基于-SOPCGPS信息显示系统设计

1、-. z基于SOPC的GPS信息显示系统的设计摘要：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，并对其进展分析，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展了详细的介绍，同时讨论了软件的设计，给出了局部软件流程图。关键词：SOPC , GPS , NiosII引言全球定位系统GPSGlobal Positioning System是以卫星为根底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、精细测量等多方面的强大功能，其

2、应用已经普及军事、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开展的同时，GPS用户端设备也处于不断升级和开展之中，同时对接收系统的设计提出了更高的要求。SOPC(System onProgrammableChip，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

3、交互模块、控制模块和通信模块等功能，设计灵活，可裁减、可扩大、可升级、具有软硬件在系统可编程的功能,系统构造极为紧凑。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。基于Nios II软核处理器的SOPC设计SOPC 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根底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

4、点，一般具备以下根本特征：至少包含一个嵌入式处理器核；具有小容量，片高速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；可能包含局部可编程模拟电路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

5、其外围设备进展构建，使该嵌入式系统在硬件构造、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本钱敏感的电子产品，避开了直接设计ASIC的困难。Nios II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别离的哈佛构造。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、

6、常用外设和接口, 以及并行多控制器Avalon交换构造总线2。与常见的硬核处理器相比，Nios软核处理器具有以下特点：(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存放器组，加速子程序的调用和返回；(4)Avalon交换构造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大，完成系统的集成。SOPC的体系构造及开发流程Nios II软核处理器

7、系统通过Avalon交换构造总线将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局部。硬件局部设计使用SOPCBuilder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，然后进展编译，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软件开发工具进展程序设计、连接、编译和调试。GPS定位原理GPS系统的

8、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。用户设备局部：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显示系统即属于这局部。GPS定位原理 GPS定位的根本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为的起算数据，采用空间距离前方交会的方法，确定

9、待测点的位置4，GPS定位原理如图1所示。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=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个方程式：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GPS承受机接收GPS信号过程的反响时间，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， 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，(=1、2、3、4)；为GPS信号的传播速度即光速。 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

10、时间。GPS接收机在地面上承受位于天上的至少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。 GPS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的根底上，增加了GPS接收机输出的容而完成的。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

11、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.

12、mmmm；经度区分，东半球E或西半球W；对地速度，围为 0.0 至 1851.8 knots；方向角，围为000.0 至 359.9度；日期，格式为ddmmyy；磁偏角，围为000.0 至180.0度；磁偏角方向，东E或西W；Checksum(校验和) ；完毕标记GPS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，并对数据包进展处理。由于GPS定位信息容比拟少，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。但凡以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

13、息处理的过程简化为文本字符串的解析过程。系统功能设计系统整体构造根据功能要求，本系统设计整体构造如图2所示。图2系统构造图系统功能模块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CycloneII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)。GPS模块GPS模块采用Holu*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

14、芯片组，是当前灵敏度最高、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。其局部参数如表1所示。图3 GR-87 GPS模块实物图表1GP-87模块性能参数表产品特征 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：480038400 (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 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

15、加速度：4g脉冲延时：100ms 颠 簸：20米/秒 电气特性 捕获时间 输入电压：3.35VDC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秒物理特性冷启动时间：42秒 尺寸：25.4mm(D)25.4mm(W)7mm(H)测量精度 重量：7g定位：10米2D RMS1-5米 DGPS环境特性速度：0.1米/秒操作温度：-10+60时间：1ms 存贮围：-20+85-. z-. zGPS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15分钟，然后将星历数据存储在模块部，

16、靠模块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，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，则再开机也相当于冷开机。LCD显示模块TFT液晶显示模块采用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局部，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79。该液晶屏显示方式为点阵方式，由驱动程序根据输入信号，

17、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液晶显示模块接口系统硬件设计SOPC Builder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，生成对这些组件进展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。本系

18、统硬件设计Nios II系统硬件设计由系统构造图可知，FPGA芯片包括NiosII处理器,以及通过Avalon总线与处理器相连的外设接口，主要有UART、LCD控制器、JTAG UART、SDRAM控制器等，片外设备包括GR-87GPS模块、T32QM6450LCD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

19、据。GPS 信息显示系统硬件构成如图5所示图5GPS 信息显示系统硬件构成本系统所需的大局部接口，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。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、停顿位、传输的数据位以及其他可选的RTS-CTS流控

20、制信号等。设计者可对其硬件进展配置，GPS控制器IP如图6所示。图6 GPS控制器IPLCD 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。-. zmodule color_lcd(/HOST SideiDATA,oDATA,iCMD,iRD_N,iWR_N,iCS_N,iRST_N,iCLK,/LCD SideENET_DATA,ENET_CMD,ENET_RD_N,ENET_WR_N,ENET_CS_N,ENET_RST_N);/HOST Sideinput15

21、:0iDATA;inputiCMD;inputiRD_N;inputiWR_N;inputiCS_N;inputiRST_N;inputiCLK;output15:0oDATA;/LCD Sideinout15:0ENET_DATA;outputENET_CMD;outputENET_RD_N;outputENET_WR_N;outputENET_CS_N;outputENET_RST_N;reg15:0TMP_DATA;regENET_CMD;regENET_RD_N;regENET_WR_N;regENET_CS_N;reg15:0oDATA;assignENET_DATA=ENET_WR

22、_N16hzzzz:TMP_DATA;always(posedge iCLK or negedge iRST_N)beginif(!iRST_N)beginTMP_DATA =0;ENET_CMD =0;ENET_RD_N =1;ENET_WR_N =1;ENET_CS_N =1;oDATA=0;endelsebeginoDATA=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，标识一帧的完毕。对数据帧处理，是先对帧头进展判断，然后只对需要的帧进展数据的提取处理。

23、由于帧各数据段被，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展识别，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。TFT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，假设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立方法，创立一个816的ASCII码字库和1616汉字小字库，并设计相对应的字符显示层序，软件提取

24、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。图9 GPS信息处理流程图图10 Zimo22软件提取的字符A的点阵信息程序运行使用Nios IDE集成开发环境，创立所需的C应用工程后，编译工程，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

25、工作。图12 整个系统实物图图13 系统启动与运行界面完毕语基于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展定制，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，同时还可以得到比拟好的系统稳定性和可靠性。本设计实验结果说明本文所提出的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，具有广阔的开展空间。参考文献兰英等. NiosII嵌入式软核SOPC设计原理及应用.：航空航天大学, 2006.11Nios II Processor Reference Handbook, Altera.Corp,2006.02周博等.挑战SOC基于NIOS 的SOPC设计与实践.：清华大学,2004.王惠南.GPS导航原理与应用.：科学, 2003Cyclone II Device Handbook, Altera.Corp,2006.02HOLU* GR-87 GPS Engine Board Users Guide, Holu*.Corp,20