目前廣泛應(yīng)用的MIMU/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實現(xiàn)形式，依應(yīng)用領(lǐng)域的不同而復(fù)雜多樣，但是導(dǎo)航計算機板卡負責(zé)的工作則相對固定，其主要包括：采集各路傳感器輸入信號；濾波、融合計算；將計算結(jié)果輸送給機電控制子系統(tǒng)；提供各種人機交互接口，如LCD，鍵盤等。
長期以來，針對各種應(yīng)用領(lǐng)域或相同領(lǐng)域的不同場合，由于對控制計算能力、接口電路數(shù)據(jù)吞吐能力等要求的差異，我們習(xí)慣于把功能相對固定的導(dǎo)航計算機子系統(tǒng)設(shè)計成不同的實現(xiàn)形式，這就造成了對硬件重復(fù)研發(fā)，相應(yīng)軟件重復(fù)調(diào)整等低效率現(xiàn)狀。
SOPC（System On Programmable Chip）技術(shù)是Altera公司提出的一種靈活高效的SOC解決方案。它的宗旨是將處理器、存儲器、I/O口、硬件協(xié)處理器或加速器、一般的用戶邏輯等系統(tǒng)的設(shè)計需要的功能模塊都集成到一個FPGA芯片里，構(gòu)建一個可編程的片上系統(tǒng)。它具有硬件上靈活裁剪、擴充和在線升級的優(yōu)點，而且市場上有豐富的IP 核資源可選，能成功地解決上述問題。
1.組合導(dǎo)航系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)
硬件框圖如圖1所示，它主要包括以Nios處理器為主體的片內(nèi)邏輯（圖中虛線包圍部分，下文簡稱片內(nèi)邏輯）、MIMU與GPS數(shù)據(jù)采集電路和人機交互接口電路三個部分組成。
1.1片內(nèi)邏輯的設(shè)計
本文采用了Altera公司Cyclone系列FPGA EP1C12Q240、NIOS軟核處理器及其開發(fā)和仿真工具（包括 SOPC Builder，DSP Builder，Simulink，Quatus II等）。在設(shè)計中利用的IP核里，比如Nios核，片內(nèi)Boot ROM，用于FIFO的片內(nèi)雙口RAM，定時器，Avalon片上總線，Avalon三態(tài)總線橋，SDRAM接口，JTAG UART等都來自SOPC Builder軟件，在此不必贅述。下面重點討論其他IP核及其接口電路的設(shè)計和功用。
圖 1 基于Nios的SOPC組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計框圖
6 DSP協(xié)處理器 通過定制一些傳統(tǒng)的DSP運算指令或反復(fù)出現(xiàn)的計算密集型算法指令，來硬件加速CPU的處理能力。IP核可以通過硬件描述語言自己編寫，也可以借助Simulink和DSP Builder來輔助實現(xiàn)。
7 UART 基于RS232通信協(xié)議的串行通路接口。UART-0負責(zé)傳遞主控設(shè)備的命令（如復(fù)位、初始化等）、輸入主控設(shè)備提供的電子地圖的庫信息，輸出處理結(jié)果等。UART-1則負責(zé)導(dǎo)入GPS OEM板的數(shù)據(jù)。該IP核來自于SOPC Builder軟件。
8 A/D接口 除了片選信號，A/D接口時序基本遵循SPI協(xié)議，因此選用了SOPC中相應(yīng)的IP， 而對于片選信號，在系統(tǒng)中額外添加一個通用I/O口來控制之。這樣每次對Ａ/D的操作分兩步進行：先置低GPIO，再進行SPI操作。
9 同步采樣控制邏輯 負責(zé)控制MIMU和GPS信號的同步采集，為數(shù)據(jù)融合提供準(zhǔn)確的輸入。該IP核由設(shè)計者自行編制，詳述請見MIMU和GPS信號采集系統(tǒng)的設(shè)計部分。
10 VGA控制 基于Avalon流模式的VGA控制器。它主要由VGA時序發(fā)生器，F(xiàn)IFO存儲器，Avalon流模式接口組成。該IP由設(shè)計者用VHDL語言自行編制，人機接口部分將詳述之。
11 ATA橋 連接CF卡，保存電子地圖信息庫、中英文字符點陣庫等海量信息。該IP核來自于SOPC Builder軟件。
12 GPIO 最常規(guī)的外設(shè)控制接口，本系統(tǒng)的LCD、LED、鍵盤都是采用該接口進行連接，時序上的驅(qū)動控制則是由軟件實現(xiàn)的。該IP核來自于SOPC Builder軟件。
13 ASMI EPCS4系列配置芯片的專門接口。該IP核來自于SOPC Builder軟件。與之相連的Flash存貯空間中有如下內(nèi)容：一部分是FPGA的配置文件。另一部分作為常規(guī)程序存儲器用。采用此方案可以省去片外專門的程序存儲Flash，充分利用了配置芯片的資源。由于串行器件的帶寬限制，我們可以通過將主程序裝載入SDRAM中運行來提高程序的運行速度。
1.2 MIMU和GPS信號采集系統(tǒng)的設(shè)計
MIMU的信號采集工作由微型慣性測量組合、采樣/保持器AD1154、多路開關(guān)MAX4540、A/D 轉(zhuǎn)換器完成；而GPS的信號采集工作則主要由GPS接收機完成。接收機采用了Jupiter OEM 板，可輸出位置、速度、偽距、偽距率、載波相位、衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)啟動期間，主控設(shè)備通過UART-0向片上邏輯發(fā)送命令并獲取信息反饋，對系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)進行初始化；接收的初始化數(shù)據(jù)可由片上邏輯的UART-1傳遞給GPS接收機，以實現(xiàn)GPS的快速初始化和快速鎖定衛(wèi)星.
我們所討論的MIMU和GPS信號的同步，是指需要同步的兩個數(shù)據(jù)源在原始信息更新時刻對齊，而不是在經(jīng)過計算或A/D轉(zhuǎn)換延時等不同通信路徑傳輸后，在輸出結(jié)果的時刻對齊。GPS接收機解碼轉(zhuǎn)換后輸出的秒同步脈沖（1PPS，每秒一個脈沖）是與UTC秒點對齊的。接收機嚴格地在每個1PPS脈沖邊沿進行一次偽距、偽距變化率、載波相位、GPS 標(biāo)準(zhǔn)授時、定位等測量，其脈沖沿為GPS數(shù)據(jù)更新時刻。我們把1PPS脈沖接入FPGA中，由同步采樣控制邏輯保證脈沖到來的同時產(chǎn)生一個SSP（同步采樣脈沖，synchronous sampling pulse），實現(xiàn)MIMU和GPS數(shù)據(jù)在整秒時刻同步。當(dāng)然，MIMU數(shù)據(jù)更新率遠小于1秒，我們可以把1PPS脈沖作為FPGA內(nèi)部的1秒定時器的標(biāo)準(zhǔn)同步觸發(fā)時刻，通過邏輯倍頻產(chǎn)生相應(yīng)頻率的SSP輸出。在GPS信號丟失的情況下，F(xiàn)PGA內(nèi)部的秒定時器則作為MIMU采樣信號的時基標(biāo)準(zhǔn)。
1.3人機交互接口的設(shè)計
七段數(shù)碼管負責(zé)標(biāo)識系統(tǒng)的工作狀態(tài)；而鍵盤除了作為初始化參數(shù)輸入的備用接口外，還可以負責(zé)切換LCD、VGA顯示器等的顯示模式；液晶屏則相應(yīng)地顯示輸入與輸出的導(dǎo)航參數(shù)；VGA接口形象的輸出電子地圖背景、車輛當(dāng)前位置及運行軌跡等信息。
excalibur.h 頭文件定義了七段數(shù)碼管、按鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針na_seven_seg_pio 和na_button_pio通過對指針?biāo)窹IO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的np_piodata數(shù)據(jù)寄存器操作，來讓數(shù)碼管顯示特定的字符或判斷是否有按鍵按下，以及是哪個按鍵。
本文采用型號Optrex 16027的LCD屏，頭文件pio_lcd16027.h定義了九個控制子程序，通過這些程序完成對LCD的控制。標(biāo)準(zhǔn)VGA畫面大小是640*480，每秒60幀左右。像素時鐘高達25.175MHZ。如果每個點都由Nios軟件掃描實現(xiàn)，那么在40ns的間隔內(nèi)，最多能讓共作在50MHZ的CPU執(zhí)行兩條指令。所以，我們采用DMA控制器在流模式VGA控制器和SRAM之間建立一條DMA傳送通道，讓硬件完成像素信息的自動讀取，緩解了CPU的工作壓力。VGA時序發(fā)生器的設(shè)計源程序由VHDL語言實現(xiàn)，下面是部分示意代碼：
2.系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)上電后，串行配置器件EPCS4配置FPGA；然后NIIOS啟動，運行片內(nèi)ROM中的Bootloader。Bootloader根據(jù)選擇端的控制選擇工作模式，模式分為兩種：調(diào)試模式和運行模式。在調(diào)試模式下，Bootloader啟動GERMS監(jiān)控程序，我們可以對系統(tǒng)進行開發(fā)調(diào)試。在運行模式下，Bootloader將EPCS4中存儲的主程序裝載到SRAM中全速運行。然后，程序指針復(fù)位指向SRAM中的系統(tǒng)主程序。主程序先初始化并配置系統(tǒng)，然后開始正常工作。
3.軟件設(shè)計
由于本控制系統(tǒng)架構(gòu)龐大，我們在軟件設(shè)計時使用實時操作系統(tǒng)microC/OS作為軟件內(nèi)核。該操作系統(tǒng)具有內(nèi)核小，代碼公開等優(yōu)點，而且Altera公司提供了關(guān)于此系統(tǒng)移植方面比較詳細的技術(shù)文檔，操作起來簡單易行。系統(tǒng)軟件分為三個層次設(shè)計：一、驅(qū)動層。主要包括了UART驅(qū)動，LED驅(qū)動，鍵盤驅(qū)動，LCD驅(qū)動，VGA驅(qū)動，SPI總線設(shè)備驅(qū)動等等。二、內(nèi)核層。包括系統(tǒng)任務(wù)和內(nèi)核調(diào)度。三、應(yīng)用層。
任務(wù)主要有數(shù)據(jù)采集任務(wù)，數(shù)據(jù)融合任務(wù)，數(shù)據(jù)濾波任務(wù)，導(dǎo)航計算任務(wù)，顯示任務(wù)等。其中還有一些用于控制管理性質(zhì)的任務(wù)，包括錯誤捕捉任務(wù)及其相應(yīng)的處理方程序等。
系統(tǒng)的核心是操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)度，負責(zé)整個軟件的運作。系統(tǒng)相關(guān)的層面是以任務(wù)為單位的系統(tǒng)模塊，這些任務(wù)模塊負責(zé)市實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運行，負責(zé)系統(tǒng)模塊的配置控制和差錯檢測，響應(yīng)處理用戶的操作。硬件相關(guān)的層面以驅(qū)動任務(wù)為單位，它們作為操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)中介，直接負責(zé)對硬件設(shè)備的驅(qū)動控制。軟件分層封裝，用任務(wù)調(diào)度的方法來實現(xiàn)，可以提高軟件設(shè)計的效率，降低設(shè)計風(fēng)險，利于移植和升級。
4.結(jié)論
NIOS符合工業(yè)技術(shù)的潮流，即硬件設(shè)計軟件化。此設(shè)計方法可以對硬件做全面細致的模擬仿真，減少硬件設(shè)計的錯誤，有效降低了開發(fā)成本，增強了產(chǎn)品的競爭力。而且由于它屬于單片解決方案，不僅提高系統(tǒng)的魯棒性，還可以有效地保護開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)。