S-8-1 毕业论文正文(徐斌ok)

盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 1 页 共 18 页 基于基于 SOPCSOPC 的的 GPSGPS 信息显示系统的设计信息显示系统的设计 电子信息工程专业电子信息工程专业 徐徐 斌斌 指指 导导 教教 师师 杜杜 晓晓 摘摘 要要 文中设计了一种基于 SOPC 的 GPS 信息显示系统 该系统能够接 GPS 模块发送 来的数据包 并对其进行分析 提取其中经纬度坐标 时间 日期 移动速度等信息 再将这些信息实时地输出到 TFT 液晶显示屏上显示 文中对硬件电路的设计进行了详 细的介绍 同时讨论了软件的设计 给出了部分软件流程图 关键词 关键词 SOPC GPS Nios II 1引言引言 全球定位系统GPS Global Positioning System 是以卫星为基础的全球无线电 导航定位系统 它具有全天候 高精度 自动化 高效率等特点 能够为用户提供定 位导航 授时校频 精密测量等多方面的强大功能 其应用已经遍及军事 航海 航 空 测量 交通 勘测等几乎一切与位置 速度 时间有关的人类活动中 除了GPS 还有俄罗斯的Glonass 欧洲的Galileo系统以及中国自己的卫星定位系统 北斗双星 在各种全球定位系统不断发展的同时 GPS用户端设备也处于不断升级和发展之中 同 时对接收系统的设计提出了更高的要求 SOPC System on Programmable Chip 即可编程片上系统 是当前电子设计领域中 最热门的概念 由美国Altera公司于2000年最早提出 它主要通过SOPC Builder开发 工具将Nios处理器 存储器和接口等组件快速地嵌入到高密度FPGA 中 采用单个控制 芯片完成了人机交互模块 控制模块和通信模块等功能 设计灵活 可裁减 可扩充 可升级 具有软硬件在系统可编程的功能 系统结构极为紧凑 SOPC的这些特点恰恰可 以满足GPS接收系统的设计要求 所以设计基于SOPC的GPS信息显示系统是非常好的选 择 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 2 页 共 18 页 2基于基于 Nios II 软核处理器的软核处理器的 SOPC 设计设计 2 12 1SOPCSOPC 技术简介技术简介 SOPC 技术是美国 Altera 公司于 2000 年最早推出的 实际上涵盖了嵌入式系统设 计技术的全部内容 除了以处理器和实时多任务操作系统 RTOS 为中心的软件设计技 术 以 PCB 和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外 SOPC 还涉及日前已引 起普遍关注的软硬件协同设计技术 SOPC 结合了 SOC 和 FPGA 各自的优点 一般具备以 下基本特征 至少包含一个嵌入式处理器内核 具有小容量 片内高速 RAM 资源 丰 富的 IP Core 资源可供选择 足够的片上可编程逻辑资源 处理器调试接口和 FPGA 编 程接口 可能包含部分可编程模拟电路 1 构成 SOPC 的方案也有如下多种途径 1 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的系统 这种 SOPC 系统是指在 FPGA 中预先植入处理 器 这使得 FPGA 灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一起 高效地 实现 SOPC 系统 2 基于 FPGA 嵌入 IP 软核的系统 这种 SOPC 系统是指在 FPGA 中植入软核处理 器 如 NIOS II 核等 用户可以根据设计的要求 利用相应的 EDA 工具 对 NIOS II 及其外围设备进行构建 使该嵌入式系统在硬件结构 功能特点 资源占用等方面全 面满足用户系统设计的要求 3 基于 HardCopy 技术的系统 这种 SOPC 系统是指将成功实现于 FPGA 器件上的 SOPC 系统通过特定的技术直接向 ASIC 转化 把大容量 FPGA 的灵活性和 ASIC 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产品 避开了直接设计 ASIC 的困难 2 22 2NiosNios IIII 软核处理器软核处理器 Nios II 处理器是 Altera 公司推出的一种用户可配置的 32 位 RISC 软核处理器 采 用 5 级流水线和程序与数据存储器分离的哈佛结构 它包含 16 位的专用指令集 算术 逻辑运算单元 同步地址发生器 32 位数据总线 常用外设和接口 以及并行多控制 器 Avalon 交换结构总线 2 与常见的硬核处理器相比 Nios 软核处理器具有以下特点 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 3 页 共 18 页 1 可配置的软核 可以通过 SOPC Builder 对其参数配置以适应不同的场合 2 32 位软核处理器 而指令集是 16 位的 减少了程序代码长度和指令存储宽 度 3 采用滑动窗口选取大容量的窗口化通用寄存器组 加速子程序的调用和返回 4 Avalon 交换结构总线支持所有总线控制器的并行事务处理 解决了传统处理 器总线每次只能有一个控制器可以存取总线的带宽瓶颈 5 可以容易地实现标准外设的裁减和扩充 完成系统的集成 2 32 3SOPCSOPC 的体系结构及开发流程的体系结构及开发流程 Nios II软核处理器系统通过Avalon交换结构总线将Nios II处理器 存储器和接 口等系统组件桥接在一起 形成一个接口统一的高性能SOPC系统 3 基于SOPC的系统设 计包括硬件和软件两部分 硬件部分设计使用SOPC Builder生成Nios II处理器 从标 准库中添加外设 综合处理自定义系统 用Quartus II设计软件将Nios II处理器和其 它逻辑电路结合完成设计输入 然后进行编译 再将该硬件配置信息通过配置芯片装 载到FPGA中 软件开发利用SOPC Builder生成的软件文件 用文本编辑器编写汇编语 言或C C 程序 用GNUPro软件开发工具进行程序设计 连接 编译和调试 3 3GPSGPS 定位原理定位原理 3 13 1GPSGPS 系统的组成系统的组成 空间卫星部份 由 24 颗卫星所组成 分成六个轨道 运行于约 20200 公里的高空 绕行地球一周约 12 小时 每个卫星均持续着发射载有卫星轨道数据及时间的无线电波 提供地球上的各种接收机来应用 地面支撑系统 这是为了追踪及控制上述卫星运转 所设置的地面 管制站 主要 工作为负责修正与维护卫星正常运转的各项参数 以确保每个卫星都能提供正确的讯 息给接收机来接收 用户设备部分 追踪所有的 GPS 卫星 并实时地计算出接收机所在位置的坐标 移动速度及时间 我们所设计的 GPS 显示系统即属于这部分 3 23 2GPSGPS 定位原理定位原理 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 4 页 共 18 页 GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据 采用空 间距离后方交会的方法 确定待测点的位置 4 GPS 定位原理如图 1 所示 y z x 卫星1 x1 y1 z1 卫星2 x2 y2 z2 卫星3 x3 y3 z3 卫星4 x4 y4 z4 待测位置 x y z 图 1 GPS 定位原理 假设 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机 可以测定 GPS 信号到达接收机的时间t 1 2 3 4 再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四it i 个方程式 1 222 2 11101 xxyyzzctd 1 222 2 22202 xxyyzzctd 1 222 2 33303 xxyyzzctd 1 222 2 44404 xxyyzzctd 上述四个方程式中 未知数 为待测点位置的空间直角坐标 未知数为xyz 0 t GPS 接受机接收 GPS 信号过程的反应时间 即存在一定的延迟 1 2 3 4 分别为卫星 1 2 3 4 在 时刻的空间直角坐标 ixiyiziit 可由卫星导航电文求得 1 2 3 4 为卫星 到接收机之间的距离 i dii 1 2 3 4 为 GPS 信号的传播速度 即光速 i i dc t ic 由以上四个方程即可解算出待测点位置的坐标 和接收机的延迟时间 xyz 0 t GPS 接收机在地面上接受位于天上的至少 4 颗 GPS 定位卫星的信号 电磁波 根 据定位信号到达 GPS 接收机的时间差 GPS 接收机就可以计算出自己距离卫星的准确距 离 又因为 GPS 定位卫星在天上的位置是已知的 所以可以通过公式 把这个位置和 刚刚得到的距离 换算出 GPS 接收机在地面的位置 经纬度 海拔等 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 5 页 共 18 页 3 33 3 GPSGPS 定位数据格式定位数据格式 GPS 模块输出的定位信息遵从 NMEA 0183 通信标准 该标准是美国国家海洋电子协 会为海用电子设备制定的标准格式 它是在过去海用电子设备的标准格式 0180 和 0182 的基础上 增加了 GPS 接收机输出的内容而完成的 现在除少数 GPS 接收机外 几乎 所有的接收机均采用了这一格式 为有效地开发 GPS 接收系统 必须熟练掌握这一格 式 NMEA 0183 通信标准的输出数据采用的是 ASCII 码 其内容包含经度 纬度 高度 速度 日期 时间 航向 及卫星状况等信息 语句有 6 种格式 包括 GGA GLL GSA GSV RMC 和 VTG 我们以 RMC 记录语句为例作介绍 GPRMC 161229 487 A 3723 2475 N 12158 3416 W 0 13 309 62 120598 W 10 GPRMC hh 标准定位时间 格式为 hhmmss sss 定位状态 A 数据可用 V 数据不可用 纬度 格式为 ddmm mmmm 纬度区分 北半球 N 或南半球 S 经度 格式为 dddmm mmmm 经度区分 东半球 E 或西半球 W 对地速度 范围为 0 0 至 1851 8 knots 方向角 范围为 000 0 至 359 9 度 日期 格式为 ddmmyy 磁偏角 范围为 000 0 至 180 0 度 磁偏角方向 东 E 或西 W Checksum 校验和 结束标记 3 43 4GPSGPS 接收系统接收系统 GPS 接收系统完成的主要任务是接收外部 GPS 模块发送来的数据包 并对数据包进 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 6 页 共 18 页 行处理 由于 GPS 定位信息内容比较少 因此市面上的 GPS 设备多采用 RS 232 串口实 现与计算机或开发板的连接接口 凡是以 RS 232 作为接口的 GPS 设备 其发送的数据 流信息均为文本字符串形式 且遵行 NMEA 0183 通信标准 所以我们可以将 GPS 信息 处理的过程简化为文本字符串的解析过程 4 4系统功能设计系统功能设计 4 14 1系统整体结构系统整体结构 根据功能要求 本系统设计整体结构如图 2 所示 LCD控制器 Nios II UART IP SDRAM 控制器 Timer JTAG UART SRAM Avalon 三态桥 Avalon 总线 SRAM SDRAM CFI FLASH GPS模块 LCD模块 Altera FPGA 图 2 系统结构图 4 24 2系统功能模块系统功能模块 4 2 14 2 1 FPGA 芯片 本系统设计使用 Altera DE2 开发平台 主 FPGA 芯片为 Altera 公司的 Cyclone II 系列的 EP2C35F672C6 器件 5 其逻辑单元为 33216 个 含 105 个 M4K RAM 块 4 个锁 相环 最大 I O 接口为 475 个 等效门数为 42 万门 定制一个完整的 32 位 CPU 只需占 用约 700 个逻辑单元 4 2 24 2 2 GPS 模块 GPS 模块采用台湾 Holux 公司的 GR 87 型号 6 实物图如图 3 所示 GR 87 是一款高 效能 低耗电的卫星接收模组 采用美国了瑟孚 SiRF 第三代芯片组 是当前灵敏 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 7 页 共 18 页 度最高 功能最全面的模块之一 能满足专业定位的严格要求与个人消费需求 其部 分参数如表 1 所示 图 3 GR 87 GPS 模块实物图 表 1 GP 87 模块性能参数表 产品特征产品特征 数据特性数据特性 通 道 并行 20 通道 I O 信息 1 个全双工串行 TTL 接口 频 率 L1 1575 42MHZ 传输速率 4800 38400 标准 4800 C A 码 1 023MHZ 码片速率 格式 二进制和 NMEA 0183 版本 2 2 跟踪灵敏度 159dB NMEA 0183 CGA GSA GSV RMC 动态性能动态性能 定位速度 海拔 状态和控制 速 度 515 米 秒DGPS 协议 RTCM SC 104 类型 1 2 和 9 加速度 4g脉冲延时 100ms 颠 簸 20 米 秒 电气特性电气特性 捕获时间捕获时间 输入电压 3 3 5VDC 重获取时间 0 1 秒后备电源 直流 3V 热启动时间 8 秒输入电流 80mA 温启动时间 38 秒物理特性物理特性 冷启动时间 42 秒 尺寸 25 4mm D 25 4mm W 7mm H 测量精度测量精度 重量 7g 定位 10 米 2D RMS 1 5 米 DGPS 环境特性环境特性 速度 0 1 米 秒操作温度 10 60 时间 1ms 存贮范围 20 85 GPS 模块有冷开机和热开机两个参数 如果 GPS 模块初次通电 或者移动超过 1000 公里后通电时 模块要重新计算一次星历数据 一般需要 1 5 分钟 然后将星历 数据存储在模块内部 靠模块内部的锂电池保存数据 这叫冷开机 需要较长的时间 如果下次开机 因为锂电池已经保存了有效的星历数据 所以能快速定位 一般在 30 秒以内 所以叫热开机 如果模块断电时间超过 10 小时 锂电池放电放光 那么再开 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 8 页 共 18 页 机也相当于冷开机 4 2 34 2 3 LCD 显示模块 TFT 液晶显示模块采用台湾 Wistron 公司的 T32QM6450 型号 该模块包含 TFT LCD 模块 驱动电路 背光单元和触摸屏四部分 尺寸为 3 2 英寸 分辨率为 240 320 支 持 65K 色显示 其驱动电路由 ISRON 公司的 IS2102B 和 IS2202 显示控制单元组成 具 有 16 位数据总线接口 5 条控制线及电源线等 7 9 该液晶屏显示方式为点阵方式 由 驱动程序根据输入信号 通过查询方式确定要显示的字符 图形以及颜色 并产生地 址信号及控制信号 将点阵数据送到显示屏显示 液晶显示模块各接口如图 4 所示 图 4 T32QM6450 液晶显示模块接口 5 5系统硬件设计系统硬件设计 5 15 1SOPCSOPC BuilderBuilder硬件开发环境硬件开发环境 SOPC Builder与Quartus II软件一起提供 它为建立SOPC设计提供标准化的图形 设计环境 其中SOPC由CPU 存储器接口 标准外围设备和用户自定义的外围设备等组 件 SOPC Builder允许选择和自定义系统模块的各个组件和接口 SOPC Builder将这 些组件组合起来 生成对这些组件进行实例化的单个系统模块 并自动生成必要的总 线逻辑 以将这些组件连接到一起 5 25 2本系统硬件设计本系统硬件设计 5 2 15 2 1 NiosNios IIII系统系统硬件设计 由系统结构图可知 FPGA芯片内包括Nios II处理器 以及通过Avalon总线与处理 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 9 页 共 18 页 器相连的外设接口 主要有UART LCD控制器 JTAG UART SDRAM控制器等 片外设备 包括GR 87 GPS模块 T32QM6450 LCD模块 SDRAM SRAM Flash等 其中UART实现与 GPS模块的串口通信 接收GPS传输回来的导航信息 LCD控制器实现TFT LCD屏的控制 信号与数据信号的传输 JTAG UART实现PC和开发板通信 主要用于下载和调试 SDRAM控制器实现处理器和SDRAM之间的数据存取 包括SDRAM存储程序和用于显示的字 符 图形等数据 GPS 信息显示系统硬件构成如图5所示 图5 GPS 信息显示系统硬件构成 本系统所需的大部分接口 均能够应用Altera公司提供的IP核来实现 借助系统 级设计工具SOPC Builder大大降低了设计难度 但设计中还有一些接口是需要用户根 据自己的需求来定义井添加到系统中 5 2 25 2 2 GPS 控制器 IP 即 UART 核 本系统选用的 GPS 模块支持 RS 232 通信方式 可直接利用 SOPC Builder 集成的 通用异步接收器 发送器核 UART 核 该 IP 核在 FPGA 上的嵌入式系统和外设之间实 现一种串行字符流通信方式 实现了 RS 232 协议 可改变其波特率 奇偶校验位 停 止位 传输的数据位以及其他可选的 RTS CTS 流控制信号等 设计者可对其硬件进行 配置 GPS 控制器 IP 如图 6 所示 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 10 页 共 18 页 图 6 GPS 控制器 IP 5 2 35 2 3 LCD 控制器 IP 根据 Wistron 公司提供的 T32QM6450 液晶显模块的说明文档 10 采用 Verilog HDL 设计与 Nios II 的接口电路 并将之封装 IP 核的形式 如图 7 所示 module color lcd HOST Side iDATA oDATA iCMD iRD N iWR N iCS N iRST N iCLK LCD Side ENET DATA ENET CMD ENET RD N ENET WR N ENET CS N ENET RST N HOST Side input 15 0 iDATA inputiCMD inputiRD N inputiWR N inputiCS N inputiRST N inputiCLK output 15 0 oDATA LCD Side inout 15 0 ENET DATA outputENET CMD outputENET RD N outputENET WR N outputENET CS N outputENET RST N reg 15 0 TMP DATA regENET CMD regENET RD N regENET WR N regENET CS N reg 15 0 oDATA assignENET DATA ENET WR N 16 hzzzz TMP DATA always posedge iCLK or negedge iRST N begin if iRST N begin TMP DATA 0 ENET CMD 0 ENET RD N 1 ENET WR N 1 ENET CS N 1 oDATA 0 end else begin oDATA ENET DATA TMP DATA iDATA ENET CMD iCMD ENET CS N iCS N ENET RD N iRD N ENET WR N 作为帧尾 标识一帧的结束 对数据帧处理 是先对帧头进行判断 然后只对需要的帧进行数据的提取处理 由于帧内各数据段被 分割 因此在处理接收数据时一般是首先通过搜寻 ASCII 码 来判断是否是帧头 接着对帧头的类别进行识别 然后再根据识别出来的帧类型 以及 个数来确定当前正在读取的是哪个定位导航参数 并作出相应的提取和存储 11 具体流程如图 9 所示 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 13 页 共 18 页 6 2 26 2 2 TFTTFT模块字符串显示设计 本设计选择使用LCD作为输出设备 用来显示从GPS模块接收来的相关定位信息 LCD上显示的每个字符都可以看作是具有一定形状的图像 形状的描述即为字符图像的 数据 通常称为字模 若干个字符的自摸的集合即构成一个字库 本设计采用点阵字 库创建方法 创建一个8 16的ASCII码字库和16 16汉字小字库 并设计相对应的字符 显示层序 软件提取字模方式如图10所示 设计程序 提取GPS设备发送来的数据 并将相关定位信息显示在LCD液晶屏上 由于篇幅有限 具体程序见附录中 接收一帧完整的GPS数据 存入string length 中 section id 0 i 0 string i string length i string i 为帧头 string i 为帧尾 string i 为 section id 对相应的信息 进行保存 i start stop Y N Y Y Y Y N N N 图 9 GPS 信息处理流程图 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 14 页 共 18 页 图10 Zimo22软件提取的字符A的点阵信息 6 36 3程序运行程序运行 使用 Nios IDE 集成开发环境 创建所需的 C 应用工程后 编译链接工程 程序运 行如图 11 所示 图 11 GPS 信息显示系统硬件下载运行 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 15 页 共 18 页 7 7系统运行系统运行 整个系统如图 12 所示 程序运行后 由于 GPS 模块启动需一定时间 系统首先显 示启动界面 当 GPS 信息接收到之后 TFT 液晶显示屏上显示经纬度坐标 时间 日 期 移动速度等信息 启动界面与运行界面如图 13 所示 由系统工作情况知 本设计 正确 系统各项功均能正常工作 图 12 整个系统实物图 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 16 页 共 18 页 图 13 系统启动与运行界面 8 8结束语结束语 基于 SOPC 的嵌入式系统设计有两个突出的特点 首先是降低了硬件设计的难度 缩短了硬件开发周期 提高了设计的可靠性 CPU 本身是以软核的方式实现 其功能 可根据需要进行定制 相当的灵活 快速 其次是软件开发容易 由于 SOPC Builder 开发环境的完备功能 可以把注意力集中在系统整体构架和功能上 无需过多地考虑 细节性的电路设计 同时还可以得到比较好的系统稳定性和可靠性 本设计实验结果 表明本文所提出的 GPS 显示系统设计方案是可行的 并且基于 SOPC 的 GPS 接收系统 在速度 功耗 体积 扩展性方面有着独特的优势 具有广阔的发展空间 盐盐城城师师范范 学学院院毕毕业业 论论文文 设设计计 第 17 页 共 18 页 参考文献参考文献 1 李兰英等 Nios II 嵌入式软核 SOPC 设计原理及应用 北京 北京航空航天 大学出版社 2006 11 2 Nios II Processor Reference Handbook Altera Corp 2006 02 3 周博等 挑战 SOC 基于 NIOS 的 SOPC 设计与实践 北京 清华大学出版