基于FPGA的GPS+GSM双重车载定位系统设计

摘要：为了克服一般车载导航系统定位不连贯的缺陷，利用NiosⅡ软核处理器配置灵活、扩展性强等特点，结合GPS和GSM模块，设计出了一种基于SoPC技术的双重定位系统。该设计利用SoPC Builder开发工具将NiosⅡ处理器、存储器和接口等组件及μC／OS-Ⅱ操作系统快速地嵌入到FPGA中，用单个芯片完成了人机交互模块、控制模块和通信模块等功能，较一般的GPS导航设备更能实现较高精度的实时连续系统定位，且该设计在不改变硬件的基础上可方便升级、扩展更多功能。
关键词：FPGA；GPS；NiosⅡ；μC／OS-Ⅱ

0 引言
目前在车辆GPS导航系统中，主要是直接利用无差分、无SA误差的GPS定位数据来实现车辆在地图上的定位。考虑到定位信号存在一定的误差，5％概率下误差会超过15 m，同时城市中建筑物、桥梁以及树木等还对GPS信号形成遮挡，甚至会导致信号失效，从而进一步影响定位精度。而车在行进过程中进行导航时，尤其是在路口以及立交桥等特殊地点的导航时，系统往往需要更为精确的定位。为此，本设计充分利用了FPGA强大的逻辑控制功能和NiosⅡ处理器的多可配置标准外设接口功能，结合GPS和GSM功能模块，设计了一款双重定位系统。通常情况下用GPS进行定位，在特殊情况下可以开通GSM网络定位功能实现双定位，再通过GSM网络将定位信息、时间和终端特殊信息传送到监控中心，或者接收监控中心传来的信息，完成定位和监控等功能。

1 NiosⅡ软核嵌入式处理器
NiosⅡ处理器是Altera公司的第二代用户可配置的通用32位RISC软核微处理器，是Altera公司特有的基于通用FPGA架构的软CPU内核。N-iosⅡ系列支持使用专用指令。专用指令是用户增加的硬件模块，它增加了算术逻辑单元(ALU)。用户能为系统中使用的每个NiosⅡ处理器创建多达256个专用指令，这使得设计者能够细致地调整系统硬件以满足性能目标。专用指令逻辑和本身NiosⅡ指令相同，能够从多达两个源寄存器取值，可选择将结果写回目标寄存器。同时，NiosⅡ系列支持60多个外设选项，开发者能够选择合适的外设，获得最合适的处理器、外设和接口组合，而不必支付根本不使用的硅片功能。在FPGA中使用软核处理器比硬核的优势在于，硬核实现没有灵活性，通常无法使用最新的技术。随着系统日益先进，基于标准处理器的方案会被淘汰，而基于NiosⅡ处理器的方案是基于HDL源码构建的，能够修改以满足新的系统需求，避免了被淘汰的命运。将处理器实现为HDL的IP核，开发者能够完全定制CPU和外设，获得恰好满足需求的处理器。

2 系统的硬件设计与实现
定位终端系统的硬件由一块FPGA芯片和GPS模块，GSM模块，外部存储SDRAM，FLASH，SRAM，LCD及控制模块等组成，其结构框图如图所示。FPGA芯片主要实现NiosⅡ软核处理器、片上存储器和各种接口驱动等功能，其包括NiosⅡ系统和外设两部分。NiosⅡ系统包括NiosⅡ处理器、存储器、定时器、串行接口、并行接口和连接各个组件的Avalon交换结构总线。其中GPS_UART和GSM_UART分别实现与GPS和GSM模块的串行通信，LCD控制器实现与人机交互模块的连接。