1 引 言
車載導航監(jiān)控終端可廣泛用于交警巡邏車、消防用車、公安用車、運鈔車、長途客車及一些特殊車輛上， 監(jiān)控中心通過無線通信網絡與車載導航監(jiān)控終端進行信息交流， 從而實現(xiàn)監(jiān)控中心對車輛的集中、高效、可視化管理以及車輛之間的相互協(xié)作。
本設計系統(tǒng)分析了車載導航監(jiān)控終端的各種功能需求， 借助 ltera Stratix" title="Stratix">StratixTM 系列FPGA EP1S10" title="EP1S10">EP1S10豐富的邏輯資源， 應用SOPC" title="SOPC">SOPC Builder開發(fā)工具實現(xiàn)了車載導航監(jiān)控終端硬件結構的高度集成。同時，利用N ios嵌入式處理器強大的處理能力， 配合使用 C /OS- II實時操作系統(tǒng)， 實現(xiàn)了終端對多種傳感信息的實時、高效處理。
2 功能描述
車載導航監(jiān)控終端主要實現(xiàn)對各種傳感信息的檢測、處理、顯示及數據的無線發(fā)送和接收。具體包括:
無線數據通信模塊——實現(xiàn)監(jiān)控中心與車載導航監(jiān)控終端之間指令的交換和數據的傳輸; 文本信息合成模塊 將文字信息轉換為語音信息， 方便終端獲取監(jiān)控中心的各種命令和指示;GPS定位模塊—— 獲取終端所在處的經度和緯度信息， 監(jiān)控中心可以在電子地圖上準確了解終端的地理位置;視頻圖像采集模塊——獲取車內和車外的具體情況， 可以通過無線網絡把圖像信息傳輸到監(jiān)控中心;人機交互模塊——在本地顯示電子地圖、各種狀態(tài)信息、協(xié)同作業(yè)的對方狀態(tài)信息以及接收按鍵輸入信息;信息存儲模塊——用于保存狀態(tài)和設置信息;狀態(tài)檢測和控制模塊——實現(xiàn)對車載其它設備狀態(tài)的檢測以及根據控制中心的命令對相關設備進行控制;電源管理模塊——實現(xiàn)電源的充電以及備用電源的切換。
3 Nios軟核及外圍模塊接口設計
Altera公司推出的高性能、大容量StratixTM FPGA以及Nios嵌入式軟核處理器， 實現(xiàn)了處理器和外圍接口的靈活配置， 大大推進了SOPC (可編程片上系統(tǒng)) 設計的進程。同時A ltera 公司提供的SOPCBuilder可視化開發(fā)工具， 能夠根據客戶需求， 實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的高效配置。基于N ios嵌入式軟核處理器， 應用SOPC 技術設計車載導航監(jiān)控終端， 將能夠大大簡化硬件設計的復雜度， 實現(xiàn)終端系統(tǒng)的高度集成， 滿足對各種接口的適配要求。基于EP1S10的多功能車載終端" title="車載終端">車載終端系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 多功能車載終端系統(tǒng)框圖
在本終端系統(tǒng)設計中， 采用了模塊化的設計理念， 通過對車載終端功能的分析， 確定了該系統(tǒng)所需的關鍵功能模塊， 并對功能模塊與EP1S10之間的接口進行了規(guī)范。系統(tǒng)框圖中， CDMA 無線通信模塊、GPS定位模塊通過串口和EP1S10相連接;WTS701文本合成模塊通過SPI- master 總線和EP1S10相連接; FRAM信息存儲模塊通過I2C 總線和EP1S10相連接， 這些接口在SOPC Bu ilder的通信工具目錄下以免費IP核的形式提供。另外， 人機接口模塊涉及顯示和鍵盤， 需要通過I /O 定義時序控制總線來處理; 視頻圖像采集模塊需要更復雜的邏輯控制接口來實現(xiàn)， 下面對該模塊設計進行介紹。
視頻圖像采集模塊由SAA7111 和ZR36060組成， StratixTMFPGA通過相應的接口來控制SAA7111的工作狀態(tài)， 并獲取經過ZR36060壓縮后的數字視頻數據。SAA7111是功能強大的可編程視頻輸入處理芯片， 它可將攝像機輸出的PAL、NTSC 等不同制式的模擬復合全電視信號解碼成亮度、色度信號。
輸出的數字視頻信號格式有411YUV ( 16)、422YUV( 12位)、422YUV或CCIR- 656( 8位)、565RGB( 16位)、888RGB( 24位)等可供選擇。此外還提供了象素、時鐘信號、行場等多種同步信號。其所有的可編程功能是通過I2C 總線對內部的32個寄存器相應的控制位置相應的數值來完成的， 而StratixTM FPGA的I2C 接口可以很方便地對其進行編程和控制。
ZR36060主要完成對數字視頻圖像的壓縮， 輸出標準JPEG格式的文件。壓縮數據可以主方式從壓縮數據端口或以從方式從控制端口輸出， 兩種方式都有握手功能以便進行數據流控制， 它可以和SAA7113實現(xiàn)無縫結合。StratixTM FPGA 與視頻圖像采集模塊之間的接口如圖2所示。
圖2 StratixTM FPGA 與視頻圖像采集模塊之間的接口。
視頻圖像壓縮模塊ZR36060工作于16b it代碼寬度的從模式， Stra tixTM FPGA 通過使用不同的片選線和啟動轉換線， 可以控制四路視頻圖像壓縮模塊的工作。兩路I2C總線和SAA7113的IICSA管角配合， 可以設置四路圖像采集模塊的工作狀態(tài)。通過S trat ixTM FPGA 要實現(xiàn)對圖像采集和壓縮模塊的正常操作， 就是要根據ZR36060的接口時序圖， 應用SOPC Bu ilder設計合理的接口控制邏輯， ZR36060的接口時序如圖3所示。
在SOPC 開發(fā)工具中， 調用并行輸入輸出模塊( PIO )， 就可以構造操作該圖像壓縮模塊的邏輯接口， N ios嵌入式軟核利用該邏輯接口， 就可以將壓縮后的圖像數據保存在SDRAM 中， 同時可以實現(xiàn)對SAA7113和ZR36060模塊工作狀態(tài)的正確設置。
圖3 ZR36060被動模式的接口時序
4 軟件系統(tǒng)設計
完成系統(tǒng)設計后， 可以使用SOPC Bu ilder的System Generation頁或使用命令行生成系統(tǒng)。SOPCBuilder軟件自動生成所有必要邏輯， 用以將處理器、外圍設備、內存、總線、仲裁器、IP內核及到達系統(tǒng)外邏輯和存儲器的接口集成在一起， 并建立將組件捆綁在一起的HDL源代碼。
SOPC Builder 還可以建立軟件開發(fā)工具包( SDK )軟件組件， 該組件包括INC、LIB、SRC 三個目錄， 這些目錄包含了標題文件、一般外圍設備驅動程序、自定義軟件庫和實時操作系統(tǒng)( RTOS內核) ， 以便在生成系統(tǒng)時提供完整的設計環(huán)境。
有了SDK軟件開發(fā)工具包， 就可以根據需要調用外圍設備的驅動程序， 開發(fā)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件的編輯可以采用目前的多種編輯工具， 編輯完成后，啟動N ios SDK She l，l 在[ SOPC Bu ilder]$ 命令字符后輸入nios- bu ild命令和相應的源文件名， 就可以進行編譯， 如有錯誤， 可以重新修改后再編譯。對于多個源文件， 可以使用makefile命令編譯， 這時候需要建立一個專門的包含整個項目源文件( . c、. h、.
s)的目錄， 并要修改makefile文件的有關選項。
車載導航監(jiān)控終端軟件包含多個功能模塊， 這些模塊以任務的形式與嵌入式實時操作系統(tǒng)相聯(lián)系， 具體功能模塊如下圖4所示。
圖4 車載導航監(jiān)控終端軟件功能模塊
各模塊在使用到底層驅動程序時， 先要設置一些變量以及安裝相應的中斷函數。如使用串口1來控制CDMA 模塊時， 初始化過程包括:
串口1的中斷函數實現(xiàn)方法:
5 結束語
基于StratixTM FPGA 豐富的邏輯資源， 采用Nios嵌入式軟核， 應用SOPC設計技術開發(fā)車載導航監(jiān)控終端， 大大提高了設計的靈活性， 優(yōu)化了系統(tǒng)結構。