隨著GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)的不斷改進，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，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)作了詳細分析，并給出了源程序，最后對試驗樣機進行了試驗，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)置組合中進行選擇，達到性能、特性和成本最優(yōu)化，具有超過200DMIP的性能[2]。可以通過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行連接的端口和通信的時序。
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| 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。基于HAL的系統(tǒng)層次如圖2所示。
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| 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。
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| 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：
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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：
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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。
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| 圖5 GPS單一定位軌跡 |
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| 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。