基于Nios II及GPS/GSM的汽车状态监控系统设计与分析

中心议题：
    *  汽车状态监控系统硬件组成
    *  汽车状态监控系统软件设计
    *  设计调试方法和设计结果
解决方案：
    *  采用Altera公司最新的SoPC解决方案
    *  选用低成本的Cyclone系列器件EP1C12

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。
　　
校科研基金项目“基于SOPC的汽车安全监控系统”资助。 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。

 

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 　　
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”);
为回车(十六进制0d);
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
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
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
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;
}

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。