基于SOPC技術(shù)的便攜式定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開(kāi)拓，目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門(mén)，并開(kāi)始逐步深入人們的日常生活。當(dāng)前基于GPS定位產(chǎn)品體積一般較大，且處理核心大多采用單片機(jī)，單板機(jī)等，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本高，產(chǎn)品升級(jí)不方便，生命周期短。

超大規(guī)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(xiàn)整個(gè)的嵌入式系統(tǒng)成為可能。SOPC（System on a programmable chip）技術(shù)將CPU，存儲(chǔ)器，I/O接口等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必須的模塊集成在一片F(xiàn)PGA上，具有設(shè)計(jì)靈活，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)、軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能[1]。
本文設(shè)計(jì)了一種基于SOPC技術(shù)的便攜式定位系統(tǒng)，并針對(duì)GPS在城市高樓和地下停車場(chǎng)等地方容易出現(xiàn)定位盲區(qū)的問(wèn)題，提出采用GPS/數(shù)字指南針組合定位的解決方案。本文首先介紹了系統(tǒng)組成和硬件實(shí)現(xiàn)，再對(duì)軟件開(kāi)發(fā)作了詳細(xì)分析，并給出了源程序，最后對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

基于NIOSⅡ的便攜式組合定位系統(tǒng)由兩部分組成：接收終端和監(jiān)控中心。接收終端接收GPS/數(shù)字指南針組合定位信號(hào)，并通過(guò)GPRS模塊發(fā)往監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將接收到的組合定位信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，采用基于模糊模式識(shí)別技術(shù)的地圖匹配法，借助GIS電子地圖庫(kù)中的高精度道路信息作為分類模板來(lái)進(jìn)行模式識(shí)別，根據(jù)識(shí)別結(jié)果來(lái)提高GPS接收數(shù)據(jù)的定位精度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(quán)用戶也可以通過(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(bào)警按鈕，由監(jiān)控中心實(shí)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理。

2 接收終端硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接收終端硬件由一塊FPGA芯片和GPS模塊，GPRS模塊，數(shù)字指南針模塊，報(bào)警模塊等組成，在FPGA芯片中主要實(shí)現(xiàn)NIOSⅡ軟核處理器，片上存儲(chǔ)器和數(shù)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，能和用戶邏輯相結(jié)合，編程至
Altera FPGA中。處理器具有32位指令集，32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令及數(shù)據(jù)緩沖，實(shí)現(xiàn)成本低，在FPGA中實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際需求在多種系統(tǒng)設(shè)置組合中進(jìn)行選擇，達(dá)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(xiàn)更新，非常方便。

根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)如圖1所示，在一塊Altera EP1C12Q240C8 FPGA上實(shí)現(xiàn)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片上總線相連，該總線規(guī)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(tǒng)

UART串口通信模塊用于NIOSⅡ處理器和外部的通信，本系統(tǒng)通過(guò)串口采集GPS和數(shù)字指南針的定位信號(hào)，并通過(guò)串口將定位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)發(fā)給GPRS模塊發(fā)往監(jiān)控中心。On Chip RAM為系統(tǒng)提高片上存儲(chǔ)單元，CY1C12Q240C8提供了239,616 bits的RAM單元，系統(tǒng)無(wú)需擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。Epcs controller模塊用于系統(tǒng)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(tǒng)定時(shí)中斷，報(bào)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(jiān)控中心報(bào)警。電源模塊給系統(tǒng)提供系統(tǒng)電源，晶振模塊給系統(tǒng)提供系統(tǒng)時(shí)鐘。

3 接收終端軟件實(shí)現(xiàn)

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(shù)據(jù)的采集和與監(jiān)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(kuò)展的Eclipse平臺(tái)，為軟件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)完整的C/C++設(shè)計(jì)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(diào)試功能的圖形用戶界面(GUI)，借助于HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層）可以用類似C語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)來(lái)訪問(wèn)硬件設(shè)備或文件[3]，縮短軟件開(kāi)發(fā)周期。

3.2 HAL系統(tǒng)庫(kù)

HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層）系統(tǒng)庫(kù)可以為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員訪問(wèn)底層硬件提供簡(jiǎn)單的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，NIOS II軟核處理器支持HAL，其為用戶提供了以下支持：與ANSI C集成的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)－提供類似C語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)；設(shè)備驅(qū)動(dòng)，提供訪問(wèn)系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序；HAL API，提供標(biāo)準(zhǔn)的接口程序如設(shè)備訪問(wèn)、中斷處理等；系統(tǒng)初始化和設(shè)備初始化，提供main( )函數(shù)之前處理器和系統(tǒng)外圍設(shè)備的初始化?；贖AL的系統(tǒng)層次如圖2所示。

3.3 接收終端軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)系統(tǒng)的功能，軟件設(shè)計(jì)流程圖如3所示。

3.3.1 終端初始化程序設(shè)計(jì)

終端初始化主要是在系統(tǒng)上電時(shí)完成硬件配置文件的下載，系統(tǒng)初始化和設(shè)備初始化等。使用main( ) 函數(shù)，HAL系統(tǒng)庫(kù)能自動(dòng)初始化系統(tǒng)。但自動(dòng)初始化屏蔽了底層操作，一些沒(méi)有用到的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也進(jìn)行了初始化，增加了程序代碼長(zhǎng)度和降低了系統(tǒng)效率，ANSI C標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)供用戶自由初始化系統(tǒng)的函數(shù)alt_main( )，用戶可以在該函數(shù)中自由初始化系統(tǒng)而代替main( )的自動(dòng)初始化，本系統(tǒng)的alt_main( )函數(shù)如下：
int alt_main(void)
{ alt_irq_init (ALT_IRQ_BASE); //允許中斷，初始化中斷
     small_sys_init( ) //初始化設(shè)備驅(qū)動(dòng)
alt_io_redirect (ALT_STDOUT, ALT_STDIN, ALT_STDERR); //初始化IO數(shù)據(jù)流
exit(0);    }       

 圖2 基于HAL的系統(tǒng)層次   

      圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3.2 定位數(shù)據(jù)的采集程序設(shè)計(jì)

定位數(shù)據(jù)的采集主要采集GPS和數(shù)字指南針的定位數(shù)據(jù)，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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

typedef volatile struct
{ int np_uartrxdata;       //接收數(shù)據(jù)寄存器，只讀
int np_uarttxdata;         //發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，只寫(xiě)
int np_uartstatus;           //狀態(tài)寄存器，只讀
int np_uartcontrol;          //控制寄存器，可讀寫(xiě)
int np_uartdivisor;       // 波特率除數(shù)寄存器，可讀寫(xiě)
int np_uartendofpacket;    // 數(shù)據(jù)包結(jié)束符寄存器，可讀寫(xiě)
} np_uart;

串口被當(dāng)成字符設(shè)備，對(duì)其訪問(wèn)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸入(stdin)和標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)采用直接訪問(wèn)寄存器方式，采用系統(tǒng)自動(dòng)生成的訪問(wèn)宏，這樣可以采用精簡(jiǎn)Newlib C，減少程序代碼長(zhǎng)度，并采用串口中斷方式接收數(shù)據(jù)，NIOS II中使用中斷首先要向系統(tǒng)注冊(cè)，并且要打開(kāi)硬件中斷。中斷采集GPS信號(hào)主要程序如下：

IOWR_ALTERA_AVALON_UART_CONTROL(UART2_BASE, 0X80) //向串口2控制寄存器寫(xiě)命令字，打開(kāi)串口2接收中斷，0x80為開(kāi)接收中斷命令字，串口2為與GPS模塊通信串口。
int alt_irq_register (alt_u32  UART2_IRQ,
void* context,
void (*UART2_ISR)(void*, alt_u32));
//向系統(tǒng)注冊(cè)中斷，UART2_IRQ為串口2中斷號(hào)，中斷號(hào)越小優(yōu)先級(jí)越高，context為中斷服務(wù)程序UART2_ISR ( ) 的一個(gè)形參
Static UART2_ISR (void *contex,alt_u32 id)
//中斷服務(wù)程序，串口有數(shù)據(jù)送入引起串口中斷，執(zhí)行該服務(wù)程序
{ *[buffer+i]=IORD_ALTERA_AVALON_UART_RXDATA(UART2_BASE)
//從串口2接收GPS定位數(shù)據(jù)，并存入緩沖。
… …
}

3.3.3 定時(shí)器中斷方式程序?qū)崿F(xiàn)

系統(tǒng)采用定時(shí)中斷方式與監(jiān)控中心通信，將定位數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)控中心。NIOS II提供了兩種類型的時(shí)鐘，HAL系統(tǒng)時(shí)鐘(HAL system clock)和基于時(shí)標(biāo)驅(qū)動(dòng)(timestamp driver)的時(shí)鐘，后者適用于對(duì)時(shí)鐘具有高精度的場(chǎng)合。系統(tǒng)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(shù)向系統(tǒng)注冊(cè)一個(gè)時(shí)鐘中斷，再在時(shí)鐘中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)GPRS發(fā)送，alt_alarm_start ( )函數(shù)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(tǒng)自動(dòng)初始化，第二個(gè)形參為注冊(cè)時(shí)鐘中斷后多長(zhǎng)時(shí)間后開(kāi)始執(zhí)行服務(wù)程序，alt_ticks_per_second ( )為每秒系統(tǒng)時(shí)鐘的“滴答”數(shù)，此處為一秒后開(kāi)始執(zhí)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(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)往監(jiān)控中心，通過(guò)串口向GPRS寫(xiě)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)下條語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)：IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA(BASE, DATA) //向串口寫(xiě)數(shù)據(jù)，BASE為串口基地址，DATA為要寫(xiě)入數(shù)據(jù)。
3.4 軟件開(kāi)發(fā)中應(yīng)注意的問(wèn)題

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

(1) HAL系統(tǒng)庫(kù)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(tǒng)，可以使用ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等，但這樣是以增加代碼長(zhǎng)度為代價(jià)的。

(2) 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(shù)alt_main( )，使用精簡(jiǎn)Newlib C庫(kù)，優(yōu)化軟件編譯參數(shù)，自定義指令等，但這樣無(wú)疑對(duì)軟件開(kāi)發(fā)人員提出了更高的要求。

(3) 編寫(xiě)中斷服務(wù)程序時(shí)要注意防止系統(tǒng)“死鎖”，尤其是使用ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)訪問(wèn)IO設(shè)備時(shí)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)樣機(jī)與GPS單一定位的定位系統(tǒng)在武漢徐東地下通道進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，GPS單一定位的定位系統(tǒng)在地下通道區(qū)出現(xiàn)了定位盲區(qū)，而本系統(tǒng)接收終端在地下通道行走時(shí)，監(jiān)控中心地圖上還可以實(shí)時(shí)顯示軌跡，克服了以往單一GPS定位系統(tǒng)的定位盲區(qū)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性并體現(xiàn)了其優(yōu)越性。

5  總結(jié)

圖5 GPS單一定位軌跡                  圖6 本系統(tǒng)定位軌跡

本文采用SOPC技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于NIOSII軟核處理器的便攜式組合定位系統(tǒng)，并采用GPS和數(shù)字指南針組合定位，克服了單一GPS定位的盲區(qū)。與傳統(tǒng)的便攜式定位產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)發(fā)成本低，產(chǎn)品生命周期長(zhǎng)，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)體積小，便于攜帶，并可以縫制在衣服、飾物品中。適合于老人、小孩、智障人群佩戴，以便對(duì)他們進(jìn)行監(jiān)控，防止他們走失，也適合一些特殊行業(yè)，例如郵政、公安、電力、冶金行業(yè)，市場(chǎng)前景可觀。