP1C12，其具有12 060個(gè)邏輯單元，52個(gè)M4K RAM塊，239 616個(gè)RAM位和2個(gè)鎖相環(huán)，最大用戶(hù)I/O引腳249。

系統硬件組成框圖由Nios系統和外部設備兩部分組成，如圖1所示。

Nios系統包括CPU(Nios)、存儲器(memory)、定時(shí)器(timer)、總線(xiàn)和并/串行接口(key_pio、led_pio、lcd_pio、ccs_pio、uart_0和uart_1)等，并/串行接口分別實(shí)現與鍵盤(pán)、LED和LCD顯示器、汽車(chē)中控系統以及GPS和GSM系統等外部設備的連接。Nios系統設計和設計結果分別如圖2和圖3所示。

Nios系統同鍵盤(pán)、LED和LCD顯示器、汽車(chē)中控系統以及GPS系統等外部設備的連接比較簡(jiǎn)單，GSM系統的連接較為復雜，如圖4所示。

整個(gè)系統的工作過(guò)程是：來(lái)自汽車(chē)中控系統和GPS系統的信息可以顯示在LED和LCD顯示器上，也可以通過(guò)GSM系統進(jìn)行無(wú)線(xiàn)發(fā)送。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)對系統進(jìn)行控制，也可以通過(guò)GSM系統對汽車(chē)中控系統進(jìn)行遠程無(wú)線(xiàn)控制。

2 系統軟件組成

系統軟件主要由主程序、GPS管理子程序和GSM管理子程序等部分組成。

主程序完成系統的初始化，以及鍵盤(pán)、LED、LCD顯示器和汽車(chē)中控系統的操作管理等。

GPS管理子程序主要負責從GPS系統接收時(shí)間和位置信息。

請求GPS系統返回ASCII時(shí)間位置信息的二進(jìn)制命令為：
@@EqmC
其中，m為0時(shí)，輸出一次響應信息(查詢(xún))，m為1~255時(shí)，每1~255 s輸出一次響應信息(連續);
C為校驗和(Eqm按字節“異或”);
為回車(chē)(十六進(jìn)制0d);
為換行(十六進(jìn)制0a);
命令長(cháng)度為8字節。
命令的響應信息為：
@@Eq,mm,dd,yy,hh,mm,ss,dd,mm.mmmm,n,ddd,mm.mmmm,w, shhhhh.h,sss.s,hhh.h,m,t,dd.d,nn,rrrr,aa,CCC
日期：mm是月(01~12)，dd是日(01~31)，yy是年(99~19)。
世界時(shí)間(UTC)：hh是時(shí)(00~23)，mm是分(00~59)，ss是秒(00~59)。
緯度：dd是度(00~90)，mm.mmmm是分(00~59.9999)，n是方向(N是北，S是南)。
經(jīng)度：ddd是度(000~180)，mm.mmmm是分(00~59.9999)，w是方向(W是西，E是東)。
信息長(cháng)度是96字節。
對應的管理子程序為：
int eq[8]={@,@,E,q,1,C,0x0d,0x0a};
void gps_txd(int data[], int n) {
volatile int m,sum=0;
for(m=0;m
while(~na_uart_0->np_uartstatus 0x40);
/等待發(fā)送準備好
if(m!=n-3) {
sum^=data[m];/計算校驗和
na_uart_0->np_uarttxdata=data[m];/發(fā)送數據
}else
na_uart_0->np_uarttxdata=sum; /發(fā)送校驗和
}
}
int gps,gps_buf[46];/定義全局變量
void gps_rxd(int context) {/接收中斷服務(wù)程序
gps_buf[gps]=na_uart_0->np_uartrxdata; /接收數據
if(gps_buf[gps++]==q) gps=0; /數據定位
if(gps>46) gps=46;/忽略無(wú)用數據
}

GSM管理子程序主要負責GSM系統的數據收發(fā)管理。
GSM系統的數據收發(fā)以短信形式進(jìn)行，選擇短信格式的AT命令為AT+CMGF，收發(fā)短信的AT命令分別為AT+CMGR和AT+CMGS，對應的管理子程序為：
cmgf[20]={A,T,+,C,M,G,F,=,1,0x0d};/短信格式void gsm_txd(int data[], int n) {
volatile int m;
for(m=0;m
while(~na_uart_1->np_uartstatus 0x40);
/等待發(fā)送準備好na_uart_1->np_uarttxdata=data[m]; /發(fā)送數據
}
}
int gsm=2,gsm_buf[18]={A,T};
void gsm_rxd(int context) {
/接收中斷服務(wù)程序
gsm_buf[gsm]=na_uart_1->np_uartrxdata; /接收數據
if(gsm_buf[gsm]==T) gsm=1;
/數據定位
if(++gsm==18) gsm=2;
}

3 設計調試方法和設計結果

在Quartus II中使用SignalTapII嵌入式邏輯分析儀可以實(shí)時(shí)觀(guān)測系統中節點(diǎn)的信號數據。被觀(guān)察的信號可以多進(jìn)制數值顯示也可以用波形顯示，但它需要占用芯片更多的資源，因此在對某個(gè)模塊的測試結束后，可以在設置中把SignalTapII嵌入式邏輯分析儀取消，并重新編譯生成以減少LE資源占用量。

實(shí)際試用結果表明：基于SoPC的汽車(chē)安全監控系統運行正常，定位準確，數據傳輸可靠，操作管理方便。如果再配備上GIS(地理信息系統)，整個(gè)系統將如虎添翼。