基于Nios II軟核的內(nèi)河航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 闡述了基于NiosⅡ軟核的內(nèi)河航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，及AD7862控制電路的VHDL設(shè)計(jì)。從系統(tǒng)的角度提出航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)方案，給出基于Nios II的航標(biāo)監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)框圖，并得到在Modesim中進(jìn)行仿真的結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況顯示，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)航標(biāo)的工作狀態(tài)，達(dá)到系統(tǒng)工業(yè)級(jí)的品質(zhì)保證，并且具有高可靠性、高實(shí)時(shí)性和維護(hù)方便性等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 Nios II；SOPC builder；FPGA；航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)

    內(nèi)河水運(yùn)是國(guó)家綜合運(yùn)輸體系和水資源綜合利用的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。航標(biāo)是內(nèi)河航道的基礎(chǔ)助航設(shè)施，傳統(tǒng)的航標(biāo)管理模式落后，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，實(shí)時(shí)性、安全性能差，已無(wú)法滿足當(dāng)前日益繁忙的航道運(yùn)輸所提出的高質(zhì)量安全航行的需求。
    Nios II是Altera公司推出的基于RISC技術(shù)的軟核CPU，作為一種用戶可隨意配置和構(gòu)建的32位總線嵌入式系統(tǒng)微處理器軟核，它的硬件設(shè)計(jì)方面用戶是可自定制的，具有靈活性和可裁減性等優(yōu)點(diǎn)。
    結(jié)合內(nèi)河航道航標(biāo)管理的實(shí)際情況，介紹了一種新的基于Nios II軟核的航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)預(yù)期功能，為監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)航標(biāo)的工作參數(shù)與狀態(tài)，管理信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而提高航標(biāo)的可靠性，增強(qiáng)航道航行的安全性，提高管理效率。

1 系統(tǒng)終端硬件電路的實(shí)現(xiàn)
    航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)終端硬件設(shè)計(jì)主要包括GSM短消息發(fā)送模塊、GPS數(shù)據(jù)采集模塊、碰撞壓力處理電路等組成的外圍設(shè)備，還有以32位Nios II CORE為主體的核心邏輯兩個(gè)主要部分組成，系統(tǒng)終端硬件框圖如圖1所示。

1．1 外圍設(shè)備
    外圍設(shè)備是指某些具體控制電路或模塊接口，它們都是非邏輯的，而且無(wú)法在FPGA／CPLD中用可編程邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1．1．1 碰撞壓力處理電路
    對(duì)航標(biāo)是否受到碰撞須作實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免航標(biāo)受碰撞損壞，而導(dǎo)致未能給航行體作正確指示，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，碰撞壓力信號(hào)測(cè)量的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

    力傳感器采樣數(shù)據(jù)送兩級(jí)運(yùn)放LM324進(jìn)行調(diào)節(jié)放大后，送入雙12位A／D轉(zhuǎn)換器的VA1和VA2。AD7862以250 kHz的采樣率同時(shí)進(jìn)行4個(gè)通道信號(hào)采樣，輸入給片內(nèi)采樣一保持放大器的信號(hào)經(jīng)差分并在ADC輸入期間內(nèi)保持，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的數(shù)字信號(hào)。
1．1．2 GSM、GPS模塊
    控制中心GSM Modem選用Siemens公司的無(wú)線通信引擎TC35終端，它由引擎模塊、天線及其外圍電路組成。監(jiān)控終端TC35i模塊的用戶口采用40腳的ZIP插座，其中包含了模擬音頻、RS232接口、SIM卡接口和電源，外圍電路主要是SIM卡電路和啟動(dòng)控制電路。
    GPS數(shù)據(jù)采集模塊采用美國(guó)泰雷茲導(dǎo)航定位公司(Thales Navigation)的一款高性能、低功耗的小型GPS接收機(jī)B12 OEM，通過(guò)獨(dú)特的軟件算法和最新的GPS技術(shù)，泰勒茲公司把B12優(yōu)化成快速處理、導(dǎo)航、車輛跟蹤、移動(dòng)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程信息處理的手持產(chǎn)品。它支持差分遠(yuǎn)程操作，可提高系統(tǒng)差分定位精度。
1．2 片內(nèi)邏輯的設(shè)計(jì)
    將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為與實(shí)際系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型的過(guò)程稱為邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。FPGA的片內(nèi)邏輯設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)模塊和用戶自定制邏輯區(qū)域。系統(tǒng)模塊是指由SOPC builder自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)，SOPC builder會(huì)根據(jù)用戶選擇的IP生成相應(yīng)的HDL描述文件。用戶自定制邏輯區(qū)域內(nèi)可以包含用戶自定義的Avalon外設(shè)，以及與系統(tǒng)模塊無(wú)關(guān)的其他用戶自定制邏輯。
    利用FPGA中的可編程邏輯資源和現(xiàn)有IP軟核，如Nios II核、片內(nèi)Boot ROM、用于FIFO的片內(nèi)雙口RAM、定時(shí)器Timer、JTAG UART等來(lái)構(gòu)成該嵌入式系統(tǒng)處理器的接口功能模塊。
1．2．1 串行通信接口UART
    UART是基于RS232通信協(xié)議的串行通信接口，用于在Altera的FPGA中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的RS232異步發(fā)送和接收邏輯。因?yàn)镚SM、GPS模塊兩者的數(shù)據(jù)通信接口都為標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口，因此，可方便地與NiosⅡ系統(tǒng)的串口相連。
    圖1所示的監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)框圖中，UART-1連接GSM短消息發(fā)送模塊TC35i，利用AT命令控制TC35i收發(fā)信息和撥號(hào)，控制中通過(guò)RS232串口與GSM TC35 Modem通信。GSM模塊接入GSM網(wǎng)絡(luò)，按照規(guī)定的通信協(xié)議，以短信方式完成航標(biāo)的工作參數(shù)與狀態(tài)信息的傳輸。
    UART-2連接GPS OEM板，通過(guò)GPS定位模塊的接收天線接收導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)解調(diào)處理，獲取航標(biāo)燈的位置信息，包括航標(biāo)燈的代碼、位置的經(jīng)緯度、測(cè)定時(shí)間等信息，再將經(jīng)緯度坐標(biāo)通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)傳送給監(jiān)控中心。
1．2．2 自定制AD7862接口VHDL設(shè)計(jì)
    Nios II是一個(gè)可靈活定制的CPU，它的外設(shè)是可選的IP軟核或自定制邏輯。通過(guò)自定義編寫(xiě)AD7862接口的VHDL代碼，編寫(xiě)其用戶邏輯作為系統(tǒng)外設(shè)，部分VHDL代碼如下

    對(duì)于這個(gè)控制電路設(shè)計(jì)，利用Modesim進(jìn)行仿真如圖3所示，通過(guò)分析該設(shè)計(jì)符合時(shí)序要求。

2 系統(tǒng)終端軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
    利用SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)的硬件后，SOPC Builder還為編寫(xiě)操作這些片上硬件的軟件代碼提供了一個(gè)Nios II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE，這個(gè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境包括語(yǔ)言的頭文件、外圍接口的驅(qū)動(dòng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，可完成整個(gè)軟件工程的編緝、編譯、調(diào)試和下載等過(guò)程，提高了軟件的開(kāi)發(fā)效率。
    主控制程序是通過(guò)采集數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、狀態(tài)查詢、位置顯示等功能。系統(tǒng)進(jìn)行給GSM上電復(fù)位，設(shè)置航標(biāo)燈的4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)區(qū)域信息；設(shè)定4個(gè)GPS工作時(shí)間間隔；航標(biāo)燈其他系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)是否需要重啟等，程序流程如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    介紹了一種基于Nios II軟核處理器的內(nèi)河航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)和限定的硬件組織和連接的控制系統(tǒng)方案相比，F(xiàn)PGA強(qiáng)大的邏輯控制性結(jié)合Nios II軟核的靈活的功能，可方便地實(shí)現(xiàn)功能修改和添加；高度地集成能力，較大程度上減少產(chǎn)品體積以及外部信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾，增加了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。利用GSM和GPS進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，而且在成本上具有較大地優(yōu)勢(shì)。