基于SOPC技術(shù)的便攜式定位系統方案

　　超大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，尤其是PLD和FPGA技術(shù)的發(fā)展，使得在一塊可編程芯片上實(shí)現整個(gè)的嵌入式系統成為可能。 SOPC（System on a programmable chip）技術(shù)將CPU，存儲器，I/O接口等系統設計所必須的模塊集成在一片FPGA上，具有設計靈活，可裁減、可擴充、可升級、軟硬件在系統可編程的功能［1］。

　　本文設計了一種基于SOPC技術(shù)的便攜式定位系統，并針對GPS在城市高樓和地下停車(chē)場(chǎng)等地方容易出現定位盲區的問(wèn)題，提出采用GPS/數字指南針組合定位的解決方案。本文首先介紹了系統組成和硬件實(shí)現，再對軟件開(kāi)發(fā)作了詳細分析，并給出了源程序，最后對試驗樣機進(jìn)行了試驗，驗證了系統的可行性。

　　1 系統基本結構

　　基于NIOSⅡ的便攜式組合定位系統由兩部分組成：接收終端和監控中心。接收終端接收GPS/數字指南針組合定位信號，并通過(guò)GPRS模塊發(fā)往監控中心，監控中心將接收到的組合定位信號進(jìn)行數據融合，采用基于模糊模式識別技術(shù)的地圖匹配法，借助GIS電子地圖庫中的高精度道路信息作為分類(lèi)模板來(lái)進(jìn)行模式識別，根據識別結果來(lái)提高GPS接收數據的定位精度，實(shí)現數據與電子地圖的實(shí)時(shí)匹配，實(shí)時(shí)地顯示接收終端佩戴者所在的位置，授權用戶(hù)也可以通過(guò) Internet隨時(shí)隨地查看終端佩戴者的位置。一旦發(fā)生緊急情況，終端佩帶者可以觸發(fā)終端上的報警按鈕，由監控中心實(shí)時(shí)進(jìn)行相應處理。

　　2 接收終端硬件設計

　　系統接收終端硬件由一塊FPGA芯片和GPS模塊，GPRS模塊，數字指南針模塊，報警模塊等組成，在FPGA芯片中主要實(shí)現NIOSⅡ軟核處理器，片上存儲器和數字接口電路的功能。

　　NIOSⅡ是Altera公司推出的32位RISC嵌入式處理器，能和用戶(hù)邏輯相結合，編程至Altera FPGA中。處理器具有32位指令集，32位數據通道和可配置的指令及數據緩沖，實(shí)現成本低，在FPGA中實(shí)現成本只要35美分，靈活性大，采用軟核形式，具有完全的可定制特性，設計人員可根據實(shí)際需求在多種系統設置組合中進(jìn)行選擇，達到性能、特性和成本最優(yōu)化，具有超過(guò)200DMIP的性能［2］?？梢酝ㄟ^(guò)下載硬件配置文件到FPGA來(lái)實(shí)現更新，非常方便。

　　根據系統的功能要求和NIOS II軟核處理器的高度可配置性，在硬件開(kāi)發(fā)工具SOPC Builde定制的NIOS II軟核處理器系統如圖1所示，在一塊Altera EP1C12Q240C8 FPGA上實(shí)現了NIOSⅡ軟核CPU，OnChip RAM，Timer，UART，Epcs controller等模塊，NIOSⅡ軟核CPU和其它IP模塊之間通過(guò)Avalon片上總線(xiàn)相連，該總線(xiàn)規定了主部件和從部件之間進(jìn)行連接的端口和通信的時(shí)序。

　　圖1定制的NIOSⅡ處理器系統

　　UART串口通信模塊用于NIOSⅡ處理器和外部的通信，本系統通過(guò)串口采集GPS和數字指南針的定位信號，并通過(guò)串口將定位信號和報警信號發(fā)給GPRS模塊發(fā)往監控中心。On Chip RAM為系統提高片上存儲單元，CY1C12Q240C8提供了239，616 bits的RAM單元，系統無(wú)需擴展外部存儲器。Epcs controller模塊用于系統上電時(shí)，控制硬件配置文件和程序從串行配置芯片下載到FPGA中。Timer定時(shí)器模塊提供系統定時(shí)中斷，報警模塊由一個(gè)按鈕組成，終端佩帶者遇到緊急情況時(shí)通過(guò)觸發(fā)按鈕向監控中心報警。電源模塊給系統提供系統電源，晶振模塊給系統提供系統時(shí)鐘。

　　3 接收終端軟件實(shí)現

　　接收終端軟件開(kāi)發(fā)在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Nios II IDE中進(jìn)行，主要完成定位數據的采集和與監控中心的通信。

　　3.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Nios II IDE

　　Nios II IDE是Nios II軟核處理器的主要開(kāi)發(fā)工具，它基于開(kāi)放和可擴展的Eclipse平臺，為軟件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)完整的C/C++設計開(kāi)發(fā)環(huán)境，它包括一個(gè)具有工程管理、源代碼開(kāi)發(fā)、基于JTAG調試功能的圖形用戶(hù)界面（GUI），借助于HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層）可以用類(lèi)似C語(yǔ)言的庫函數來(lái)訪(fǎng)問(wèn)硬件設備或文件［3］，縮短軟件開(kāi)發(fā)周期。

　　3.2 HAL系統庫

　　HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層）系統庫可以為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員訪(fǎng)問(wèn)底層硬件提供簡(jiǎn)單的設備驅動(dòng)接口，NIOS II軟核處理器支持HAL，其為用戶(hù)提供了以下支持：與ANSI C集成的標準庫－提供類(lèi)似C語(yǔ)言的標準庫函數；設備驅動(dòng)，提供訪(fǎng)問(wèn)系統中的每個(gè)設備的驅動(dòng)程序；HAL API，提供標準的接口程序如設備訪(fǎng)問(wèn)、中斷處理等；系統初始化和設備初始化，提供main（ ）函數之前處理器和系統外圍設備的初始化?；贖AL的系統層次如圖2所示。

　　圖2 基于HAL的系統層次

　　3.3 接收終端軟件開(kāi)發(fā)

　　根據系統的功能，軟件設計流程圖如3所示。

　　圖3 軟件設計流程圖

3.3.1 終端初始化程序設計

　　終端初始化主要是在系統上電時(shí)完成硬件配置文件的下載，系統初始化和設備初始化等。使用main（ ） 函數，HAL系統庫能自動(dòng)初始化系統。但自動(dòng)初始化屏蔽了底層操作，一些沒(méi)有用到的設備驅動(dòng)程序也進(jìn)行了初始化，增加了程序代碼長(cháng)度和降低了系統效率，ANSI C標準提供了一個(gè)供用戶(hù)自由初始化系統的函數alt_main（ ），用戶(hù)可以在該函數中自由初始化系統而代替main（ ）的自動(dòng)初始化，本系統的alt_main（ ）函數如下：

　　3.3.2 定位數據的采集程序設計

　　定位數據的采集主要采集GPS和數字指南針的定位數據，采用串口接收中斷的方式。NIOS II中，串口包括6個(gè)16位的寄存器，在軟件中對應的數據結構為：

　　程序

　　串口被當成字符設備，對其訪(fǎng)問(wèn)可以通過(guò)標準輸入（stdin）和標準輸出（stdio）來(lái)完成，也可以通過(guò)打開(kāi)和寫(xiě)文件的方式，本系統采用直接訪(fǎng)問(wèn)寄存器方式，采用系統自動(dòng)生成的訪(fǎng)問(wèn)宏，這樣可以采用精簡(jiǎn)Newlib C，減少程序代碼長(cháng)度，并采用串口中斷方式接收數據，NIOS II中使用中斷首先要向系統注冊，并且要打開(kāi)硬件中斷。中斷采集GPS信號主要程序如下：

　　3.3.3 定時(shí)器中斷方式程序實(shí)現

　　系統采用定時(shí)中斷方式與監控中心通信，將定位數據發(fā)往監控中心。NIOS II提供了兩種類(lèi)型的時(shí)鐘，HAL系統時(shí)鐘（HAL system clock）和基于時(shí)標驅動(dòng)（timestamp driver）的時(shí)鐘，后者適用于對時(shí)鐘具有高精度的場(chǎng)合。系統時(shí)鐘提供了定時(shí)的功能，使用定時(shí)器和使用中斷方式一樣，首先要通過(guò) alt_alarm_start （ ）函數向系統注冊一個(gè)時(shí)鐘中斷，再在時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中實(shí)現GPRS發(fā)送，alt_alarm_start （ ）函數聲明如下：

　　alt_alarm_start （alarm，alt_ticks_per_second（ ），GPRS_ISR （ ），NULL）

　　其中alarm為定時(shí)中斷變量，由系統自動(dòng)初始化，第二個(gè)形參為注冊時(shí)鐘中斷后多長(cháng)時(shí)間后開(kāi)始執行服務(wù)程序，alt_ticks_per_second （ ）為每秒系統時(shí)鐘的“滴答”數，此處為一秒后開(kāi)始執行，GPRS_ISR （ ）為服務(wù)程序，NULL為服務(wù)程序的形參，此處為空。

　　定時(shí)中斷服務(wù)程序完成將定位數據通過(guò)GPRS模塊發(fā)往監控中心，通過(guò)串口向GPRS寫(xiě)數據實(shí)現，通過(guò)下條語(yǔ)句實(shí)現：IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA（BASE， DATA） //向串口寫(xiě)數據，BASE為串口基地址，DATA為要寫(xiě)入數據。

　　3.4 軟件開(kāi)發(fā)中應注意的問(wèn)題

　　針對NIOS II軟核處理軟件開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，總結以下需要注意的幾點(diǎn)：

　?。?） HAL系統庫作為NIOSⅡ處理器支持的軟件包，可以給軟件開(kāi)發(fā)人員提供便利，包括自動(dòng)初始化系統，可以使用ANSI C標準庫等，但這樣是以增加代碼長(cháng)度為代價(jià)的。

　?。?） 進(jìn)行NIOSⅡ軟核處理器的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)時(shí)可以通過(guò)多種方式減少軟件代碼和提高工作效率，包括使用自定義初始化函數alt_main（ ），使用精簡(jiǎn)Newlib C庫，優(yōu)化軟件