NiosII+GPS/GSM实现汽车状态监控系统
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。
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
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。
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1 系统硬件组成
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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
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int eq[8]={@,@,e,q,1,c,0x0d,0x0a};
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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
}
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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;
}
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