基于FPGA的GPS+GSM雙重車載定位系統(tǒng)設計

摘要：為了克服一般車載導航系統(tǒng)定位不連貫的缺陷，利用NiosⅡ軟核處理器配置靈活、擴展性強等特點，結合GPS和GSM模塊，設計出了一種基于SoPC技術的雙重定位系統(tǒng)。該設計利用SoPC Builder開發(fā)工具將NiosⅡ處理器、存儲器和接口等組件及μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)快速地嵌入到FPGA中，用單個芯片完成了人機交互模塊、控制模塊和通信模塊等功能，較一般的GPS導航設備更能實現(xiàn)較高精度的實時連續(xù)系統(tǒng)定位，且該設計在不改變硬件的基礎上可方便升級、擴展更多功能。
關鍵詞：FPGA；GPS；NiosⅡ；μC／OS-Ⅱ

0 引言
目前在車輛GPS導航系統(tǒng)中，主要是直接利用無差分、無SA誤差的GPS定位數(shù)據(jù)來實現(xiàn)車輛在地圖上的定位。考慮到定位信號存在一定的誤差，5％概率下誤差會超過15 m，同時城市中建筑物、橋梁以及樹木等還對GPS信號形成遮擋，甚至會導致信號失效，從而進一步影響定位精度。而車在行進過程中進行導航時，尤其是在路口以及立交橋等特殊地點的導航時，系統(tǒng)往往需要更為精確的定位。為此，本設計充分利用了FPGA強大的邏輯控制功能和NiosⅡ處理器的多可配置標準外設接口功能，結合GPS和GSM功能模塊，設計了一款雙重定位系統(tǒng)。通常情況下用GPS進行定位，在特殊情況下可以開通GSM網(wǎng)絡定位功能實現(xiàn)雙定位，再通過GSM網(wǎng)絡將定位信息、時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架構的軟CPU內核。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，它增加了算術邏輯單元(ALU)。用戶能為系統(tǒng)中使用的每個NiosⅡ處理器創(chuàng)建多達256個專用指令，這使得設計者能夠細致地調整系統(tǒng)硬件以滿足性能目標。專用指令邏輯和本身NiosⅡ指令相同，能夠從多達兩個源寄存器取值，可選擇將結果寫回目標寄存器。同時，NiosⅡ系列支持60多個外設選項，開發(fā)者能夠選擇合適的外設，獲得最合適的處理器、外設和接口組合，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)勢在于，硬核實現(xiàn)沒有靈活性，通常無法使用最新的技術。隨著系統(tǒng)日益先進，基于標準處理器的方案會被淘汰，而基于NiosⅡ處理器的方案是基于HDL源碼構建的，能夠修改以滿足新的系統(tǒng)需求，避免了被淘汰的命運。將處理器實現(xiàn)為HDL的IP核，開發(fā)者能夠完全定制CPU和外設，獲得恰好滿足需求的處理器。

2 系統(tǒng)的硬件設計與實現(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SDRAM，F(xiàn)LASH，SRAM，LCD及控制模塊等組成，其結構框圖如圖所示。FPGA芯片主要實現(xiàn)NiosⅡ軟核處理器、片上存儲器和各種接口驅動等功能，其包括NiosⅡ系統(tǒng)和外設兩部分。NiosⅡ系統(tǒng)包括NiosⅡ處理器、存儲器、定時器、串行接口、并行接口和連接各個組件的Avalon交換結構總線。其中GPS_UART和GSM_UART分別實現(xiàn)與GPS和GSM模塊的串行通信，LCD控制器實現(xiàn)與人機交互模塊的連接。