（信号与信息处理专业论文）车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制.pdf

车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 摘要 车载多媒体信息系统集成了电子地图导航、音视频播放、防盗报警、车身信 息管理等功能，运用了计算机、汽车电子以及多媒体信息等技术，是汽车电子行 业发展的热点。无线网络模块在整个系统中具有重要的作用，如汽车电话、汽车 防盗、行车监控、车辆派遣、移动上网、收发传真等都需要通过该模块来实现。 本课题来源于与公司的合作项目车载多媒体信息系统的研究，本文研制 的无线网络模块是其中的一个重要内容。该模块选择了比较成熟的g p r s 技术作 为模块的无线通信平台，实现无线上网、中英文短信收发和车载电话三大功能。 无线上网的实现使用户在车里即可浏览网页，网上办公等；中英文短信收发使车 载多媒体系统通过该模块与车主手机之间建立联系，并在必要时候可以通过手机 发出指令，使汽车具有远程防盗抢功能；驾驶者可以通过呼叫转移将手机电话转 移至车载电话，既方便了工作，又可以安全驾驶。 本文主要研究了实现模块功能的硬件电路设计和具体的软件实现方案。硬件 平台选用基于f p g a 的s o p c 技术解决方案，并且嵌入n i o si i 软核处理器，在 此基础上设计了基于g p r s 模块的通讯硬件电路。软件开发分为两步，首先对 g p r s 模块与计算机之间的通讯进行了测试和研究，并且利用v c 编程实现了模 块的基本功能，然后给出在嵌入式硬件平台上的软件设计方案，设计和编写了串 口驱动程序、g 2 0 模块的初始化程序，在此基础上设计了实现系统功能的三个程 序模块：短信报警、车载电话和无线接入i n t e m e t 。 最后，对文章进行了总结，并指出了若干遗留问题和进一步的研究方向。 关键词：g p r s ；车载多媒体：s o p c ：无线上网 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fw ir e i e s sn e t w o r km o d u i ei n t h ev e h i c l em u i t i m e d i ai n f o r m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ev e h i c l em u l t i m e d i ai n f o r n l a t i o ns y s t e mh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha se l e c t r o n m a pa n dt h en a v i g a t i o n ，p l a y i n gv i d e oa n dm u s i c ，t h es e c u r i t ya n da l a r ms y s t e m ， m a n a g i n gt h ei n f o r m a t i o no fc a ra n ds oo ni th a su t i l i z e dal o to ft e c h n o l c i g i e s f o r i n s t a n c e ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m o b i l ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i a i n f o n n a t i o nt e c h n o l o g y , e t c i th a sb e c o m eah o t s p o to ft h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c i n d u s t r y i t sw i r e l e s sn e t w o r km o d u l ep l a y s1 1 1 1i m p o r t a n tp a r ti nt h eo v e r a l ls y s t e m ， t h ev e h i c l e c a r r i e dt e l e p h o n e ，t h ea u t o m o b i l es e c u r i t y , t h ed r i v i n gm o n i t o r , t h ev e h i c l e d i s p a t c h ，a c c e s s i n gt h ei n t e r n e t ，t h er e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n gf a x ，t h ev i d e oa n d m u s i cs e r v i c ea n ds oo n ，h a v et ob er e a l i z e dt h r o u 曲t h i sm o d u l e t h i s p a p e r c o m e sf r o map r o j e c t ，t h er e s e a r c ho ft h ev e h i c l em u l t i m e d i a i n f o r i l l a t i o ns y s t e m c o o p e r a t e dac o m p a n y t h ew i r e l e s sn e t w o r km o d u l ei so n e i m p o r t a n tp a r to ft h ep r o j e c t t h em o d u l ec h o o s e st h eg p r st e c h n o l o g ya s i t s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m i th a st h r e em a i nf u n c t i o n s ：a c c e s s i n gw i r e l e s s l y t h ei n t e r a c t ，s e n d i n ga n dr e c e i v i n gc h i n e s ea n de n g l i s hs m sa n dt h ev e h i c l e c a r r i e d t e l e p h o n e t h er e a l i z a t i o no ft h ef i r s to n em a k c st h eu s e rc a n1 0 a dt h ei n t e m e t u p l o a d a n dd o w n l o a ds o m e t h i n gf r o mt h eh a t e m e t t h es e c o n do n eb u i l d sal o n g d i s t a n c e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ev e h i c l ea n dt h ev e h i c l e so w n e ra f t e rt h eo w n e rl e f tt h ec a r m e nt h ec a ri ss t o l e n t 1 1 eo w n e rc a nc o n t r 0 1t h ec a rt h r o u g ht h es m sa n dk e e pt h e c a r ss e c u r i t y t h el a s to n em a k e st h ed r i v e rm a ys h i f tt h r o u 吐t h ec a l lf r o mt h e m o b i l ep h o n et ot h ev e h i c l e c a r r i e dp h o n e s ot h a ti ti sc o n v e n i e n tf o rw o r k i n ga n d d r i v i n g t b i sp a p e rh a sm a i n l ys t u d i e dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g n o ft h em o d u l e t h eh a r d w a r ep l a t f o r ms e l e c t st h es o p cb a s e do nt h ef p g a i nw h i c h t h en i o si ip r o c e s s o ri se m b e d d e d g p r sh a r d w a r ec i r c u i ta l s oi sd e s i g n e d m c a d e v e l o p i n gt h es o f t w a r e ，i th a st w os t e p s a tf i r s t ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e g p r sm o d u l ea n dt h ec o m p u t e rh a sb e e nt e s t e da n dr e s e a r c h e da n dt h em o d u l e s f u n c t i o nh a sb e e nr e a l i z e db vv cp r o g r a n t h e n ，t h es o f t w a r ei sd e s i g n e do nt h e e m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m t h e s ed e s i g n si n c l u d es e r i a lp o r td r i v e r g 2 0m o d u l e i n i t i a l i z a t i o n ，t h ea l a r mb ys m s ，t h ev e h i c l e c a r r i e dt e l e p h o n ea n da c c e s s i n g w i r e l e s s l yi n t e m e t f i n a l l y , t h ep a p e r 百v c sac o n c l u s i o n ，a n dp o i n to u ts o m eu n s o l v e dp r o b l e ma n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s ：g p r s ；v e h i c l em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns y s t e m ；s o p c ；w i r e l e s s i n t e r n e ta c c e s s 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 连! 垫遣直基丝蠡蔓挂别直嘎 的：查拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储躲前灰叫 签字日期：“年，月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 呒庄一司1 签字日期：p 5 年月弓日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 新躲蚤彳甜 ，i o l 签字日期：口，年，月3 日 电话： 邮编： 车载多媒体信息系统中无线同络模块的研制 1绪论 1 1 前言 汽车从出现至今，虽仅有百余年的历史，但汽车的发展却是突飞猛进。汽车 速度从每小时数十公里发展到现在的每小时数百公里【1 1 汽车的发展史也是近代 人类文明史的一部分，特别是在一些发达国家已形成汽车文化。 近年来，汽车电子产品市场规模日益扩大，汽车电子的应用不断深入。统计 数据显示，2 0 0 5 年中国汽车电子市场规模达至1 6 2 4 亿元，从2 0 0 6 年开始进入一个 加速增长的时期，预计到2 0 0 9 年，中国汽车电子产业规模将达到1 4 3 4 1 亿元【2 l 。 目前，汽车电子产品分布情况是：动力系统占3 7 ，车辆安全控制占2 4 ，车辆 底盘与悬架系统占1 6 ，娱乐占1 2 ，舒适占1 1 。汽车除了作为交通工具外， 驾驶的安全、舒适和完备的娱乐通信功能正逐渐得到业界的重视。 随着计算机技术、汽车技术以及多媒体技术、信息技术、无线网络技术的高 速发展，车载多媒体也成为了一项普遍的技术，覆盖汽车内的所有多媒体、电 信和信息系统，包括数字蜂窝电话等通信功能以及数字无线电或后座d v d 视频 播放器等娱乐系统。 在开发车载信息装置时，无线通信技术的应用已非常广泛【3 1 电子地图、自 主导航、汽车电话、汽车防盗、行车监控、车辆派遣、移动上网、收发传真、影 音服务等，都必须要通过良好的无线通信组件来实现。因此，无线通信技术的应 用也是研究车载多媒体系统中的一个重要方面。 1 2 无线通信技术 1 2 1 无线通信技术简介 数据通信是按照一定的通信协议，利用数据传输技术在通信终端之间传输数 据信息的一种通信方式 4 1 它可以实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端 与终端之间的数据信息传递。原来的数据通信是固定式计算机通过电信传输线路 实现的。随着移动通信技术的不断发展，出现了无线移动数据通信无线移动数 据通信是通过无线电波传送数据信息的一种通信方式【5 1 。它是在有线数据通信的 基础上发展起来的，能实现移动状态下的数据通信。 1 2 2 无线通信技术的发展及应用 移动通信是当前最活跃的通信领域之一，移动通信技术为推动全社会信息化 的进程发挥着越来越重要的作用1 6 1 。短短几年，移动通信已经从第一代模拟移动 通信( i g ) 发展到现在的第三代移动通信( 3 g ) ，从模拟信号发展到数字信号， 从语音业务发展到宽带数据传输。 车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 第一代模拟移动通信网是从7 0 年代中期n 8 0 年代中期蓬勃发展起来的，特点 是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。蜂窝概念真正解决 了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。这一阶段主要制式有美 国的先进移动电话系统( a 】帅s ) 、日本汽车电话系统( h a m t s ) 、北欧四 国( 瑞典、挪威、丹麦和冰岛) 开发出的n m t - 4 5 0 移动通信网、英国的全地址通 信系统( t a c s ) 。我国采用的a 网和b 网是属于英国的t a c s 系统。a 网建在西 北五省和云南，而b 网则建在全国的其它地区。但是由于频谱利用率低、保密性 差、技术简单等缺点，第一代移动通信技术在很多地区尚未得到充分发展就退出 了历史的舞台。这一阶段的移动通信只是完成语音通信的功能，尚没有数据通信 的实现。 第二代移动通信技术是8 0 年代中期开始的，这是数字移动通信系统发展和成 熟的重要时期。这一阶段的标准主要有欧洲的泛欧数字移动通信( g s m ) 、美 国的数字先进移动电话系统( d 舢v 皿s ) ，日本的个人数字蜂窝( p d c ) 。1 9 8 8 年，欧洲首先推出泛欧数字移动通信网( g s m ) 标准，泛欧网g s m 于1 9 9 1 年7 月 开始投入商用。g s m 网是目前的主流制式，拥有全球最大的用户。第二代移动 通信网络的主流业务仍是语音通信，而且以电路交换为特点，同时兼顾低速率数 据业务如短消息、三类传真等，其最高数据速率只有9 6 k b p s l 7 1 。 但是随着因特网的迅猛发展，人们对数据业务的需求快速增长，再加上城市 的信息化智能化建设需要越来越多的设备进行数据通信，需要接入i n t e r n e t ，而第 二代移动通信系统所能提供的数据业务能力有限，这就迫使下一代移动通信系统 的开发。 第三代移动通信系统是目前正在大力投入开发的系统，其基本的特征是提高 系统容量、实现多媒体数据通信和统一的标准和频段。3 g 标准规定，移动终端 以车速移动时，其传输数据速率为1 4 4 k b p s ，室外静止或步行时速率为3 8 4 k b p s ， 而室内为2 m b p s 。 为了从第二代平滑地向第三代过渡，出现了目前的2 5 代，主要的标准有： h s c s d ( h i g h s p e e d c i r c u i t s w i c h e d d a t a ，高速率电路交换数据) ，g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线服务) 和e d g e ( e n h a n c e dd a t a r a t ef o rg s m e v o l u t i o n ，增强数据速率的g s m 演进) 。基于g s m 系统的g p r s 方案，是迎合平 滑过渡策略的最主要方案，满足了现代社会对中，高速数据通信的需求。 g p r s 是基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的广域的无线d 连 接。g p r s 充分利用共享无线信道，采用心o v e rp p p 实现数据终端的高速、远程 接入，允许用户在端到端分组模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模 式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。g p r s 可以 提供高达1 7 1 2k b p s 的分组数据传送速率，用户永远在线且按流量计费，大大降 车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 低了服务成本【l o l 。 目前，在公安系统( 车辆管理信息) 、交通管理系统( 超速监测) 、环保系 统( 监测污水、污气排放) 、电力系统( 自动抄电表) 、市政系统( 路灯夜景照 明系统管理) 、车辆调度( 出租车、公交车、警务车辆定位调度系统) 、企业移 动化办公( g p r s 接入v p n ) 、电子商务( 移动银行、移动理财、移动交易、移 动炒股) 等多个有影响力的领域中，传输的数据量很小，有线通信方式相对比较 浪费，用电力线传输数据不安全，而线缆投资太高；自建无线电台局限很大，电 力线载波出现故障时不能使用，因而利用无线移动网络来作为传输平台是最佳 的。 由此，基于全球通网络的g p r s2 5 g 移动数据通信网络，是目前数据通信应 用最理想的平台，采用g p r s 终端接入i n t e m e t 的方式在价格以及实时性上都有很 大的优越性。国际上如美国、欧洲等发达国家在g p r s 无线数据应用方面己经非 常普及。美国著名的m u l t i - t e c h 系统公司开发的s o c k e t m o d e m 和m o d e m m o d u l e 模 块，同时使用了g s m 、g p i l s 以及c d m a 技术，可以在全球的蜂窝通信网络上进 行数据和语音通信，这些新的m o d e m 可以被集成到其它的o e m 设备中或者针对 特定的应用系统中 1 3 课题概述 1 3 1 课题来源及研究意义 课题来源于嵌入式车载终端多媒体信息系统研制项目。车载多媒体信息中心 是集多媒体播放、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车身信息管理系统、无 线通信系统等为一体的综合管理控制系统。其中基于g p r s 的无线网络模块的研 制是一个重要组成部分。 国内外汽车工业飞速发展，汽车电子在整车中比重也越来越高，已经形成独 立产业。随着人们生活水平提高，汽车保有量逐年提高，对车载多媒体终端的需 求大大增加。将车载通信、导航、视听娱乐、网络控制等集成为一体化多媒体信 息系统有着庞大的潜在市场需求。再者，车载多媒体智能终端具有数字广播电视 节目接收、移动娱乐、智能交通导航等功能，无论对于司机、乘客、交通管理部 门、网络运营商都有巨大的吸引力和推动力，有着十分广阔的市场前景，具有巨 大的经济和社会效益。 中国目前拥有全世界最大的移动通信网络，覆盖全国的g p r s 网络已成为一 种可持续利用和开发的资源。相信在不远的将来，被移动信息化武装起来的智能 政府、智能交通、智能商业、智能家庭会陆续呈现在我们面前，溶入生活中的每 一个角落。目前要实现这样的应用，开发出性价比高的g p r s 传输系统具有很重 要的意义。同时，由于g p r s 技术的成熟以及嵌入式系统的同益普及，开发这样 车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 的无线数据系统也成为可能。 1 3 2 课题研究内容 本文研究的主要内容是基于g p r s 的车载无线网络模块的研制。此模块是车 载多媒体信息系统的一部分，主要负责车载终端与外界的信息传输，实现了无线 接入i n t e r a c t 、短信传输、车载电话等功能。无线接入i n t e m e t ，使车载终端可以 与远程的接入i n t e m e t 的计算机进行数据传输，实现远程监控和车辆调度等功能。 短信平台的建立，可以用短消息作为车主手机与车载无线网络模块的传输媒介。 当车载系统发现汽车被盗后，通过车载无线网络模块，把定制好的短信发送至车 主的手机，通知车主车辆遭受破坏或盗窃；而车主还可以通过用户手机发送控制 指令给此模块，使汽车能够强制熄火、关闭电源、切断油路等，以防止汽车被歹 人驾驶，制止车辆被盗，被劫。车载电话系统，可以使车主在行车时可方便的接 听电话，增加行车安全。作为车载多媒体系统的一部分，还可以与车载系统的其 它模块完成更多的功能，比如利用g p s 卫星导航模块有效的掌握汽车的行踪， 把g p s 的位置信息传输到指定的监控中心，可以完成智能交通的功能等。 基于以上模块要实现的目标，我在本课题中所做的主要工作包括以下几个方 面： 1 ) 了解无线通信技术的发展和应用。 2 ) 对车载多媒体信息系统的总体方案进行研究，确定多媒体信息系统的硬 件平台和软件设计方案，选择无线网络模块的通信平台。 3 ) 对s o p c 技术进行了深入研究，设计基于f p g a 的s o p c 硬件平台，在 此基础上设计基于g p r s 模块的硬件电路。 4 ) 对g p r s 模块与计算机通讯进行研究和测试，并在计算机上编程实现模 块的基本功能。 5 ) 在s o p c 硬件平台上编写软件，实现车载系统的短信报警、车载电话和 无线接入i n t e r a c t 的功能。 6 ) 在n i o s 系统上嵌入i ：t c l i n u x 操作系统，并在此基础上编写相应的驱动程 序和应用程序，实现模块的功能。 1 4 本章小结 本章介绍了本课题的研究背景，阐述了无线通信技术的发展及应用，分析了 研究g p r s 无线网络模块的必要性，最后根据系统要实现的目标提出了本文所做 的主要研究工作。 4 车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 2 论文所用关键技术简介 本论文使用了很多技术，首先把这些技术及其相关背景作一个简单介绍。 2 1s o p c 技术 $ o p c ( s y s t lo nap r o g r a mc h i p ，片上可编程系统) 是以p l d ( p r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 取代a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t s ，专用集成电路) ，更加灵活、高效的s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 解决方案f 1 2 】。它最早是由美国a l t c r a 公司于2 0 0 0 年提出的，并同时推出了相应 的开发软件q u a r t u si i 。s o p c 是基于f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现 场可编程门阵列) 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解决方案相比，s o p c 系 统及其开发技术具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件 在系统可编程的功能，具有更多的特色，构成s o p c 的方案也有如下多种途径。 1 基于f p g a 嵌入口硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统大多 采用了含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核的器件。但通常这种系统还须配置 许多接口器件才能构成一个完整的应用系统，如除配置常规的s r a m 、d r a m 、 f l a s h 外，还须配置网络通信接口、u s b 接口、v g a 接口、p s 2 接口或其他专 用接口等。这样会增加整个系统的体积、功耗，而降低系统的可靠性但是如果 将a r m 或其他知识产权核，以硬核方式植入f p g a 中，利用f p g a 中的可编程 逻辑资源和p 软核，直接利用f p g a 中的逻辑宏单元来构成该嵌入式系统处理 器的接口功能模块，就能很好的解决这些问题。这样使得f p g a 灵活的硬件设计 和硬件实现与处理器的强大软件功能有机的结合，高效的实现s o p c 系统 1 3 】。 2 基于f p g a 嵌入p 软核的s o p c 系统 将口硬核直接植入f p g a 的解决方案还存在许多不完美之处。例如硬核多 来自第3 方公司，导致f p g a 器件价格相对偏高；由于硬核是预先植入的，设计 者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线规模，接口方式，乃至指令形式， 更不能将f p g a 逻辑资源构成的硬件模块以指令的形式内置嵌入式系统的硬件 加速模块( 如d s p 模块) ，以适应更多的电路功能要求；无法根据实际设计需求 在同一f p g a 中使用多个处理器核。以上诸多不利因素可利用软核嵌入式系统处 理器来有效的解决。 目前最有代表性的软核嵌入式系统处理器分别是a l t c r a 的n i o s 和n i o si i 核， x i l i n x 的m i c r o b l a z e 核。特别是前者，即n i o sc p u 系统，将很好的解决上述不 利因素。 a l t e r a 的n i o s 核是用户可随意配置和构建的3 2 位1 6 位总线( 用户可选的) 指令集和数据通道的嵌入式系统微处理器p 核，它采用a v a l o n 总线结构通信接 车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 口，带有增强的内存、调试和软件功能( c 或汇编程序优化开发功能) ；含有基 于j t a g 的片内设备( o c i ) 内核( o c i 调试功能可根据f p g aj 1 ：a g 端口上接 收的指令，直接监视和控制片内处理器的工作情况) 。此外，基于q u a r t u si i 平台 的用户可编程的n i o s 核含有许多可配置的接口模块核，包括：可配置高速缓存 ( 包括外部s r a m 或s d r a m ，1 0 0 m b 以上单周期访问速度) 模块，可配置r s 2 3 2 通信口、s d r a m 控制器、标准以太网协议接口、d m a 、定时器、协处理器等。 在植入f p g a 前，用户可根据设计要求，利用q u a r t u si i 和s o p cb u i l d e r ，对n i o s 及其外围系统进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占有等方 面全面满足用户系统设计的要求。 3 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 h a r d c o p y 就是利用原有的f p g a 开发工具，将成功实现于f p g a 器件上的 s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化，从而克服传统a s i c 技术中普遍 存在的问题。 h a r d c o p y 技术是一种全新的s o c 级a s i c 设计解决方案，是将专用的硅片 设计和f p g a 至h a r d c o p y 自动迁移过程结合在一起的技术，首先利用q u a r t u s i i 将系统模型成功实现于h a r d c o p yf p g a 上，然后帮助设计者把可编程解决方案 无缝的迁移到低成本的a s i c 上的实现方案。这样，h a r d c o p y 器件就把大容量 f p g a 的灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成 本敏感的电子系统产品上，从而避开了直接设计a s i c 的困难，达到降低成本， 加快面市周期的目的。 2 1 1 s o p c 技术的特点 s o p c 的设计是以口核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) 为基础的，以硬件描述 语言为主要设计手段，借助于以计算机为平台的e d a 工具进行的。s o p c 技术 主要面向单片系统级专用集成电路设计的计算机技术，与传统的专用集成电路设 计技术相比，其特点有： 设计全程，包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系 统软件设计，直至整个系统的完成，都由计算机进行。 设计技术直接面向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是专 用集成电路的主动设计者。 系统级专用集成电路的实现有了更多的途径，即除传统的a s i c 器件外， 还能通过大规模f p g a 等可编程器件来实现。 2 1 2n i o si i 内核简介 n i o s 嵌入式处理器是f p g a 生产厂商a l t e m 公司推出的软核( s o f tc o r e ) c p u ，是一种面向用户的，可以灵活定制的通用r i s c ( 精简指令集架构) 嵌入 6 车载多媒体信息系统中无线嘲络模块的研制 式c p u 。n i o s 以软核的方式提供给用户，并专为在a l t e r a 的f p g a 上实现做了 优化，用于s o p c 集成，最后在f p g a 上实现。 n i o s 核主要包括一个c p u 、i o 终端申请、计时器、u a r t 口及大量的通用 寄存器。n i o s 的数据总线和地址总线由用户定义( 最大为3 2 位) ，也可以根据 具体需求增加并行输入输出端，连接外设的接口逻辑等【l ”。 n i o si i 系列软核处理器是a l t e r a 的第二代f p g a 嵌入式处理器，其性能超过 2 0 0 d m i p s ( d h r y s t o n em i l l i o ni n s t r u c t i o n se x e c u t e dp e rs e c o n d ) ”“。a l t e r a 的 s t r a t i x 、s t r a t i xg x 、s t r a t i xi i 和c y c l o n e 系列f p g a 全面支持n i o s 处理器， 以后推出的f p g a 器件也将支持n i o si i 。 n i o si i 系列包括3 种产品，分别是：n i o si f f ( 快速) 最高的系统性能， 中等f p g a 使用量；n i o sl v s ( 标准) 高性能，低f p g a 使用量；n i o si r e ( 经济) 低性能，最低的f p g a 使用量【l “。这3 种产品具有3 2 位处理器的 基本结构单元3 2 位指令大小，3 2 位数据和地址路径，3 2 位通用寄存器和3 2 个外部中断源；使用同样的指令集架构( i s a ) ，1 0 0 - - 进制代码兼容，设计者 可以根据系统需求的变化更改c p u ，选择满足性能和成本的最佳方案，而不会 影响已有的软件投入。特别是，n i o s 系列支持使用专用指令。专用指令是用户 增加的硬件模块，它增加了算术逻辑单元( a l u ) 。用户能为系统中使用的每个 n i o si i 处理器创建多达2 5 6 个专用指令，这使得设计者能够细致地调整系统硬件 以满足性能目标。专用指令逻辑和本身n i o s1 i 指令相同，能够从多达两个源寄 存器取值，可选择将结果写回目标寄存器。同时，n i o s 系列支持6 0 多个外设 选项，开发者能够选择合适的外设，获得最合适的处理器、外设和接口组合，而 不必支付根本不使用的硅片功能。 n i o s1 1 系列能够满足任何应用3 2 位嵌入式微处理器的需要，用户可以将第 一代n i o s 处理器设计移植到某种n i o s i t 处理器上，a l t e r a 将长期支持现有f p g a 系列上的第一代n i o s 处理器。另外，a l t e r a 提供了一键式移植选项，可以升级 至n i o si i 系列。n i o s 处理器也能够在h a r d c o p y 器件中实现，a l t e r a 还为基于 n i o si i 处理器的系统提供a s i c 的移植方式。 n i o si i 处理器还具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环境 ( m e ) 、j t a g 调试器、实时操作系统( r t o s ) 和t c p i p 协议栈。设计者能够 用a l t e r aq 1 l l r t u si i 开发软件中的s o p cb u i l d e r 系统开发工具很容易地创建专用 的处理器系统，并能够根据系统的需求添加n i o si i 处理器核的数量。 使用n i o si i 软件开发工具能够为n i o si i 系统构建软件，即一键式自动生成 适用于系统硬件的专用c c + + 运行环境。n i o si i 集成开发环境( d e ) 提供了许 多软件模板，简化了项目设置。此外，n i o si i 开发套件包括两个第三方实时操作 系统( r t o s ) - d i e r o c o s i i ( m i c r i u m ) ，n u c l e u sp l u s ( a t i m e n t o r ) 以及 车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 供网络应用使用的t c p i p 协议栈。 在f p g a 中使用软核处理器比硬核的优势在于，硬核实现没有灵活性，通常 无法使用最新的技术。随着系统日益先进，基于标准处理器的方案会被淘汰，而 基于n i o s 处理器的方案是基于h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，硬件描 述语言) 源码构建的，能够修改以满足新的系统需求，避免了被淘汰的命运。将 处理器实现为h d l 的口核，开发者能够完全定制c p u 和外设，获得恰好满足 需求的处理器。 2 1 3a v a l o n 总线简介 a v a l o n 总线是a l t c r a 公司设计的用于s o p c 中，连接片上处理器和其它p 模块的一种简单的总线协议，规定了主部件和从部件之间进行连接的端口和通信 的时序1 1 7 1 。 a v a l o n 总线的主要设计目的如下：简单性，提供一种非常易于理解的协议； 优化总线逻辑的资源使用率，将逻辑单元保存在p l d 中；同步操作，将其它的 逻辑单元很好地集成到同一p l d 中，同时避免复杂的时序。 a v a l o n 交换式总线使用最少的逻辑资源来支持数据总线的复用，地址译码、 等待周期的产生、外设的地址对齐( 包括支持原始的和动态的总线尺寸对齐) 、 中断优先级的指定以及高级的交换式总线传输。 传统的总线结构中，一个中心仲裁器控制多个主设备和从设备之间的通信。 这种结构会产生一个瓶颈，因为任何时候只有一个主设备能访问系统总线。 a v a l o n 总线的开关构造使用一种称之为从设备仲裁( s l a v e s i d e a r b i t r a t i o n ) 的技 术，允许多个主设备控制器真正地同步操作。当有多个主设备访问同一个从设备 时，从设备仲裁器将决定哪个主设备获得访问权。 a v a l o n 规范的制定是为了适应单片可编程芯片系统上的外设的开发。这个规 范给那些外设设计工程师提供了一个基本的描述基于地址的a v a l o n 总线上 主( 微处理器) 从( 存储器、u a r t 、定时器外设等) 设备的读写口。这个规范 还描述了各个端口在a v a l o n 交换总线上的传输方式。根据规范，任何一个a v a l o n 上的主设备都可以动态的连接到a v a l o n 上的任何一个从设备上。 a v a l o n 是一个灵活的接口，工程师可以只使用他们系统所需的数量和类型都 有限的几个信号来进行数据传输。a v a l o n 总线定义的内联线的策略使得任何一个 a v a l o n 总线上的主设备都可以与任何一个从设备沟通。a v a l o n 总线还支持大范 围的系统结构，包括单个的，多个的主设备系统，还具有在外设之间通过不同路 径进行无缝的数据传输能力。 可以看到a v a l o n 总线为用户提供了非常友好的接口，使得系统搭建中的一 些细节问题得到屏蔽，大大减轻了系统搭建的工作量。 车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 2 2g p r s 技术 2 2 1g p r s 概述 g p r s 是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( 通用无线分组业务) 的缩写【婚l 。它是 欧洲电信协会g s m 系统中有关分组数据所规定的标准。g p r s 采用分组交换技 术，在通信的过程中不需要建立和保持电路，符合数据通信突发性的特点，并且 呼叫建立时间很短。g p r s 不再根据用户实际的数据流量来计费，这样就允许用 户始终在线，享受方便快捷的服务。因此，g p r s 被认为是第二代移动通信系统 向第三代移动通信演进的重要一步。 g p r s 系统利用现有的g s m 体系结构传输数据分组，只需要进行很少的硬 件和软件升级。一个g p r s 终端用户可以同时占用8 个无线信道，多个g p r s 终 端用户可以共享一个无线信道，无线部分可按需分配话音和分组信道，从而可以 有效地利用网络资源【1 9 1 。g p r s 采用t c w i p 协议传输数据，理想情况下，g p r s 网络中传送一个最小的分组的时延约为l o o m s ，并且由于g p r s 网络是构建在 g s m 网络之上的，所以可以吸引大量的用户群。 g p r s 将使移动商务、移动银行，移动理财、移动交易、移动办公室等业务 成为可能，定位服务、位置查询、信息查询、电子商务、无线多媒体、无线上网 交易等种类纷繁的业务将彻底改变人们的生活方式，使人们进入“移动式生活”。 2 2 2g p r s 主要特点 g p r s 具有以下特点【2 0 】【2 l l ： 在g s m 网络中引入g p r s 支持节点( g s n ) 。s g s n ( s e r v i n gg p r s s u p p o r tn o d e ，g p r s 服务支持节点) 和g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t n o d e ，g p r s 网关支持节点) 采用分组交换平台方式，定义了基于t c p ，口 的g t p ( g p r st u n n e l i n gp r o t o c o l ，g p r s 隧道协议方式) 来承载高层 数据。 通过g g s n 实现了与标准i n t e m e t 的无缝连接，在g g s n 可实现与外部 网络的透明与非透明的连接，支持特定的点对点和点对多点服务，以实 现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经 g p r s 无线信道传输。 以灵活的方式与g s m 语音业务共享无线与网络资源，采用了灵活的策 略，实现数据与语音业务共享。 非常适合突发数掘应用业务，能高效利用信道资源。一般来说g p r s 能 在0 5 l s 之内恢复数据的重新传输。 支持中、高速率数掘传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b p s 的数据传输速率。 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可 9 车载多媒体信息系统中无线网络模块的研制 分配1 到8 个无线接口时隙。 资源利用率高。g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路 交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀 缺的情况下显得尤为重要。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收 数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信 道，从而提高了资源的利用率。 用户一直处于在线连接状态( a l w a y s o n l i n k ) ，接入速度快。这意味着 用户不必担心任何重要的数据信息在传送中丢失，而且不用建立呼叫， 快速而易于接入。 采用数据流量计费。用户可以保持一直在线，只有在读取数据的时候占 用资源和进行付费，改变了以往连接时间计费的方式，这将节约用户资 费，从而吸引更多用户。 g p r s 网络的以上特点，使得其应用在越来越多的监控、检测、调度等系统 中。所以，对g p r s 的通信方式的研究可以说是非常必要的。 2 2 3 g p r s 体系结构 g p r