石璽文， 李 杰， 馮凱強(qiáng)， 祝敬德， 郝茂森

(1. 中北大學(xué) a. 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b. 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原，030051;2. 總裝備部 工程兵軍代局駐西安和蘭州地區(qū)軍代室， 陜西 西安， 710086)

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·計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用·

基于NIOS II的GPS數(shù)據(jù)采集與顯示電路設(shè)計(jì)

石璽文1a， 李 杰1b， 馮凱強(qiáng)1a， 祝敬德1a， 郝茂森2

(1. 中北大學(xué) a. 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b. 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原，030051;2. 總裝備部 工程兵軍代局駐西安和蘭州地區(qū)軍代室， 陜西 西安， 710086)

全球定位系統(tǒng)是目前遠(yuǎn)程導(dǎo)航和定位最通用的方式，具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便等顯著特點(diǎn)。本文根據(jù)GPS-OEM的工作原理和通信協(xié)議，結(jié)合FPGA硬件特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于NIOS II的GPS數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與顯示電路，給出了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)具體流程。該電路能夠廣泛應(yīng)用于海、陸、空移動(dòng)物體的導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、大地測(cè)量和工程測(cè)量的精密定位，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

全球地位系統(tǒng); NIOS II; 數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)顯示

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，有人預(yù)言GPS將改變?nèi)藗兊纳罘绞剑窈笏羞\(yùn)載器、移動(dòng)體都將依賴GPS，現(xiàn)在，這個(gè)預(yù)言己經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)[1-3]。全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS) 具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便等顯著特點(diǎn)，在大地測(cè)繪、定位、導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用，而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、搜查救援等民用領(lǐng)域也被廣泛使用[4-8]。GPS導(dǎo)航定位技術(shù)日益成熟，對(duì)前端接收機(jī)所發(fā)送的有效信息進(jìn)行采集存儲(chǔ)是后續(xù)工作開展的必要條件，本文提出的基于NIOS II的GPS數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS有效定位信息采集存儲(chǔ)并顯示，為后期姿態(tài)解算提供原始信息，在工程實(shí)踐中具有良好的應(yīng)用前景[9-10]。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，接收機(jī)采用東方聯(lián)星公司的CNS50 GPS-OEM板[9-13]。GPS-OEM板作為GPS接收機(jī)的主要組成部分接收來自天線的信號(hào)，通過變頻、放大、濾波等一系列措施產(chǎn)生GPS數(shù)據(jù)信息，并通過RS232協(xié)議發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在NIOS II軟核控制下，對(duì)GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并將接收的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)顯示。SDRAM在系統(tǒng)中主要用作NIOS II處理器的程序運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先從EPCS配置芯片中讀取啟動(dòng)代碼，完成系統(tǒng)初始化后再將程序代碼調(diào)入SDRAM中運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊設(shè)計(jì)

可編程芯片系統(tǒng)是Altera 公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案，集成了硬核和軟核CPU、DSP、存儲(chǔ)器、外圍I/O口。把NIOS II嵌入到Altera公司的FPGA，例如Cyclone、Cyclone II等系列器件，用戶可以獲得200 DMIPS的性能，并且NIOS II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，能夠避免處理器的更新?lián)Q代。將處理器實(shí)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。本設(shè)計(jì)應(yīng)用NIOS II處理器是為了更靈活的和外界通信，移植USB控制芯片的驅(qū)動(dòng)，還有接收上位機(jī)的指令來控制整個(gè)系統(tǒng)。

2.2 SDRAM配置電路設(shè)計(jì)

SDRAM作為NIOS II處理器的程序運(yùn)行空間，一般比較常用的SDRAM包括HY57V系列、三星K4S系列和美光MT48LC系列[14]。本文采用了韓國(guó)HYUNDAI公司的HY57V641620芯片，存儲(chǔ)容量為4Mx16位，工作電壓為3.3 V，兼容LVTTL電平。SDRAM具有單位空間存儲(chǔ)容量大和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。但是由于SDRAM的存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)單的可以理解為1個(gè)電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時(shí)充電(刷新)。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM就必須要有刷新控制邏輯[4-5]，NIOS II軟核自帶的IP核可以提供這一刷新控制邏輯，并不需要人為干預(yù)。FPGA與HY57V641620芯片的接口電路如圖2所示。

圖2 SDRAM電路原理圖

2.3 Flash電路設(shè)計(jì)

采用SAMSUNG公司的K9K8G08U0B Flash芯片，該芯片是一種NAND Flash Memory，具有1G × 8 Bit 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和256 Mbit的空閑空間，空閑空間可以用來存儲(chǔ)壞塊信息及其他分區(qū)劃分信息，電路原理圖如圖3所示。

圖3 Flash電路原理圖

2.4 串口轉(zhuǎn)USB電路設(shè)計(jì)

具有USB接口功能的芯片很多，一般分為以下3大類：

(1) 需要外接MCU的USB芯片，例如松下公司的USBN9602、朗訊公司的USB820/825及Philips公司的PDIUSBD11等。該類芯片價(jià)格便宜，但是會(huì)受到MCU的限制并且需要開發(fā)底層驅(qū)動(dòng)。

(2) 內(nèi)部集成MCU的芯片，例如Cypress公司基于C8051單片機(jī)的EZ-USB系列、Microchip公司基于PIC的16C7x5系列等，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)MCU的結(jié)構(gòu)熟悉，指令集豐富，易于開發(fā)；缺點(diǎn)是需要單獨(dú)的開發(fā)系統(tǒng)，增加成本，同樣需要底層驅(qū)動(dòng)程序。

(3) USB橋接芯片。例如Silicon Laboratories公司的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片CP2102、南京沁恒公司的USB橋接芯片CH341，此類芯片價(jià)格便宜，開發(fā)比較簡(jiǎn)單。

本文采用Silicon Laboratories公司推出的USB接口與RS232接口轉(zhuǎn)換器CP2102，它是一款高度集成的USB-UART橋接器，其集成度高，內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)，無(wú)需任何外部的USB器件[6]。CP2102與其他USB-UART轉(zhuǎn)接電路的工作原理類似，通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)C的USB口虛擬成COM口以達(dá)到擴(kuò)展的目的，典型連接和系統(tǒng)資源如圖4所示。

圖4 CP2102典型連接和系統(tǒng)資源圖

圖5 CP2102電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Flash寫入時(shí)序設(shè)計(jì)

Flash寫入數(shù)據(jù)時(shí)序如圖6所示，基本時(shí)序分為命令寫入，地址寫入，數(shù)據(jù)寫入，等。命令寫入時(shí)，片選信號(hào)CE#(#表示低電平有效)信號(hào)保持低電平，命令寫入有效信號(hào)CLE保持高電平，地址寫入有效信號(hào)ALE保持低電平，然后將命令數(shù)據(jù)送給IO口，寫有效信號(hào)WE#在上升沿將命令寫入Flash。芯片地址數(shù)據(jù)一共有31 b，分5個(gè)周期寫入芯片。期間，CE#信號(hào)和CLE信號(hào)保持低電平，ALE信號(hào)保持高電平，數(shù)據(jù)在WE#的上升沿寫入芯片。在數(shù)據(jù)寫入時(shí)，CE#、CLE、ALE信號(hào)保持低電平，數(shù)據(jù)在WE#信號(hào)的上升沿寫入Flash。

圖6 Flash寫時(shí)序圖

操作流程圖如圖7所示，上電后先寫入設(shè)置命令80H，接著寫入數(shù)據(jù)需要存入的具體地址，然后寫入執(zhí)行命令10H，此時(shí)系統(tǒng)開始執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入命令，Busy#信號(hào)被芯片拉低。等待系統(tǒng)Busy#=1后，讀取狀態(tài)寄存器，如果IO0=0則說明數(shù)據(jù)寫入成功，反之寫入失敗。

圖7 Flash操作流程圖

根據(jù)分析，數(shù)據(jù)寫入的完整流程分為以下7個(gè)部分：等待寫入開始，寫入設(shè)置命令，寫入地址，寫入數(shù)據(jù)，寫入結(jié)束命令，等待Busy，驗(yàn)證狀態(tài)。所以根據(jù)這6個(gè)狀態(tài)，利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了狀態(tài)機(jī)，并經(jīng)過Modelsim仿真，得到仿真結(jié)果，如圖8所示?？梢钥闯?，仿真結(jié)果和理論波形完全一致。

圖8 Flash仿真時(shí)序圖

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)是為了接收Flash中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送指令，改變系統(tǒng)的工作模式。上位機(jī)是采用LabVIEW作為平臺(tái)，LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument)推出的一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境[15-16]。LabVIEW具有開發(fā)周期短，包含豐富的函數(shù)功能和顯示控件，擁有數(shù)據(jù)采集、儀器控制、分析、網(wǎng)絡(luò)、ActiveX等集成庫(kù)，提供DLL庫(kù)接口，允許用戶執(zhí)行外部腳本等特點(diǎn)，上位機(jī)界面如圖9所示。最右邊是系統(tǒng)命令控制按鈕，用來控制下位機(jī)工作模式以及上位機(jī)數(shù)據(jù)接收開始命令。右面是對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼分析，可以顯示當(dāng)前時(shí)間和經(jīng)緯度以及定位信息設(shè)置。

圖9 上位機(jī)界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了NIOS II軟核對(duì)GPS數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)及顯示的方法。成功實(shí)現(xiàn)了GPS定位信息的接收與存儲(chǔ)，利用LabVIEW開發(fā)的GPS數(shù)據(jù)處理程序具有編程簡(jiǎn)單、界面友好、使用穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸更加快捷準(zhǔn)確。而且硬件電路簡(jiǎn)單、低成本、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在車載導(dǎo)航、智能交通方面具有良好的應(yīng)用前景。

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·名人名言·

我們應(yīng)該不虛度一生，應(yīng)該能夠說，“我已經(jīng)做了我能做的事。”

——居里夫人

Design of GPS Data Acquisition and Display Circuit Based on NIOS II

SHIXi-wen1a,LIJie1b,FENGKai-qiang1a,ZHUJing-de1a,HAOMao-sen2

(1a. Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory; 1b. Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Education Ministry, North University of China, Taiyuan 030051, China； 2. The Military Representative Office of Engineer Military Representative Bureau In Xi’an and Lanzhou, Xi’an 710086, China)

With advantages of high precision, high efficiency, multi-function, all-weather availability, simple operation, Global Positioning System (GPS) has been widely used in remote navigation and positioning. Based on analyzing the working principle and communication protocol of GPS-OEM, this paper designs a GPS data acquisition and display system based on FPGA of NIOS II series, and puts forward its implementation method on both hardware and software. This system can be used in aircraft navigation, missile guidance, geodetic engineering and precision measurement, having certain engineering application value.

GPS; NIOS II; data acquisition; data display

2015-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(50905169)

石璽文(1991-)，男，山西運(yùn)城人，碩士生，主要從事微系統(tǒng)集成及慣性導(dǎo)航技術(shù)的研究。

Tel.：15034158065, 0351-3558098; E-mail：840413128@qq.com

李 杰(1976-)，男，山西呂果人，教授，主要從事微系統(tǒng)集成理論與技術(shù)、慣性感知與控制技術(shù)、組合導(dǎo)航理論、計(jì)算幾何及智能信息處理等。Tel.: 0351-3558098

TN 710.2

A

1006-7167(2016)03-0096-04