基于FPGA的GPS+GSM雙重車載定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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軟核處理器配置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合GPS和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(wú)差分、無(wú)SA誤差的GPS定位數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)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(wú)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。