基于NIOS II的GPS數據采集與顯示電路設計

石璽文， 李 杰， 馮凱強， 祝敬德， 郝茂森

(1. 中北大學 a. 電子測試技術國防科技重點實驗室;b. 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西 太原，030051;2. 總裝備部 工程兵軍代局駐西安和蘭州地區軍代室， 陜西 西安， 710086)

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·計算機技術應用·

基于NIOS II的GPS數據采集與顯示電路設計

石璽文1a， 李 杰1b， 馮凱強1a， 祝敬德1a， 郝茂森2

(1. 中北大學 a. 電子測試技術國防科技重點實驗室;b. 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西 太原，030051;2. 總裝備部 工程兵軍代局駐西安和蘭州地區軍代室， 陜西 西安， 710086)

全球定位系統是目前遠程導航和定位最通用的方式，具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等顯著特點。本文根據GPS-OEM的工作原理和通信協議，結合FPGA硬件特點設計了基于NIOS II的GPS數據采集存儲與顯示電路，給出了硬件設計和軟件設計具體流程。該電路能夠廣泛應用于海、陸、空移動物體的導航、導彈制導、大地測量和工程測量的精密定位，具有一定的工程應用價值。

全球地位系統; NIOS II; 數據采集; 數據顯示

0 引 言

隨著科學技術的發展和移動技術的不斷成熟，有人預言GPS將改變人們的生活方式，今后所有運載器、移動體都將依賴GPS，現在，這個預言己經成為現實[1-3]。全球定位系統(Global Positioning System, GPS) 具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等顯著特點，在大地測繪、定位、導航等軍事領域被廣泛運用，而且在工農業生產、交通運輸、搜查救援等民用領域也被廣泛使用[4-8]。GPS導航定位技術日益成熟，對前端接收機所發送的有效信息進行采集存儲是后續工作開展的必要條件，本文提出的基于NIOS II的GPS數據采集存儲與顯示系統設計，可以實現對GPS有效定位信息采集存儲并顯示，為后期姿態解算提供原始信息，在工程實踐中具有良好的應用前景[9-10]。

1 系統原理

系統總體框圖如圖1所示，接收機采用東方聯星公司的CNS50 GPS-OEM板[9-13]。GPS-OEM板作為GPS接收機的主要組成部分接收來自天線的信號，通過變頻、放大、濾波等一系列措施產生GPS數據信息，并通過RS232協議發送GPS數據，系統在NIOS II軟核控制下，對GPS發送的數據進行存儲，并將接收的數據上傳到上位機顯示。SDRAM在系統中主要用作NIOS II處理器的程序運行空間、數據及堆棧區。當系統啟動時，先從EPCS配置芯片中讀取啟動代碼，完成系統初始化后再將程序代碼調入SDRAM中運行。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

2.1 控制模塊設計

可編程芯片系統是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源碼構建的，能夠修改以滿足新的系統需求，能夠避免處理器的更新換代。將處理器實現為HDL的IP核，開發者能夠完全定制CPU和外設，獲得恰好滿足需求的處理器。本設計應用NIOS II處理器是為了更靈活的和外界通信，移植USB控制芯片的驅動，還有接收上位機的指令來控制整個系統。

2.2 SDRAM配置電路設計

SDRAM作為NIOS II處理器的程序運行空間，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HYUNDAI公司的HY57V641620芯片，存儲容量為4Mx16位，工作電壓為3.3 V，兼容LVTTL電平。SDRAM具有單位空間存儲容量大和價格便宜的優點。但是由于SDRAM的存儲單元簡單的可以理解為1個電容，總是傾向于放電，為避免數據丟失，必須定時充電(刷新)。因此，要在系統中使用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。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電路設計

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

圖3 Flash電路原理圖

2.4 串口轉USB電路設計

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。該類芯片價格便宜，但是會受到MCU的限制并且需要開發底層驅動。

(2) 內部集成MCU的芯片，例如Cypress公司基于C8051單片機的EZ-USB系列、Microchip公司基于PIC的16C7x5系列等，其優點是對MCU的結構熟悉，指令集豐富，易于開發；缺點是需要單獨的開發系統，增加成本，同樣需要底層驅動程序。

(3) USB橋接芯片。例如Silicon Laboratories公司的USB轉UART橋接芯片CP2102、南京沁恒公司的USB橋接芯片CH341，此類芯片價格便宜，開發比較簡單。

本文采用Silicon Laboratories公司推出的USB接口與RS232接口轉換器CP2102，它是一款高度集成的USB-UART橋接器，其集成度高，內置USB2.0全速功能控制器、USB收發器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數據總線(UART)，支持調制解調器全功能信號，無需任何外部的USB器件[6]。CP2102與其他USB-UART轉接電路的工作原理類似，通過驅動程序將PC的USB口虛擬成COM口以達到擴展的目的，典型連接和系統資源如圖4所示。

圖4 CP2102典型連接和系統資源圖

圖5 CP2102電路原理圖

3 系統軟件設計

3.1 Flash寫入時序設計

Flash寫入數據時序如圖6所示，基本時序分為命令寫入，地址寫入，數據寫入，等。命令寫入時，片選信號CE#(#表示低電平有效)信號保持低電平，命令寫入有效信號CLE保持高電平，地址寫入有效信號ALE保持低電平，然后將命令數據送給IO口，寫有效信號WE#在上升沿將命令寫入Flash。芯片地址數據一共有31 b，分5個周期寫入芯片。期間，CE#信號和CLE信號保持低電平，ALE信號保持高電平，數據在WE#的上升沿寫入芯片。在數據寫入時，CE#、CLE、ALE信號保持低電平，數據在WE#信號的上升沿寫入Flash。

圖6 Flash寫時序圖

操作流程圖如圖7所示，上電后先寫入設置命令80H，接著寫入數據需要存入的具體地址，然后寫入執行命令10H，此時系統開始執行數據寫入命令，Busy#信號被芯片拉低。等待系統Busy#=1后，讀取狀態寄存器，如果IO0=0則說明數據寫入成功，反之寫入失敗。

圖7 Flash操作流程圖

根據分析，數據寫入的完整流程分為以下7個部分：等待寫入開始，寫入設置命令，寫入地址，寫入數據，寫入結束命令，等待Busy，驗證狀態。所以根據這6個狀態，利用VHDL語言設計了狀態機，并經過Modelsim仿真，得到仿真結果，如圖8所示。可以看出，仿真結果和理論波形完全一致。

圖8 Flash仿真時序圖

3.2 上位機設計

本系統的上位機是為了接收Flash中存儲的數據并進行顯示，同時向系統發送指令，改變系統的工作模式。上位機是采用LabVIEW作為平臺，LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instrument)推出的一種基于圖形開發、調試和運行程序的集成化環境[15-16]。LabVIEW具有開發周期短，包含豐富的函數功能和顯示控件，擁有數據采集、儀器控制、分析、網絡、ActiveX等集成庫，提供DLL庫接口，允許用戶執行外部腳本等特點，上位機界面如圖9所示。最右邊是系統命令控制按鈕，用來控制下位機工作模式以及上位機數據接收開始命令。右面是對GPS數據進行解碼分析，可以顯示當前時間和經緯度以及定位信息設置。

圖9 上位機界面

4 結 語

本文簡單介紹了NIOS II軟核對GPS數據的讀取、存儲及顯示的方法。成功實現了GPS定位信息的接收與存儲，利用LabVIEW開發的GPS數據處理程序具有編程簡單、界面友好、使用穩定等優點，使計算機和GPS接收機之間的數據傳輸更加快捷準確。而且硬件電路簡單、低成本、性能穩定等優點，在車載導航、智能交通方面具有良好的應用前景。

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·名人名言·

我們應該不虛度一生，應該能夠說，“我已經做了我能做的事。”

——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

國家自然科學基金(50905169)

石璽文(1991-)，男，山西運城人，碩士生，主要從事微系統集成及慣性導航技術的研究。

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

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

TN 710.2

A

1006-7167(2016)03-0096-04