基于SOPC技術(shù)的便攜式定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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：

typedef volatile struct
{ int np_uartrxdata; //接收數(shù)據(jù)寄存器，只讀
int np_uarttxdata; //發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，只寫
int np_uartstatus; //狀態(tài)寄存器，只讀
int np_uartcontrol; //控制寄存器，可讀寫
int np_uartdivisor; // 波特率除數(shù)寄存器，可讀寫
int np_uartendofpacket; // 數(shù)據(jù)包結(jié)束符寄存器，可讀寫
} np_uart;

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：

IOWR_ALTERA_AVALON_UART_CONTROL(UART2_BASE, 0X80) //向串口2控制寄存器寫命令字，打開串口2接收中斷，0x80為開接收中斷命令字，串口2為與GPS模塊通信串口。
int alt_irq_register (alt_u32 UART2_IRQ,
void* context,
void (*UART2_ISR)(void*, alt_u32));
//向系統(tǒng)注冊中斷，UART2_IRQ為串口2中斷號，中斷號越小優(yōu)先級越高，context為中斷服務(wù)程序UART2_ISR ( ) 的一個形參
Static UART2_ISR (void *contex,alt_u32 id)
//中斷服務(wù)程序，串口有數(shù)據(jù)送入引起串口中斷，執(zhí)行該服務(wù)程序
{ *[buffer+i]=IORD_ALTERA_AVALON_UART_RXDATA(UART2_BASE)
//從串口2接收GPS定位數(shù)據(jù)，并存入緩沖。
… …
}

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(shí)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(shí)現(xiàn)，通過下條語句實(shí)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(diǎn)，總結(jié)以下需要注意的幾點(diǎn)：

(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(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)樣機(jī)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(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6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(shí)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(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性并體現(xiàn)了其優(yōu)越性。

5 總結(jié)

圖5 GPS單一定位軌跡 圖6 本系統(tǒng)定位軌跡

本文采用SOPC技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)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(diǎn)。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。