隨著GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn),應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓,目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各種部門,并開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,單板機等,產(chǎn)品開發(fā)周期長,開發(fā)成本高,產(chǎn)品升級不方便,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現(xiàn)整個的嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計所必須的模塊集成在一片F(xiàn)PGA上,具有設(shè)計靈活,可裁減、可擴充、可升級、軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能[1]。
本文設(shè)計了一種基于SOPC技術(shù)的便攜式定位系統(tǒng),并針對GPS在城市高樓和地下停車場等地方容易出現(xiàn)定位盲區(qū)的問題,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)組成和硬件實現(xiàn),再對軟件開發(fā)作了詳細(xì)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(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,并通過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進(jìn)行數(shù)據(jù)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模板來進(jìn)行模式識別,根據(jù)識別結(jié)果來提高GPS接收數(shù)據(jù)的定位精度,實現(xiàn)數(shù)據(jù)與電子地圖的實時匹配,實時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 Internet隨時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(jiān)控中心實時進(jìn)行相應(yīng)處理。
2 接收終端硬件設(shè)計
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,報警模塊等組成,在FPGA芯片中主要實現(xiàn)NIOSⅡ軟核處理器,片上存儲器和數(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,實現(xiàn)成本低,在FPGA中實現(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)計人員可根據(jù)實際需求在多種系統(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200DMIP的性能[2]??梢酝ㄟ^下載硬件配置文件到FPGA來實現(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)通過串口采集GPS和數(shù)字指南針的定位信號,并通過串口將定位信號和報警信號發(fā)給GPRS模塊發(fā)往監(jiān)控中心。On Chip RAM為系統(tǒng)提高片上存儲單元,CY1C12Q240C8提供了239,616 bits的RAM單元,系統(tǒng)無需擴展外部存儲器。Epcs controller模塊用于系統(tǒng)上電時,控制硬件配置文件和程序從串行配置芯片下載到FPGA中。Timer定時器模塊提供系統(tǒng)定時中斷,報警模塊由一個按鈕組成,終端佩帶者遇到緊急情況時通過觸發(fā)按鈕向監(jiān)控中心報警。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)時鐘。
3 接收終端軟件實現(xiàn)
接收終端軟件開發(fā)在集成開發(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 軟件開發(fā)環(huán)境Nios II IDE
Nios II IDE是Nios II軟核處理器的主要開發(fā)工具,它基于開放和可擴展的Eclipse平臺,為軟件開發(fā)提供了一個完整的C/C++設(shè)計開發(fā)環(huán)境,它包括一個具有工程管理、源代碼開發(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語言的庫函數(shù)來訪問硬件設(shè)備或文件[3],縮短軟件開發(fā)周期。
3.2 HAL系統(tǒng)庫
HAL(Hardware Abstraction Layer,硬件抽象層)系統(tǒng)庫可以為嵌入式軟件開發(fā)人員訪問底層硬件提供簡單的設(shè)備驅(qū)動接口,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-提供類似C語言的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù);設(shè)備驅(qū)動,提供訪問系統(tǒng)中的每個設(shè)備的驅(qū)動程序;HAL API,提供標(biāo)準(zhǔn)的接口程序如設(shè)備訪問、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。
圖2 基于HAL的系統(tǒng)層次 |
3.3 接收終端軟件開發(fā)
根據(jù)系統(tǒng)的功能,軟件設(shè)計流程圖如3所示。
圖3 軟件設(shè)計流程圖 |
3.3.1 終端初始化程序設(shè)計
終端初始化主要是在系統(tǒng)上電時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)庫能自動初始化系統(tǒng)。但自動初始化屏蔽了底層操作,一些沒有用到的設(shè)備驅(qū)動程序也進(jìn)行了初始化,增加了程序代碼長度和降低了系統(tǒng)效率,ANSI C標(biāo)準(zhǔn)提供了一個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( )的自動初始化,本系統(tǒng)的alt_main( )函數(shù)如下:
3.3.2 定位數(shù)據(jù)的采集程序設(shè)計
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16位的寄存器,在軟件中對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為:
程序
串口被當(dāng)成字符設(shè)備,對其訪問可以通過標(biāo)準(zhǔn)輸入(stdin)和標(biāo)準(zhǔn)輸出(stdio)來完成,也可以通過打開和寫文件的方式,本系統(tǒng)采用直接訪問寄存器方式,采用系統(tǒng)自動生成的訪問宏,這樣可以采用精簡Newlib C,減少程序代碼長度,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,并且要打開硬件中斷。中斷采集GPS信號主要程序如下:
3.3.3 定時器中斷方式程序?qū)崿F(xiàn)
系統(tǒng)采用定時中斷方式與監(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鐘,HAL系統(tǒng)時鐘(HAL system clock)和基于時標(biāo)驅(qū)動(timestamp driver)的時鐘,后者適用于對時鐘具有高精度的場合。系統(tǒng)時鐘提供了定時的功能,使用定時器和使用中斷方式一樣,首先要通過 alt_alarm_start ( )函數(shù)向系統(tǒng)注冊一個時鐘中斷,再在時鐘中斷服務(wù)程序中實現(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為定時中斷變量,由系統(tǒng)自動初始化,第二個形參為注冊時鐘中斷后多長時間后開始執(zhí)行服務(wù)程序,alt_ticks_per_second ( )為每秒系統(tǒng)時鐘的“滴答”數(shù),此處為一秒后開始執(zhí)行,GPRS_ISR ( )為服務(wù)程序,NULL為服務(wù)程序的形參,此處為空。
定時中斷服務(wù)程序完成將定位數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)往監(jiān)控中心,通過串口向GPRS寫數(shù)據(jù)實現(xiàn),通過下條語句實現(xiàn):IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA(BASE, DATA) //向串口寫數(shù)據(jù),BASE為串口基地址,DATA為要寫入數(shù)據(jù)。
3.4 軟件開發(fā)中應(yīng)注意的問題
針對NIOS II軟核處理軟件開發(fā)特點,總結(jié)以下需要注意的幾點:
(1) HAL系統(tǒng)庫作為NIOSⅡ處理器支持的軟件包,可以給軟件開發(fā)人員提供便利,包括自動初始化系統(tǒng),可以使用ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫等,但這樣是以增加代碼長度為代價的。
(2) 進(jìn)行NIOSⅡ軟核處理器的嵌入式軟件開發(fā)時可以通過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Newlib C庫,優(yōu)化軟件編譯參數(shù),自定義指令等,但這樣無疑對軟件開發(fā)人員提出了更高的要求。
(3) 編寫中斷服務(wù)程序時要注意防止系統(tǒng)“死鎖”,尤其是使用ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)訪問IO設(shè)備時。
4 試驗結(jié)果
該系統(tǒng)樣機與GPS單一定位的定位系統(tǒng)在武漢徐東地下通道進(jìn)行了對比試驗。試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。從對比結(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,監(jiān)控中心地圖上還可以實時顯示軌跡,克服了以往單一GPS定位系統(tǒng)的定位盲區(qū),驗證了該系統(tǒng)的可行性并體現(xiàn)了其優(yōu)越性。
圖5 GPS單一定位軌跡 |
圖6 本系統(tǒng)定位軌跡 |
5 總結(jié)
本文采用SOPC技術(shù),設(shè)計并實現(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)具有開發(fā)周期短,開發(fā)成本低,產(chǎn)品生命周期長,適用范圍廣等優(yōu)點。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),市場前景可觀。