基于NIOS II的導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

目前廣泛應(yīng)用的MIMU/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式，依應(yīng)用領(lǐng)域的不同而復(fù)雜多樣，但是導(dǎo)航計(jì)算機(jī)板卡負(fù)責(zé)的工作則相對(duì)固定，其主要包括：采集各路傳感器輸入信號(hào)；濾波、融合計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果輸送給機(jī)電控制子系統(tǒng)；提供各種人機(jī)交互接口，如LCD，鍵盤等。  

長(zhǎng)期以來(lái)，針對(duì)各種應(yīng)用領(lǐng)域或相同領(lǐng)域的不同場(chǎng)合，由于對(duì)控制計(jì)算能力、接口電路數(shù)據(jù)吞吐能力等要求的差異，我們習(xí)慣于把功能相對(duì)固定的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成不同的實(shí)現(xiàn)形式，這就造成了對(duì)硬件重復(fù)研發(fā)，相應(yīng)軟件重復(fù)調(diào)整等低效率現(xiàn)狀。  

SOPC（System On Programmable Chip）技術(shù)是Altera公司提出的一種靈活高效的SOC解決方案。它的宗旨是將處理器、存儲(chǔ)器、I/O口、硬件協(xié)處理器或加速器、一般的用戶邏輯等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要的功能模塊都集成到一個(gè)FPGA芯片里，構(gòu)建一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。它具有硬件上靈活裁剪、擴(kuò)充和在線升級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，而且市場(chǎng)上有豐富的IP 核資源可選，能成功地解決上述問(wèn)題。  

1.組合導(dǎo)航系統(tǒng)硬件電路的實(shí)現(xiàn)  

硬件框圖如圖1所示，它主要包括以Nios處理器為主體的片內(nèi)邏輯（圖中虛線包圍部分，下文簡(jiǎn)稱片內(nèi)邏輯）、MIMU與GPS數(shù)據(jù)采集電路和人機(jī)交互接口電路三個(gè)部分組成。  

1.1片內(nèi)邏輯的設(shè)計(jì)  

本文采用了Altera公司Cyclone系列FPGA EP1C12Q240、NIOS軟核處理器及其開發(fā)和仿真工具（包括 SOPC Builder，DSP Builder，Simulink，Quatus II等）。在設(shè)計(jì)中利用的IP核里，比如Nios核，片內(nèi)Boot ROM，用于FIFO的片內(nèi)雙口RAM，定時(shí)器，Avalon片上總線，Avalon三態(tài)總線橋，SDRAM接口，JTAG UART等都來(lái)自SOPC Builder軟件，在此不必贅述。下面重點(diǎn)討論其他IP核及其接口電路的設(shè)計(jì)和功用。  

圖 1 基于Nios的SOPC組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖  

6 DSP協(xié)處理器 通過(guò)定制一些傳統(tǒng)的DSP運(yùn)算指令或反復(fù)出現(xiàn)的計(jì)算密集型算法指令，來(lái)硬件加速CPU的處理能力。IP核可以通過(guò)硬件描述語(yǔ)言自己編寫，也可以借助Simulink和DSP Builder來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)。  

7 UART 基于RS232通信協(xié)議的串行通路接口。UART-0負(fù)責(zé)傳遞主控設(shè)備的命令（如復(fù)位、初始化等）、輸入主控設(shè)備提供的電子地圖的庫(kù)信息，輸出處理結(jié)果等。UART-1則負(fù)責(zé)導(dǎo)入GPS OEM板的數(shù)據(jù)。該IP核來(lái)自于SOPC Builder軟件。  

8 A/D接口 除了片選信號(hào)，A/D接口時(shí)序基本遵循SPI協(xié)議，因此選用了SOPC中相應(yīng)的IP， 而對(duì)于片選信號(hào)，在系統(tǒng)中額外添加一個(gè)通用I/O口來(lái)控制之。這樣每次對(duì)Ａ/D的操作分兩步進(jìn)行：先置低GPIO，再進(jìn)行SPI操作。  

9 同步采樣控制邏輯 負(fù)責(zé)控制MIMU和GPS信號(hào)的同步采集，為數(shù)據(jù)融合提供準(zhǔn)確的輸入。該IP核由設(shè)計(jì)者自行編制，詳述請(qǐng)見(jiàn)MIMU和GPS信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分。  

10 VGA控制 基于Avalon流模式的VGA控制器。它主要由VGA時(shí)序發(fā)生器，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器，Avalon流模式接口組成。該IP由設(shè)計(jì)者用VHDL語(yǔ)言自行編制，人機(jī)接口部分將詳述之。  

11 ATA橋 連接CF卡，保存電子地圖信息庫(kù)、中英文字符點(diǎn)陣庫(kù)等海量信息。該IP核來(lái)自于SOPC Builder軟件。  

12 GPIO 最常規(guī)的外設(shè)控制接口，本系統(tǒng)的LCD、LED、鍵盤都是采用該接口進(jìn)行連接，時(shí)序上的驅(qū)動(dòng)控制則是由軟件實(shí)現(xiàn)的。該IP核來(lái)自于SOPC Builder軟件。  

13 ASMI EPCS4系列配置芯片的專門接口。該IP核來(lái)自于SOPC Builder軟件。與之相連的Flash存貯空間中有如下內(nèi)容：一部分是FPGA的配置文件。另一部分作為常規(guī)程序存儲(chǔ)器用。采用此方案可以省去片外專門的程序存儲(chǔ)Flash，充分利用了配置芯片的資源。由于串行器件的帶寬限制，我們可以通過(guò)將主程序裝載入SDRAM中運(yùn)行來(lái)提高程序的運(yùn)行速度。  

1.2 MIMU和GPS信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)  

MIMU的信號(hào)采集工作由微型慣性測(cè)量組合、采樣/保持器AD1154、多路開關(guān)MAX4540、A/D 轉(zhuǎn)換器完成；而GPS的信號(hào)采集工作則主要由GPS接收機(jī)完成。接收機(jī)采用了Jupiter OEM 板，可輸出位置、速度、偽距、偽距率、載波相位、衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)啟動(dòng)期間，主控設(shè)備通過(guò)UART-0向片上邏輯發(fā)送命令并獲取信息反饋，對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行初始化；接收的初始化數(shù)據(jù)可由片上邏輯的UART-1傳遞給GPS接收機(jī)，以實(shí)現(xiàn)GPS的快速初始化和快速鎖定衛(wèi)星.  

我們所討論的MIMU和GPS信號(hào)的同步，是指需要同步的兩個(gè)數(shù)據(jù)源在原始信息更新時(shí)刻對(duì)齊，而不是在經(jīng)過(guò)計(jì)算或A/D轉(zhuǎn)換延時(shí)等不同通信路徑傳輸后，在輸出結(jié)果的時(shí)刻對(duì)齊。GPS接收機(jī)解碼轉(zhuǎn)換后輸出的秒同步脈沖（1PPS，每秒一個(gè)脈沖）是與UTC秒點(diǎn)對(duì)齊的。接收機(jī)嚴(yán)格地在每個(gè)1PPS脈沖邊沿進(jìn)行一次偽距、偽距變化率、載波相位、GPS 標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)、定位等測(cè)量，其脈沖沿為GPS數(shù)據(jù)更新時(shí)刻。我們把1PPS脈沖接入FPGA中，由同步采樣控制邏輯保證脈沖到來(lái)的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)SSP（同步采樣脈沖，synchronous sampling pulse），實(shí)現(xiàn)MIMU和GPS數(shù)據(jù)在整秒時(shí)刻同步。當(dāng)然，MIMU數(shù)據(jù)更新率遠(yuǎn)小于1秒，我們可以把1PPS脈沖作為FPGA內(nèi)部的1秒定時(shí)器的標(biāo)準(zhǔn)同步觸發(fā)時(shí)刻，通過(guò)邏輯倍頻產(chǎn)生相應(yīng)頻率的SSP輸出。在GPS信號(hào)丟失的情況下，F(xiàn)PGA內(nèi)部的秒定時(shí)器則作為MIMU采樣信號(hào)的時(shí)基標(biāo)準(zhǔn)。  

1.3人機(jī)交互接口的設(shè)計(jì)  

七段數(shù)碼管負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；而鍵盤除了作為初始化參數(shù)輸入的備用接口外，還可以負(fù)責(zé)切換LCD、VGA顯示器等的顯示模式；液晶屏則相應(yīng)地顯示輸入與輸出的導(dǎo)航參數(shù)；VGA接口形象的輸出電子地圖背景、車輛當(dāng)前位置及運(yùn)行軌跡等信息。  

excalibur.h 頭文件定義了七段數(shù)碼管、按鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針na_seven_seg_pio 和na_button_pio通過(guò)對(duì)指針?biāo)窹IO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的np_piodata數(shù)據(jù)寄存器操作，來(lái)讓數(shù)碼管顯示特定的字符或判斷是否有按鍵按下，以及是哪個(gè)按鍵。  

本文采用型號(hào)Optrex 16027的LCD屏，頭文件pio_lcd16027.h定義了九個(gè)控制子程序，通過(guò)這些程序完成對(duì)LCD的控制。標(biāo)準(zhǔn)VGA畫面大小是640*480，每秒60幀左右。像素時(shí)鐘高達(dá)25.175MHZ。如果每個(gè)點(diǎn)都由Nios軟件掃描實(shí)現(xiàn)，那么在40ns的間隔內(nèi)，最多能讓共作在50MHZ的CPU執(zhí)行兩條指令。所以，我們采用DMA控制器在流模式VGA控制器和SRAM之間建立一條DMA傳送通道，讓硬件完成像素信息的自動(dòng)讀取，緩解了CPU的工作壓力。VGA時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)源程序由VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，下面是部分示意代碼：  



2.系統(tǒng)工作原理  

系統(tǒng)上電后，串行配置器件EPCS4配置FPGA；然后NIIOS啟動(dòng)，運(yùn)行片內(nèi)ROM中的Bootloader。Bootloader根據(jù)選擇端的控制選擇工作模式，模式分為兩種：調(diào)試模式和運(yùn)行模式。在調(diào)試模式下，Bootloader啟動(dòng)GERMS監(jiān)控程序，我們可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。在運(yùn)行模式下，Bootloader將EPCS4中存儲(chǔ)的主程序裝載到SRAM中全速運(yùn)行。然后，程序指針復(fù)位指向SRAM中的系統(tǒng)主程序。主程序先初始化并配置系統(tǒng)，然后開始正常工作。  

3.軟件設(shè)計(jì)  

由于本控制系統(tǒng)架構(gòu)龐大，我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)時(shí)使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)microC/OS作為軟件內(nèi)核。該操作系統(tǒng)具有內(nèi)核小，代碼公開等優(yōu)點(diǎn)，而且Altera公司提供了關(guān)于此系統(tǒng)移植方面比較詳細(xì)的技術(shù)文檔，操作起來(lái)簡(jiǎn)單易行。系統(tǒng)軟件分為三個(gè)層次設(shè)計(jì)：一、驅(qū)動(dòng)層。主要包括了UART驅(qū)動(dòng)，LED驅(qū)動(dòng)，鍵盤驅(qū)動(dòng)，LCD驅(qū)動(dòng)，VGA驅(qū)動(dòng)，SPI總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)等等。二、內(nèi)核層。包括系統(tǒng)任務(wù)和內(nèi)核調(diào)度。三、應(yīng)用層。  

任務(wù)主要有數(shù)據(jù)采集任務(wù)，數(shù)據(jù)融合任務(wù)，數(shù)據(jù)濾波任務(wù)，導(dǎo)航計(jì)算任務(wù)，顯示任務(wù)等。其中還有一些用于控制管理性質(zhì)的任務(wù)，包括錯(cuò)誤捕捉任務(wù)及其相應(yīng)的處理方程序等。  

系統(tǒng)的核心是操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)度，負(fù)責(zé)整個(gè)軟件的運(yùn)作。系統(tǒng)相關(guān)的層面是以任務(wù)為單位的系統(tǒng)模塊，這些任務(wù)模塊負(fù)責(zé)市實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)行，負(fù)責(zé)系統(tǒng)模塊的配置控制和差錯(cuò)檢測(cè)，響應(yīng)處理用戶的操作。硬件相關(guān)的層面以驅(qū)動(dòng)任務(wù)為單位，它們作為操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)中介，直接負(fù)責(zé)對(duì)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。軟件分層封裝，用任務(wù)調(diào)度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以提高軟件設(shè)計(jì)的效率，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，利于移植和升級(jí)。  

4.結(jié)論  

NIOS符合工業(yè)技術(shù)的潮流，即硬件設(shè)計(jì)軟件化。此設(shè)計(jì)方法可以對(duì)硬件做全面細(xì)致的模擬仿真，減少硬件設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，有效降低了開發(fā)成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。而且由于它屬于單片解決方案，不僅提高系統(tǒng)的魯棒性，還可以有效地保護(hù)開發(fā)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。