摘要：為了克服一般車載導(dǎo)航系統(tǒng)定位不連貫的缺陷，利用NiosⅡ" title="NiosⅡ">NiosⅡ軟核處理器配置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合GPS" title="GPS">GPS和GSM" title="GSM">GSM模塊，設(shè)計(jì)出了一種基于SoPC技術(shù)的雙重定位系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)利用SoPC Builder開發(fā)工具將NiosⅡ處理器、存儲(chǔ)器和接口等組件及μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)快速地嵌入到FPGA" title="FPGA">FPGA中，用單個(gè)芯片完成了人機(jī)交互模塊、控制模塊和通信模塊等功能，較一般的GPS導(dǎo)航設(shè)備更能實(shí)現(xiàn)較高精度的實(shí)時(shí)連續(xù)系統(tǒng)定位，且該設(shè)計(jì)在不改變硬件的基礎(chǔ)上可方便升級(jí)、擴(kuò)展更多功能。
關(guān)鍵詞：FPGA；GPS；NiosⅡ；μC／OS-Ⅱ

0 引言
    目前在車輛GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，主要是直接利用無差分、無SA誤差的GPS定位數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)車輛在地圖上的定位?？紤]到定位信號(hào)存在一定的誤差，5％概率下誤差會(huì)超過15 m，同時(shí)城市中建筑物、橋梁以及樹木等還對(duì)GPS信號(hào)形成遮擋，甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)失效，從而進(jìn)一步影響定位精度。而車在行進(jìn)過程中進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，尤其是在路口以及立交橋等特殊地點(diǎn)的導(dǎo)航時(shí)，系統(tǒng)往往需要更為精確的定位。為此，本設(shè)計(jì)充分利用了FPGA強(qiáng)大的邏輯控制功能和NiosⅡ處理器的多可配置標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口功能，結(jié)合GPS和GSM功能模塊，設(shè)計(jì)了一款雙重定位系統(tǒng)。通常情況下用GPS進(jìn)行定位，在特殊情況下可以開通GSM網(wǎng)絡(luò)定位功能實(shí)現(xiàn)雙定位，再通過GSM網(wǎng)絡(luò)將定位信息、時(shí)間和終端特殊信息傳送到監(jiān)控中心，或者接收監(jiān)控中心傳來的信息，完成定位和監(jiān)控等功能。

1 NiosⅡ軟核嵌入式處理器
    NiosⅡ處理器是Altera公司的第二代用戶可配置的通用32位RISC軟核微處理器，是Altera公司特有的基于通用FPGA架構(gòu)的軟CPU內(nèi)核。N-iosⅡ系列支持使用專用指令。專用指令是用戶增加的硬件模塊，它增加了算術(shù)邏輯單元(ALU)。用戶能為系統(tǒng)中使用的每個(gè)NiosⅡ處理器創(chuàng)建多達(dá)256個(gè)專用指令，這使得設(shè)計(jì)者能夠細(xì)致地調(diào)整系統(tǒng)硬件以滿足性能目標(biāo)。專用指令邏輯和本身NiosⅡ指令相同，能夠從多達(dá)兩個(gè)源寄存器取值，可選擇將結(jié)果寫回目標(biāo)寄存器。同時(shí)，NiosⅡ系列支持60多個(gè)外設(shè)選項(xiàng)，開發(fā)者能夠選擇合適的外設(shè)，獲得最合適的處理器、外設(shè)和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能。在FPGA中使用軟核處理器比硬核的優(yōu)勢(shì)在于，硬核實(shí)現(xiàn)沒有靈活性，通常無法使用最新的技術(shù)。隨著系統(tǒng)日益先進(jìn)，基于標(biāo)準(zhǔn)處理器的方案會(huì)被淘汰，而基于NiosⅡ處理器的方案是基于HDL源碼構(gòu)建的，能夠修改以滿足新的系統(tǒng)需求，避免了被淘汰的命運(yùn)。將處理器實(shí)現(xiàn)為HDL的IP核，開發(fā)者能夠完全定制CPU和外設(shè)，獲得恰好滿足需求的處理器。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    定位終端系統(tǒng)的硬件由一塊FPGA芯片和GPS模塊，GSM模塊，外部存儲(chǔ)SDRAM，F(xiàn)LASH，SRAM，LCD及控制模塊等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。FPGA芯片主要實(shí)現(xiàn)NiosⅡ軟核處理器、片上存儲(chǔ)器和各種接口驅(qū)動(dòng)等功能，其包括NiosⅡ系統(tǒng)和外設(shè)兩部分。NiosⅡ系統(tǒng)包括NiosⅡ處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器、串行接口、并行接口和連接各個(gè)組件的Avalon交換結(jié)構(gòu)總線。其中GPS_UART和GSM_UART分別實(shí)現(xiàn)與GPS和GSM模塊的串行通信，LCD控制器實(shí)現(xiàn)與人機(jī)交互模塊的連接。

2．1 GPS和GSM模塊
    對(duì)于GPS模塊，采用Zarlink公司的GP2015，它的主要任務(wù)是對(duì)接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行外差式下變頻，內(nèi)部包括一個(gè)片內(nèi)頻率合成器、三級(jí)混頻器、自動(dòng)增益控制電路及量化器。在其內(nèi)部使用鎖相環(huán)頻率合成器合成本地參考信號(hào)，然后和接收信號(hào)進(jìn)行混頻。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，射頻前端GP2015需要兩個(gè)外部時(shí)鐘，一個(gè)是10 MHz的基準(zhǔn)頻率，另一個(gè)是其內(nèi)部A／D的采樣時(shí)鐘，頻率為5．714 MHz；在GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，射頻前端與基帶處理模塊的時(shí)鐘相位保持一致或相位誤差比較小時(shí)，有助于提高接收機(jī)的定位精度。考慮到這一點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中FPGA和射頻前端共用一個(gè)時(shí)鐘源，給FPGA提供一個(gè)40 MHz的基準(zhǔn)頻率，F(xiàn)PGA經(jīng)過內(nèi)部的鎖相環(huán)提供10 MHz和5．714 MHz的時(shí)鐘信號(hào)給射頻前端，保證了前端和基帶處理時(shí)鐘的同源。在GP2015內(nèi)部還集成了一個(gè)兩位A／D轉(zhuǎn)換器，模擬中頻輸入為4．309 MHz，輸出兩位的數(shù)字中頻信號(hào)，頻率為1．405 MHz。GSM模塊采用Siemens公司的TC35，該型號(hào)的GSM模塊工作在EGSM 900 MHz和GSM1 800 MHz頻率波段，提供話音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線連接，使用40引腳的零插力連接器作為控制數(shù)據(jù)、話音信號(hào)和電源線的應(yīng)用接口。其串口通信波特率在300 b／s～115 Kb／s之間可選，也可以在1 200 b／s～115 Kb／s之間的8種波特率間自動(dòng)適配。
2．2 創(chuàng)建QuartusⅡ工程
    創(chuàng)建項(xiàng)目工程名為GPS，芯片選型為EP2C20F484C7，并創(chuàng)建一個(gè)原理圖文件GPS．bdf。
2．3 啟動(dòng)SoPC Builder并配置硬件系統(tǒng)
    將生成的NiosⅡ標(biāo)準(zhǔn)型CPU應(yīng)用到系統(tǒng)中，debug level位設(shè)為1，系統(tǒng)復(fù)位映射到FLASH中，地址為0X0；異常映射到SRAM中，地址為0X-20．然后添加自己定制的LCD控制模塊LCD_interface．v到NiosⅡ系統(tǒng)中。選擇RS 232串口作為系統(tǒng)與GPS接收模塊的接口，在系統(tǒng)構(gòu)架中添加UAWT組件，命名為GPS_UART，波特率設(shè)為9 600 b／s．并選擇DMA數(shù)據(jù)傳輸控制項(xiàng)。在組件中選擇valonCornponenst／others／Interval Timer，在彈出的對(duì)話框中配置Initial Period項(xiàng)為1 ms，數(shù)據(jù)位寬為32。SDRAM作為存儲(chǔ)介質(zhì)保存數(shù)據(jù)，data width設(shè)為16，address width中row為12，column為8。添加SRAM模塊用來存儲(chǔ)程序，memory sizes為4 MB，添加CFI-Flash模塊，用來存儲(chǔ)圖像及系統(tǒng)配置信息，在SoPC Builder左側(cè)的組件欄中選擇Avalon Components／Flash Memory，雙擊組件，選擇address width為22，data width為8；還需要添加EPCS Controller，具體方法是：選擇SoPC Builder左側(cè)組件欄中的Avalon Components／Memory／EPCS Serial Flash Controller，單擊Finish，完成組件添加。
    添加Flash Controller模塊，用來控制FLASH工作。由于FLASH的數(shù)據(jù)總線是三態(tài)的，所以NiosⅡCPU在與FLASH進(jìn)行連接時(shí)需要添加Ava-lon總線三態(tài)橋控制模塊Tri_state_bridge，用來連接FLASH模塊；添加自己定制的GPS控制模塊。最后添加系統(tǒng)ID模塊。配置完成后選擇Sy-stem Generation標(biāo)簽，單擊Generate按鈕，啟動(dòng)系統(tǒng)生成。
2．4 創(chuàng)建QuartusⅡ頂層模塊并集成NiosⅡ硬件系統(tǒng)
    在GPS．bdf中添加生成的NiosⅡ系統(tǒng)，配置外圍接口電路，生成完整的硬件系統(tǒng)構(gòu)架。如圖2所示。

    選擇Start Analysis＆Synthesis開始分析和綜合，完成后進(jìn)行引腳分配，檢查無誤后執(zhí)行Start Assembier，對(duì)輸入設(shè)計(jì)進(jìn)行匯編；將匯編好的編程配置文件GPS．sof通過JTAG方式下載到定位終端目標(biāo)板上，即可完成硬件的所有綜合設(shè)計(jì)。

3 利用NiosⅡIDE進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件總體構(gòu)成
    定位系統(tǒng)軟件主要完成定位信息的采集和定位終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信，主要由主程序、顯示程序、GPS信息處理程序和GSM信息處理程序組成。主程序完成系統(tǒng)的初始化、自檢、人機(jī)交互操作和定位信息的處理等功能。
3．2 GSM網(wǎng)絡(luò)定位及通信
    目前，中國移動(dòng)和中國聯(lián)通的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)既是語音通信網(wǎng)絡(luò)，又是一個(gè)能提供豐富數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，只要當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)開通了位置服務(wù)功能，選用支持STK的SIM卡，即可通過STK命令得到位置信息。GSM網(wǎng)絡(luò)通信主要以短消息的方式進(jìn)行，包括短消息的接收和發(fā)送。在短消息的收發(fā)程序設(shè)計(jì)中運(yùn)用AT命令來實(shí)現(xiàn)，其包括定位和監(jiān)控信息的編碼和解碼、通信模式設(shè)定和聯(lián)機(jī)測試、短消息的收發(fā)、收發(fā)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵命令字的模式匹配。
3．3 GPS信號(hào)定位
    在進(jìn)行信號(hào)穩(wěn)定跟蹤以前，首先需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲來確定信號(hào)是否存在。通用接收機(jī)對(duì)載波信號(hào)的捕獲通常采用一維的串行相關(guān)搜索。在本文所描述的高動(dòng)態(tài)情況下，載波多普勒頻偏最大為±14 kHz，若選擇頻率搜索步進(jìn)為500 Hz，需要57次才能完成整個(gè)28 kHz帶寬的搜索，顯然非常耗費(fèi)時(shí)間。而利用傅里葉變換將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域后，通過把原來的時(shí)域串行搜索變?yōu)轭l域并行搜索，進(jìn)行1次并行搜索就能等同于傳統(tǒng)方式下的57次串行搜索，大大節(jié)約了搜索時(shí)間。GPS定位流程如圖3所示。

3．4 GPS信號(hào)追蹤
    完成信號(hào)捕獲后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確穩(wěn)定的跟蹤，保證后續(xù)導(dǎo)航電文的正確解調(diào)。載波跟蹤環(huán)由預(yù)檢測積分器、環(huán)路鑒別器和濾波器組成，圖4為GPS信號(hào)載波L1的跟蹤環(huán)路框圖。
3．5 Kalman濾波算法
    目前，比較難處理的是GPS信號(hào)隨機(jī)誤差系統(tǒng)中的多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)誤差是人們關(guān)注最多的誤差，嚴(yán)重影響GPS測量精度。嚴(yán)重時(shí)還將引起信號(hào)失鎖。信號(hào)在到達(dá)接收機(jī)之前可能經(jīng)過多路反射、干涉，導(dǎo)致信號(hào)相位和光程產(chǎn)生很大變化。該類誤差較難處理，不能通過差分處理補(bǔ)償。針對(duì)上述現(xiàn)象本文提出一種在多路徑條件下的Kalman濾波算法，Kalman濾波器是一種線性最小方差濾波器，它不但考慮了信號(hào)與測量值的基本統(tǒng)計(jì)特性(一、二階統(tǒng)計(jì)特性)，而且，由于采用了狀態(tài)空間的概念，用狀態(tài)方程描述系統(tǒng)，信號(hào)作為狀態(tài)，所以，它既能估計(jì)平穩(wěn)的標(biāo)量信號(hào)隨機(jī)過程，又能估計(jì)非平穩(wěn)的矢量隨機(jī)過程。它能夠從一系列的不完全包含噪聲的測量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。所以被廣泛用于自動(dòng)導(dǎo)航和定位系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)利用Kalman Filter以及回歸直線的平滑化，有效改善了多路徑環(huán)境下的GPS測位結(jié)果的連續(xù)性和直線性，用在GPS／GSM導(dǎo)航系統(tǒng)中，使系統(tǒng)做到定位精準(zhǔn)、連續(xù)、無盲區(qū)。圖5是Kalman濾波器的運(yùn)算框圖。
3．6 系統(tǒng)整合實(shí)現(xiàn)
   啟動(dòng)NiosⅡIDE工作環(huán)境，創(chuàng)建工程。
   選擇主菜單File／New／Project，選擇Altera NiosⅡ／C／C++ Application，設(shè)置工程名為GPS，在SoPCBuilder Systam選項(xiàng)中選擇Sy-stem．ptf文件，該文件包含由SoPC Builder創(chuàng)建的NiosⅡ系統(tǒng)硬件信息，選擇Blank Project模板，將C軟件代碼導(dǎo)入工程中。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ是一個(gè)完整的、可移植、固化和裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC／OS-Ⅱ提供以下系統(tǒng)服務(wù)：任務(wù)管理、事件標(biāo)志、消息傳遞、內(nèi)存管理、信號(hào)量、時(shí)間管理。在應(yīng)用程序中，可以方便地利用這些調(diào)用實(shí)現(xiàn)復(fù)雜實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制功能。在NiosⅡIDE環(huán)境下，選擇Tools／Fl-ash Programmer，在彈出的對(duì)話框中選定下載一個(gè)文件到FLASH存儲(chǔ)器中，單擊右側(cè)Browse按鈕，選擇已經(jīng)保存好的電子地圖文件(raw格式  )。指定存儲(chǔ)器(Memory)為cfi_flash，偏移地址(Offset)為0X1000，單擊Program Flash下載。
    僅有GPS導(dǎo)航的狀態(tài)下與在GPS+GSM共同導(dǎo)航的狀態(tài)下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最終效果對(duì)比如圖6，圖7所示。

4 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)在以FPGA為核心，利用NiosⅡ軟核的集成度高、配置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了GPS+GSM的雙重定位系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)車載定位" title="車載定位">車載定位系統(tǒng)的不足，做到定位可靠，無盲區(qū)的效果。μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的嵌入，使系統(tǒng)的整體控制能力增強(qiáng)，為后期添加復(fù)雜的智能導(dǎo)航算法及擴(kuò)展成為移動(dòng)多媒體平臺(tái)奠定了基礎(chǔ)。