摘要：為了克服一般車載導(dǎo)航系統(tǒng)定位不連貫的缺陷，利用NiosⅡ" title="NiosⅡ">NiosⅡ軟核處理器配置靈活,、擴展性強等特點,，結(jié)合GPS" title="GPS">GPS和GSM" title="GSM">GSM模塊，設(shè)計出了一種基于SoPC技術(shù)的雙重定位系統(tǒng),。該設(shè)計利用SoPC Builder開發(fā)工具將NiosⅡ處理器,、存儲器和接口等組件及μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)快速地嵌入到FPGA" title="FPGA">FPGA中，用單個芯片完成了人機交互模塊,、控制模塊和通信模塊等功能,，較一般的GPS導(dǎo)航設(shè)備更能實現(xiàn)較高精度的實時連續(xù)系統(tǒng)定位，且該設(shè)計在不改變硬件的基礎(chǔ)上可方便升級,、擴展更多功能,。
關(guān)鍵詞：FPGA；GPS,；NiosⅡ,；μC／OS-Ⅱ

0 引言
    目前在車輛GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，主要是直接利用無差分,、無SA誤差的GPS定位數(shù)據(jù)來實現(xiàn)車輛在地圖上的定位,。考慮到定位信號存在一定的誤差,，5％概率下誤差會超過15 m,，同時城市中建筑物、橋梁以及樹木等還對GPS信號形成遮擋,，甚至?xí)?dǎo)致信號失效,，從而進一步影響定位精度,。而車在行進過程中進行導(dǎo)航時，尤其是在路口以及立交橋等特殊地點的導(dǎo)航時,，系統(tǒng)往往需要更為精確的定位,。為此，本設(shè)計充分利用了FPGA強大的邏輯控制功能和NiosⅡ處理器的多可配置標準外設(shè)接口功能,，結(jié)合GPS和GSM功能模塊,，設(shè)計了一款雙重定位系統(tǒng)。通常情況下用GPS進行定位,，在特殊情況下可以開通GSM網(wǎng)絡(luò)定位功能實現(xiàn)雙定位,，再通過GSM網(wǎng)絡(luò)將定位信息、時間和終端特殊信息傳送到監(jiān)控中心,，或者接收監(jiān)控中心傳來的信息,，完成定位和監(jiān)控等功能。

1 NiosⅡ軟核嵌入式處理器
    NiosⅡ處理器是Altera公司的第二代用戶可配置的通用32位RISC軟核微處理器,，是Altera公司特有的基于通用FPGA架構(gòu)的軟CPU內(nèi)核,。N-iosⅡ系列支持使用專用指令。專用指令是用戶增加的硬件模塊,，它增加了算術(shù)邏輯單元(ALU),。用戶能為系統(tǒng)中使用的每個NiosⅡ處理器創(chuàng)建多達256個專用指令，這使得設(shè)計者能夠細致地調(diào)整系統(tǒng)硬件以滿足性能目標,。專用指令邏輯和本身NiosⅡ指令相同,，能夠從多達兩個源寄存器取值，可選擇將結(jié)果寫回目標寄存器,。同時,，NiosⅡ系列支持60多個外設(shè)選項，開發(fā)者能夠選擇合適的外設(shè),，獲得最合適的處理器,、外設(shè)和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能,。在FPGA中使用軟核處理器比硬核的優(yōu)勢在于,，硬核實現(xiàn)沒有靈活性，通常無法使用最新的技術(shù),。隨著系統(tǒng)日益先進,，基于標準處理器的方案會被淘汰，而基于NiosⅡ處理器的方案是基于HDL源碼構(gòu)建的,，能夠修改以滿足新的系統(tǒng)需求,，避免了被淘汰的命運。將處理器實現(xiàn)為HDL的IP核，開發(fā)者能夠完全定制CPU和外設(shè),，獲得恰好滿足需求的處理器,。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)
    定位終端系統(tǒng)的硬件由一塊FPGA芯片和GPS模塊，GSM模塊,，外部存儲SDRAM,，F(xiàn)LASH，SRAM,，LCD及控制模塊等組成,，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。FPGA芯片主要實現(xiàn)NiosⅡ軟核處理器,、片上存儲器和各種接口驅(qū)動等功能,，其包括NiosⅡ系統(tǒng)和外設(shè)兩部分。NiosⅡ系統(tǒng)包括NiosⅡ處理器,、存儲器,、定時器、串行接口,、并行接口和連接各個組件的Avalon交換結(jié)構(gòu)總線,。其中GPS_UART和GSM_UART分別實現(xiàn)與GPS和GSM模塊的串行通信，LCD控制器實現(xiàn)與人機交互模塊的連接,。

2．1 GPS和GSM模塊
    對于GPS模塊，采用Zarlink公司的GP2015,，它的主要任務(wù)是對接收到的GPS信號進行外差式下變頻,，內(nèi)部包括一個片內(nèi)頻率合成器、三級混頻器,、自動增益控制電路及量化器,。在其內(nèi)部使用鎖相環(huán)頻率合成器合成本地參考信號，然后和接收信號進行混頻,。在該系統(tǒng)設(shè)計中,，射頻前端GP2015需要兩個外部時鐘，一個是10 MHz的基準頻率,，另一個是其內(nèi)部A／D的采樣時鐘,，頻率為5．714 MHz；在GPS接收機的設(shè)計中,，射頻前端與基帶處理模塊的時鐘相位保持一致或相位誤差比較小時,，有助于提高接收機的定位精度?？紤]到這一點,，在本設(shè)計中FPGA和射頻前端共用一個時鐘源，給FPGA提供一個40 MHz的基準頻率，F(xiàn)PGA經(jīng)過內(nèi)部的鎖相環(huán)提供10 MHz和5．714 MHz的時鐘信號給射頻前端,，保證了前端和基帶處理時鐘的同源,。在GP2015內(nèi)部還集成了一個兩位A／D轉(zhuǎn)換器，模擬中頻輸入為4．309 MHz,，輸出兩位的數(shù)字中頻信號,，頻率為1．405 MHz。GSM模塊采用Siemens公司的TC35,，該型號的GSM模塊工作在EGSM 900 MHz和GSM1 800 MHz頻率波段,，提供話音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線連接，使用40引腳的零插力連接器作為控制數(shù)據(jù),、話音信號和電源線的應(yīng)用接口,。其串口通信波特率在300 b／s～115 Kb／s之間可選，也可以在1 200 b／s～115 Kb／s之間的8種波特率間自動適配,。
2．2 創(chuàng)建QuartusⅡ工程
    創(chuàng)建項目工程名為GPS,，芯片選型為EP2C20F484C7，并創(chuàng)建一個原理圖文件GPS．bdf,。
2．3 啟動SoPC Builder并配置硬件系統(tǒng)
    將生成的NiosⅡ標準型CPU應(yīng)用到系統(tǒng)中,，debug level位設(shè)為1，系統(tǒng)復(fù)位映射到FLASH中,，地址為0X0,；異常映射到SRAM中，地址為0X-20．然后添加自己定制的LCD控制模塊LCD_interface．v到NiosⅡ系統(tǒng)中,。選擇RS 232串口作為系統(tǒng)與GPS接收模塊的接口,，在系統(tǒng)構(gòu)架中添加UAWT組件，命名為GPS_UART,，波特率設(shè)為9 600 b／s．并選擇DMA數(shù)據(jù)傳輸控制項,。在組件中選擇valonCornponenst／others／Interval Timer，在彈出的對話框中配置Initial Period項為1 ms,，數(shù)據(jù)位寬為32,。SDRAM作為存儲介質(zhì)保存數(shù)據(jù)，data width設(shè)為16,，address width中row為12,，column為8。添加SRAM模塊用來存儲程序,，memory sizes為4 MB,，添加CFI-Flash模塊，用來存儲圖像及系統(tǒng)配置信息,，在SoPC Builder左側(cè)的組件欄中選擇Avalon Components／Flash Memory,，雙擊組件,，選擇address width為22，data width為8,；還需要添加EPCS Controller,，具體方法是：選擇SoPC Builder左側(cè)組件欄中的Avalon Components／Memory／EPCS Serial Flash Controller，單擊Finish,，完成組件添加,。
    添加Flash Controller模塊，用來控制FLASH工作,。由于FLASH的數(shù)據(jù)總線是三態(tài)的,，所以NiosⅡCPU在與FLASH進行連接時需要添加Ava-lon總線三態(tài)橋控制模塊Tri_state_bridge，用來連接FLASH模塊,；添加自己定制的GPS控制模塊,。最后添加系統(tǒng)ID模塊。配置完成后選擇Sy-stem Generation標簽,，單擊Generate按鈕,，啟動系統(tǒng)生成。
2．4 創(chuàng)建QuartusⅡ頂層模塊并集成NiosⅡ硬件系統(tǒng)
    在GPS．bdf中添加生成的NiosⅡ系統(tǒng),，配置外圍接口電路,，生成完整的硬件系統(tǒng)構(gòu)架。如圖2所示,。

    選擇Start Analysis＆Synthesis開始分析和綜合,，完成后進行引腳分配，檢查無誤后執(zhí)行Start Assembier,，對輸入設(shè)計進行匯編,；將匯編好的編程配置文件GPS．sof通過JTAG方式下載到定位終端目標板上，即可完成硬件的所有綜合設(shè)計,。

3 利用NiosⅡIDE進行系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 軟件總體構(gòu)成
    定位系統(tǒng)軟件主要完成定位信息的采集和定位終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信，主要由主程序,、顯示程序,、GPS信息處理程序和GSM信息處理程序組成。主程序完成系統(tǒng)的初始化,、自檢,、人機交互操作和定位信息的處理等功能。
3．2 GSM網(wǎng)絡(luò)定位及通信
    目前,，中國移動和中國聯(lián)通的移動通信網(wǎng)絡(luò)既是語音通信網(wǎng)絡(luò),，又是一個能提供豐富數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，只要當?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)開通了位置服務(wù)功能,，選用支持STK的SIM卡,，即可通過STK命令得到位置信息。GSM網(wǎng)絡(luò)通信主要以短消息的方式進行，包括短消息的接收和發(fā)送,。在短消息的收發(fā)程序設(shè)計中運用AT命令來實現(xiàn),，其包括定位和監(jiān)控信息的編碼和解碼、通信模式設(shè)定和聯(lián)機測試,、短消息的收發(fā),、收發(fā)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵命令字的模式匹配。
3．3 GPS信號定位
    在進行信號穩(wěn)定跟蹤以前,，首先需要實現(xiàn)信號的捕獲來確定信號是否存在,。通用接收機對載波信號的捕獲通常采用一維的串行相關(guān)搜索。在本文所描述的高動態(tài)情況下,，載波多普勒頻偏最大為±14 kHz,，若選擇頻率搜索步進為500 Hz，需要57次才能完成整個28 kHz帶寬的搜索,，顯然非常耗費時間,。而利用傅里葉變換將信號從時域變換到頻域后，通過把原來的時域串行搜索變?yōu)轭l域并行搜索,，進行1次并行搜索就能等同于傳統(tǒng)方式下的57次串行搜索,，大大節(jié)約了搜索時間。GPS定位流程如圖3所示,。

3．4 GPS信號追蹤
    完成信號捕獲后,，需要對信號進行精確穩(wěn)定的跟蹤，保證后續(xù)導(dǎo)航電文的正確解調(diào),。載波跟蹤環(huán)由預(yù)檢測積分器,、環(huán)路鑒別器和濾波器組成，圖4為GPS信號載波L1的跟蹤環(huán)路框圖,。
3．5 Kalman濾波算法
    目前,，比較難處理的是GPS信號隨機誤差系統(tǒng)中的多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)誤差是人們關(guān)注最多的誤差,，嚴重影響GPS測量精度,。嚴重時還將引起信號失鎖。信號在到達接收機之前可能經(jīng)過多路反射,、干涉,，導(dǎo)致信號相位和光程產(chǎn)生很大變化。該類誤差較難處理,，不能通過差分處理補償,。針對上述現(xiàn)象本文提出一種在多路徑條件下的Kalman濾波算法，Kalman濾波器是一種線性最小方差濾波器,，它不但考慮了信號與測量值的基本統(tǒng)計特性(一,、二階統(tǒng)計特性),，而且，由于采用了狀態(tài)空間的概念,，用狀態(tài)方程描述系統(tǒng),，信號作為狀態(tài)，所以,，它既能估計平穩(wěn)的標量信號隨機過程,，又能估計非平穩(wěn)的矢量隨機過程。它能夠從一系列的不完全包含噪聲的測量中,，估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài),。所以被廣泛用于自動導(dǎo)航和定位系統(tǒng)中。本設(shè)計利用Kalman Filter以及回歸直線的平滑化,，有效改善了多路徑環(huán)境下的GPS測位結(jié)果的連續(xù)性和直線性,，用在GPS／GSM導(dǎo)航系統(tǒng)中，使系統(tǒng)做到定位精準,、連續(xù),、無盲區(qū)。圖5是Kalman濾波器的運算框圖,。
3．6 系統(tǒng)整合實現(xiàn)
   啟動NiosⅡIDE工作環(huán)境,，創(chuàng)建工程。
   選擇主菜單File／New／Project,，選擇Altera NiosⅡ／C／C++ Application,，設(shè)置工程名為GPS，在SoPCBuilder Systam選項中選擇Sy-stem．ptf文件,，該文件包含由SoPC Builder創(chuàng)建的NiosⅡ系統(tǒng)硬件信息,，選擇Blank Project模板，將C軟件代碼導(dǎo)入工程中,。實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ是一個完整的,、可移植、固化和裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核,。μC／OS-Ⅱ提供以下系統(tǒng)服務(wù)：任務(wù)管理,、事件標志、消息傳遞,、內(nèi)存管理、信號量,、時間管理,。在應(yīng)用程序中，可以方便地利用這些調(diào)用實現(xiàn)復(fù)雜實時系統(tǒng)控制功能,。在NiosⅡIDE環(huán)境下,，選擇Tools／Fl-ash Programmer,，在彈出的對話框中選定下載一個文件到FLASH存儲器中，單擊右側(cè)Browse按鈕,，選擇已經(jīng)保存好的電子地圖文件(raw格式  ),。指定存儲器(Memory)為cfi_flash，偏移地址(Offset)為0X1000,，單擊Program Flash下載,。
    僅有GPS導(dǎo)航的狀態(tài)下與在GPS+GSM共同導(dǎo)航的狀態(tài)下系統(tǒng)實現(xiàn)的最終效果對比如圖6，圖7所示,。

4 結(jié)語
    本設(shè)計在以FPGA為核心,，利用NiosⅡ軟核的集成度高、配置靈活,、擴展性強的特點,，構(gòu)建了GPS+GSM的雙重定位系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)車載定位" title="車載定位">車載定位系統(tǒng)的不足,，做到定位可靠,，無盲區(qū)的效果。μC／OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的嵌入,，使系統(tǒng)的整體控制能力增強,，為后期添加復(fù)雜的智能導(dǎo)航算法及擴展成為移動多媒體平臺奠定了基礎(chǔ)。