基于SoPC的汽车安全监控系统设计

摘要： 介绍基于Altera公司SoPC的汽车安全监控系统，利用嵌入在FPGA中的Nios处理器软核CPU，配合GPS和GSM系统，对汽车的停放和运行状态进行监测和控制。文中详细介绍系统的硬件组成，并给出对GPS和GSM的C语言管理程序。

关键词： SoPC Nios GPS GSM


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。

　　　　　　　　　　　　　　　　 图1系统硬件组成框图

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图2Nios系统设计

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图3Nios系统设计结果

　　 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;mwhile(~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;mwhile(~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;
}

　　　　　　　　　　　　　　　　 图4TC35i GSM系统连接图

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。

参考文献

1 郭书军，王玉花，葛纫秋．嵌入式处理器原理及应用．北京：清华大学出版社，2004
2 Motorola. M12 Oncore Users Guide Supplement, 2000
3 Siemens. TC35 Siemens Cellular Engines Hardware Interface Description, 2001
4 Siemens. TC35 Siemens Cellular Engines AT Command Set, 2002
郭书军：副教授，主要研究方向为数据通信及其信号处理和嵌入式系统。