基于Nios II及GPS/GSM的汽車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言:

基于SoPC的汽車安全監(jiān)控系統(tǒng)采用Altera公司最新的SoPC(可編程片上系統(tǒng))解決方案——Nios處理器軟核為核心，配合GPS和GSM系統(tǒng)，對(duì)汽車的停放和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、記錄和儲(chǔ)存汽車在行駛過程中的各種數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)安全問題，立即采用GSM無線通信方式通知相關(guān)人員和單位，并隨時(shí)發(fā)送通過GPS獲得的汽車位置等數(shù)據(jù)，為問題的解決提供及時(shí)、準(zhǔn)確和可靠的信息，必要時(shí)通過GSM對(duì)汽車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

基于SoPC的汽車安全監(jiān)控系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于汽車的防盜、日常維護(hù)和交通事故的處理，為車輛故障提供有效的測(cè)試手段。

1 系統(tǒng)硬件組成

設(shè)計(jì)采用Altera公司的SoPC開發(fā)工具。系統(tǒng)的開發(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嵌入式處理器開發(fā)工具允許用戶配置一個(gè)或多個(gè)Nios CPU，從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中添加外圍設(shè)備，綜合處理自定義系統(tǒng)，與Quartus II設(shè)計(jì)軟件一起編譯系統(tǒng)。軟件開發(fā)的步驟是：利用SoPC Builder生成的軟件文件，用文本編輯器編寫匯編語言或C/C++源程序，用GNUPro軟件開發(fā)工具進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、連編和調(diào)試。GNUPro將源程序連編(包括匯編/編譯和連接)成可執(zhí)行程序，通過下載電纜對(duì)可執(zhí)行程序進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行。Quartus II設(shè)計(jì)軟件提供全面有效的設(shè)計(jì)環(huán)境，將設(shè)計(jì)、綜合、布局和驗(yàn)證以及第三方EDA工具接口集成在一個(gè)無縫的環(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(tǒng)。Nios是Altera公司開發(fā)的16/32位嵌入式處理器軟核。

* ?？蒲谢痦?xiàng)目“基于SOPC的汽車安全監(jiān)控系統(tǒng)”資助。 Altera公司推出了新一代多種系列FPGA，本設(shè)計(jì)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I/O引腳249。

系統(tǒng)硬件組成框圖由Nios系統(tǒng)和外部設(shè)備兩部分組成，如圖1所示。

Nios系統(tǒng)包括CPU(Nios)、存儲(chǔ)器(memory)、定時(shí)器(timer)、總線和并/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(xiàn)與鍵盤、LED和LCD顯示器、汽車中控系統(tǒng)以及GPS和GSM系統(tǒng)等外部設(shè)備的連接。Nios系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

Nios系統(tǒng)同鍵盤、LED和LCD顯示器、汽車中控系統(tǒng)以及GPS系統(tǒng)等外部設(shè)備的連接比較簡(jiǎn)單，GSM系統(tǒng)的連接較為復(fù)雜，如圖4所示。

整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是：來自汽車中控系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的信息可以顯示在LED和LCD顯示器上，也可以通過GSM系統(tǒng)進(jìn)行無線發(fā)送。用戶可以通過鍵盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，也可以通過GSM系統(tǒng)對(duì)汽車中控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線控制。

2 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)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(tǒng)的初始化，以及鍵盤、LED、LCD顯示器和汽車中控系統(tǒng)的操作管理等。

GPS管理子程序主要負(fù)責(zé)從GPS系統(tǒng)接收時(shí)間和位置信息。

請(qǐng)求GPS系統(tǒng)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(yīng)信息(查詢)，m為1~255時(shí)，每1~255 s輸出一次響應(yīng)信息(連續(xù));
C為校驗(yàn)和(Eqm按字節(jié)“異或”);
為回車(十六進(jìn)制0d);
為換行(十六進(jìn)制0a);
命令長(zhǎng)度為8字節(jié)。
命令的響應(yīng)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(zhǎng)度是96字節(jié)。
對(duì)應(yīng)的管理子程序?yàn)椋?br /> 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(zhǔn)備好
if(m!=n-3) {
sum^=data[m];/計(jì)算校驗(yàn)和
na_uart_0->np_uarttxdata=data[m];/發(fā)送數(shù)據(jù)
}else
na_uart_0->np_uarttxdata=sum; /發(fā)送校驗(yàn)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(shù)據(jù)
if(gps_buf[gps++]=="q") gps=0; /數(shù)據(jù)定位
if(gps>46) gps=46;/忽略無用數(shù)據(jù)
}

GSM管理子程序主要負(fù)責(zé)GSM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)管理。
GSM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)的管理子程序?yàn)椋?br /> 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(zhǔn)備好na_uart_1->np_uarttxdata=data[m]; /發(fā)送數(shù)據(jù)
}
}
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(shù)據(jù)
if(gsm_buf[gsm]=="T") gsm=1;
/數(shù)據(jù)定位
if(++gsm==18) gsm=2;
}

3 設(shè)計(jì)調(diào)試方法和設(shè)計(jì)結(jié)果

在Quartus II中使用SignalTapII嵌入式邏輯分析儀可以實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的信號(hào)數(shù)據(jù)。被觀察的信號(hào)可以多進(jìn)制數(shù)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(duì)某個(gè)模塊的測(cè)試結(jié)束后，可以在設(shè)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(jié)果表明：基于SoPC的汽車安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常，定位準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸可靠，操作管理方便。如果再配備上GIS(地理信息系統(tǒng))，整個(gè)系統(tǒng)將如虎添翼。