摘要 介绍基于Altera公司SoPC的汽车安全监控系统,利用嵌入在FPGA中的Nios处理器软核CPU,配合GPS和GSM系统,对汽车的停放和运行状态进行监测和控制。文中详细介绍系统的硬件组成,并给出对GPS和GSM的C语言管理程序。

关键词 SoPC Nios GPS GSM

引言

　　基于SoPC的汽车安全监控系统采用Altera公司最新的SoPC(可编程片上系统)解决方案——Nios处理器软核为核心,配合GPS和GSM系统,对汽车的停放和运行状态进行监控。系统监测、记录和储存汽车在行驶过程中的各种数据,一旦出现安全问题,立即采用GSM无线通信方式通知相关人员和单位,并随时发送通过GPS获得的汽车位置等数据,为问题的解决提供及时、准确和可靠的信息,必要时通过GSM对汽车进行远程控制。

　　基于SoPC的汽车安全监控系统可广泛应用于汽车的防盗、日常维护和交通事故的处理,为车辆故障提供有效的测试手段。

1  系统硬件组成

　　设计采用Altera公司的SoPC开发工具。系统的开发包括硬件和软件两大部分。使用SoPC Builder生成Nios嵌入式处理器,Nios嵌入式处理器开发工具允许用户配置一个或多个Nios CPU,从标准库中添加外围设备,综合处理自定义系统,与Quartus II设计软件一起编译系统。软件开发的步骤是：利用SoPC Builder生成的软件文件,用文本编辑器编写汇编语言或C/C++源程序,用GNUPro软件开发工具进行程序设计、连编和调试。GNUPro将源程序连编（包括汇编/编译和连接）成可执行程序,通过下载电缆对可执行程序进行调试和运行。Quartus II设计软件提供全面有效的设计环境,将设计、综合、布局和验证以及第三方EDA工具接口集成在一个无缝的环境中。利用集成在Quartus II 3.0中的SoPCbuilder可以创建自己的Nios CPU系统。Nios是Altera公司开发的16/32位嵌入式处理器软核。

　　Altera公司推出了新一代多种系列FPGA,本设计选用低成本的Cyclone系列器件EP1C12,其具有12 060个逻辑单元,52个M4K RAM块,239 616个RAM位和2个锁相环,最大用户I/O引脚249。

　　系统硬件组成框图由Nios系统和外部设备两部分组成,如图1所示。

　　Nios系统包括CPU（Nios）、存储器（memory）、定时器（timer）、总线和并/串行接口（key_pio、led_pio、lcd_pio、ccs_pio、uart_0和uart_1）等,并/串行接口分别实现与键盘、LED和LCD显示器、汽车中控系统以及GPS和GSM系统等外部设备的连接。Nios系统设计和设计结果分别如图2和图3所示。

图1  系统硬件组成框图

图2  Nios系统设计

图3  Nios系统设计结果

　　Nios系统同键盘、LED和LCD显示器、汽车中控系统以及GPS系统等外部设备的连接比较简单,GSM系统的连接较为复杂,如图4所示。

　　整个系统的工作过程是：来自汽车中控系统和GPS系统的信息可以显示在LED和LCD显示器上,也可以通过GSM系统进行无线发送。用户可以通过键盘对系统进行控制,也可以通过GSM系统对汽车中控系统进行远程无线控制。

2  系统软件组成

　　系统软件主要由主程序、GPS管理子程序和GSM管理子程序等部分组成。

　　主程序完成系统的初始化,以及键盘、LED、LCD显示器和汽车中控系统的操作管理等。

　　GPS管理子程序主要负责从GPS系统接收时间和位置信息。

　　请求GPS系统返回ASCII时间位置信息的二进制命令为：

　　@@EqmC<CR><LF>

　　其中,m为0时,输出一次响应信息（查询）,m为1~255时,每1~255 s输出一次响应信息（连续）;C为校验和（Eqm按字节“异或”）;<CR>为回车（十六进制0d）;<LF>为换行（十六进制0a）;命令长度为8字节。

命令的响应信息为：
@@Eq,mm,dd,yy,hh,mm,ss,dd,mm.mmmm,n,ddd,mm.mmmm,w, shhhhh.h,sss.s,hhh.h,m,t,dd.d,nn,rrrr,aa,CCC<CR><LF>
　　日期：mm是月（01~12）,dd是日（01~31）,yy是年（99~19）。
　　世界时间（UTC）：hh是时（00~23）,mm是分（00~59）,ss是秒（00~59）。
　　纬度：dd是度（00~90）,mm.mmmm是分（00~59.9999）,n是方向（N是北,S是南）。
　　经度：ddd是度（000~180）,mm.mmmm是分（00~59.9999）,w是方向（W是西,E是东）。
　　信息长度是96字节。
　　对应的管理子程序为：
int eq[8]={'@','@','E','q',1,'C',0x0d,0x0a};
void gps_txd(int data[], int n) {
　　volatile int m,sum=0;
　　for(m=0;m<n;m++) {
　　while(~na_uart_0->np_uartstatus & 0x40);//等待发送准备好
　　if(m!=n-3) {
　　　　sum^=data[m];//计算校验和
　　　　na_uart_0->np_uarttxdata=data[m];//发送数据
　　}
　　else
　　　　na_uart_0->np_uarttxdata=sum; //发送校验和
　　}
}
int gps,gps_buf[46];//定义全局变量
void gps_rxd(int context) {//接收中断服务程序
　　gps_buf[gps]=na_uart_0->np_uartrxdata; //接收数据
　　if(gps_buf[gps++]=='q') gps=0; //数据定位
　　if(gps>46) gps=46;//忽略无用数据
}

　　GSM管理子程序主要负责GSM系统的数据收发管理。
　　GSM系统的数据收发以短信形式进行,选择短信格式的AT命令为AT+CMGF,收发短信的AT命令分别为AT+CMGR和AT+CMGS,对应的管理子程序为：

cmgf[20]={'A','T','+','C','M','G','F','=','1',0x0d};//短信格式void gsm_txd(int data[], int n) {
　　volatile int m;
　　for(m=0;m<n;m++) {
　　　　while(~na_uart_1->np_uartstatus & 0x40);//等待发送准备好
　　　　na_uart_1->np_uarttxdata=data[m]; //发送数据
　　　　}
　　}
　　int gsm=2,gsm_buf[18]={'A','T'};
　　void gsm_rxd(int context) { //接收中断服务程序
　　　　gsm_buf[gsm]=na_uart_1->np_uartrxdata; //接收数据
　　　　if(gsm_buf[gsm]=='T') gsm=1; //数据定位
　　　　if(++gsm==18) gsm=2;
　　}

图4  TC35i GSM系统连接图

3  设计调试方法和设计结果

　　在Quartus II中使用SignalTapII嵌入式逻辑分析仪可以实时观测系统中节点的信号数据。被观察的信号可以多进制数值显示也可以用波形显示,但它需要占用芯片更多的资源,因此在对某个模块的测试结束后,可以在设置中把SignalTapII嵌入式逻辑分析仪取消,并重新编译生成以减少LE资源占用量。

　　实际试用结果表明：基于SoPC的汽车安全监控系统运行正常,定位准确,数据传输可靠,操作管理方便。如果再配备上GIS（地理信息系统）,整个系统将如虎添翼。

参考文献

1  郭书军,王玉花,葛纫秋．嵌入式处理器原理及应用．北京：清华大学出版社,2004
2  Motorola. M12 Oncore Users Guide Supplement, 2000
3  Siemens. TC35 Siemens Cellular Engines Hardware Interface Description, 2001
4  Siemens. TC35 Siemens Cellular Engines AT Command Set, 2002

郭书军  副教授,主要研究方向为数据通信及其信号处理和嵌入式系统。