推荐基于GPSGSM定位监控系统的SOPC设计 精品.docx
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第一章设计概述3
1.1设计目的3
1.2定位监控系统的工作原理3
1.3设计方案4
1.3.1采用纯硬件语言描述，通过FPGA实现4
1.3.2采用C语言与硬件语言描述，通过niosⅡ软核与FPGA芯片结合实现5
1.4适用范围6
1.5开发环境及开发套件介绍6
1.5.1QuartusII7.2的介绍6
1.5.2NiosII7.2处理器的介绍6
1.5.3DE1开发板介绍7
1.5.4NiosII7.2IDE的介绍8
第二章功能描述9
2.1车载监控端功能9
2．2PC显示中心功能10
第三章系统硬件设计11
3.1车载监控端硬件设计11
3.1.1NiosII嵌入式系统硬件开发流程11
3.1.2红外探测系统的设计15
3.1.3GPS模块接口设计16
3.1.4.LCD显示系统的设计18
3.1.5.GSM通信系统的设计20
3.1.6继电器控制车门油门的设计22
3.1.7语音监控模块的设计23
3.1.8键盘设计25
3.1.9电源模块设计27
3.1.10SD卡音乐播放模块设计28
3.2PC显示中心硬件设计31
第四章系统软件设计34
4.1车载监控端软件设计34
4.1.1进入GPS程序35
4.1.2更改密码38
4.1.3更改用户手机号码38
4.1.4删除短消息39
4.1.5音乐播放40
4.2PC显示中心软件设计41
4.2.1PC显示中心总体软件流程图41
4.2.2更改PC显示中心号码42
4.3自定义库函数42
第五章系统测试44
第六章设计特点47
第七章总结48
7.1总结48
7.2面临的问题48
参考文献49
第一章设计概述
1.1设计目的
当前我国经济迅速发展，汽车大量进入家庭，但是车辆被盗现象呈逐年上升趋势，因此对车辆防盗的要求越来越高。
目前市场流行的普通车辆防盗器主要采用断开式防盗、呼叫报警、三把钥匙等方式，但大多数都存在着防盗功能单一、可靠性低、缺乏跟踪监控功能等缺陷，而本文则是利用较低的硬件配置环境设计了一种基于GSM通讯平台和GPS卫星定位的车辆防盗监控系统，实现车辆防盗、定位与监控功能的结合，提高了开发效率，也便于软件和硬件后期的维护与修改。
FPGA在现代数字电路中发挥着越来越重要的作用，基于FPGA的嵌入式系统和嵌入式处理器（NIOSII）系统也得到越来越广泛的应用。
本系统以ALTERA公司提供的DE1开发板和EP2C8Q208FPGA为核心，融合FPGA技术、GPS定位技术、现代通信技术而设计的基于NIOSII嵌入式处理器的GPS/GSM车辆监控定位系统，为用户提供了精确高效的监控设备。
利用GSM作为通讯链路，把信息发往用户手机和PC显示中心，在PC机上，利用googleearth等地图软件显示出来，同时手机发送控制指令，执行跟踪，监听，断油，锁车等操作，从而实现系统的交互运作。
该系统集成传统的防盗技术和GSM／GPS技术，通过嵌入式系统设计原理，利用基于GSM短消息的无线通信协议，构建了一个用户、PC显示中心和车辆之间通信的交互平台，从而实现了全方位的车辆定位防盗监控系统。
1.2定位监控系统的工作原理
本系统分为车载监控端和PC显示中心两部分。
当车载监控端开启，系统进入工作状态，启动GPS卫星定位系统，将采集到的GPS数据显示在LCD上；当红外探测器检测到异常时，系统通过GSM通信网络发送报警信号到用户手机上；用户利用短消息发送控制指令，锁定车门和油门，也可以启动语音监控，监听车内声音；用户也可以通过短消息查询车辆所处位置，车载监控端的GSM模块将GPS数据以短消息形式发送出来。
PC显示中心的GSM模块可接收车载监控端发送出定位短消息，并提取GPS数据，发送到PC机上，利用gooleearth等地图软件直观显示车辆位置。
此系统是基于GPS/GSM的定位监控系统，该系统采用ALTERA公司的DE1开发板和ALTERA公司的EP2C8Q208FPGA作为控制核心，外围电路包括GPS卫星定位系统、GSM移动通信系统、红外探测系统、语音监控模块、LCD显示模块、电源模块、继电器控制模块、SD卡音乐播放模块等。
系统开发环境采用ALTERA公司的QuartusII7.2、niosⅡ7.2软件，使用SOPC技术，通过软硬件结合实现。
系统原理框图如图1.1所示，（a）图为车载监控端原理框图，（b）图为PC显示中心原理框图。
（a）图车载监控端原理框图：
（b）图PC显示中心原理框图：
图1.1系统原理框图
1.3设计方案
在设计初期我们有以下两种方案：
方案一：
采用纯硬件语言描述，通过FPGA实现；
方案二：
采用C语言与硬件语言描述，通过niosⅡ软核与FPGA芯片结合实现；
1.3.1采用纯硬件语言描述，通过FPGA实现
FPGA是ASIC的一种半定制电路，设计者可以利用计算机开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，快速实现产品开发，同时可以方便地对设计在线修改，缩短设计周期，使用的灵活性非常高。
另外采用硬件描述语言可以很好地描述系统功能，如VHDL、VerilogHDL两种标准硬件描述语言，它们均支持不同层次的描述，使得复杂IC的描述规范化，便于传递、交流、保存、修改，同时Alter公司的QuartusII7.2开发软件提供了多平台设计环境，能满足各种特定设计的需求。
此方案的优点：
由于FPGA速度高，因此可以实现高速的GPS数据的采集、处理；此设计具有较高的运行速度，能够采集、处理较高速度的数据。
此方案的缺点：
由于采用Verilog语言实现较复杂算法时的灵活性相对高级语言较差，而且在FPGA内部占用硬件资源比较多。
而车辆监控的功能较多，算法相对复杂，特别是对于GSM模块功能中的中断设计，使用Verilog语言描述时，复杂度较高。
因此采用FPGA纯硬件设计时难度较高，设计车辆监控的功能有限。
1.3.2采用C语言与硬件语言描述，通过niosⅡ软核与FPGA芯片结合实现
采用软硬结合的方案可以很好地解决上述方案的缺点，硬件部分进行GPS、GSM、LCD等CPU核的建立，软件部分实现车辆监控定位的功能设计，采用C语言的设计灵活性较高。
ALTERA公司提供的DE1开发板把niosⅡ核与FPGA（EP2C20F484C7）芯片结合在一起，形成了一个功能强大的软硬件紧密融合的系统，所有核心模块的连接都是在FPGA片内进行，加快开发速度，片内布线受外界干扰小，系统工作稳定。
采用niosⅡ软核与FPGA芯片结合实现；本系统采用软硬件结合的方案，可以充分利用DE1开发板的资源：
存储器sdram和flash等；总线：
Avalon；串口：
uart和jtag，以及I/O接口。
同时利用NiosII系统对外设的可配置性，根据需求自主添加外设，充分利用I/O接口，使此监控定位系统功能变得强大。
此系统的硬件结构如图1.2所示。
图1.2系统硬件结构图
1.4适用范围
本文所设计的车辆定位监控系统，可实现对任何车辆的监控，各个功能通过中断的方式进入DE1开发板，使DE1开发板依次准确快速的对各功能进行处理和控制。
系统可对GPS信号进行采集，采集信号波特率为4800bit/s。
LCD显示并口的8位三态数据，可显示中英文字符、图形、动画，且具有翻页，删除等多种功能。
GSM以9600bit/s的波特率进行数据传输，此外还具有语音监听、关闭车辆油门、关闭车门等多种功能。
可广泛应用于车辆防盗、贵重货物监控等诸多领域，为大家提供了一个有用的防盗定位监控系统。
1.5开发环境及开发套件介绍
1.5.1QuartusII7.2的介绍
本系统的开发环境是ALTERA的QuartusII7.2，它提供了多平台设计环境，能满足各种特定设计的需求，使单芯片可编程系统（SOPC）设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具。
QuartusII7.2设计工具完全支持Verilog的设计流程，其内部嵌有Verilog逻辑综合器。
QuartusII7.2具备仿真功能，它包括模块化的编译器。
编译器包括的功能模块有分析/综合仿真器、适配器、装配器、时序分析器、设计辅助模块编辑数据接口等。
可以通过选择Startplin择来运行所有的编译器模块，也可通过选择Start单独运行各个模块。
还可通过选择plinTool，在plinTool窗口中运行该模块来启动编译器模块。
在plinTool窗口中可以打开该模块的设置文件或报告文件，或打开其他相关窗口。
此外，QuartusII7.2还包括许多十分有用的LPM模块，作为复杂或高级系统构建的重要组成部分，在SOPC设计中将被大量使用，也可与QuartusII7.2普通设计文件一起使用。
1.5.2NiosII7.2处理器的介绍
NiosII7.2处理器是Altera公司为其FPGA配套开发的软核CPU。
在逻辑功能上,它们是32位的精简指令集CPU；在实现方式上，它们是在FPGA上通过编程的方式实现的，这也是与传统的CPU的一个根本的差别。
NiosII7.2是在FPGA上实现的，具有很多独有的新特性，使之成为可调整、可补充的系统，更使其成为软硬件紧密融合的系统。
NiosII7.2有着一个开放式的ALU，所以我们可以根据自己的需要对其进行补充，从而实现自己定义的指令。
自定义指令在处理方式上同原有指令集中的指令是一样的，在处理速度方面等同于原有指令；由于自定义指令是有针对性的设计，故自定义指令在专项处理方面要优于原有指令，应用自定义指令可以在不改变CPU主频的情况下大大提高系统处理能力。
这个特性比较适合那些要求高处理速度，又不便于提高系统主频的场合。
NiosII7.2的总线采用了哈佛结构，在很大程度上提高了系统的处理速度。
由于系统的总线控制器是在FPGA中实现的，可以进行灵活的配置，在某些外设需要具有冯诺依曼特性时又可以把两套总线合二为一，从而在局部实现冯诺依曼结构，这样就使得系统总线兼有哈佛结构的高效率与冯诺依曼结构的灵活性。
NiosII7.2系统总线自动对不同时钟域进行协调，可以使挂在总线上的组件工作在不同的主频下，使系统更为灵活。
NiosII7.2软核从硬件上支持系统调试、程序下载、指令追踪、数据追踪，而不需要任何的boot程序。
与NiosII7.2配套的有四种Jtag调试模块，它们的调试功能有强有弱，占用资源有多有少，由设计者根据需求自行选择。
由于整个系统具有可重构性，所以选择较强功能的调试模块不会造成系统资源的浪费，因为可以在调试工作完成以后对系统进行重构，去掉调试模块，释放其所占的资源。
在其它的SOC系统中没办法把调试模块的功能做得太强，因为调试模块的选择是要折中考虑的，性能和资源占用是矛盾的。
NiosII7.2系统中的外设也具有可配置性，设计者可以根据需求自主的选择要哪些外设，不要哪些外设，还可以自主建立外设加到系统中。
这就使得可根据所设计的系统的需求进行任意的调整。
1.5.3DE1开发板介绍
本系统的设计是基于ALTERA公司提供的DE1开发板，此开发板把NiosII7.2软核与FPGA（EP2C20F484C7）芯片结合，形成了一个功能强大的软硬件紧密融合的系统。
DE1开发板包含CycloneIIEP2C20F484C7、SDRAM（8MB）、FLASH（4MB）、SRAM（256K*16BIT）、Uart口、jtag口、I/O接口等，如下图所示：
图1.3DE1开发板
1.5.4NiosII7.2IDE的介绍
NiosII7.2IDE是NiosII7.2系列嵌入式处理器的主要软件开发工具，是基于开放的、可扩展EclipseIDE工程和EclipseC/C++开发工具工程。
所有的软件开发任务在NiosII7.2IDE中完成，如编辑、编译、下载、调试和闪存编程。
NiosII7.2体系结构支持提供片内仿真功能的JTAG调试模块。
许多使用NiosII7.2处理器的设计需要板上闪存的配合。
任何连接至FPGA的CFI兼容闪存器件都可以采用NiosII7.2IDE闪存编程器进行编程。
NiosII7.2IDE闪存编程器还可以对任何连接至FPGA的Altera串行设置器件进行编程，并可以方便的与任何定制器件进行端口连接。
除工程建立向导外，NiosII7.2IDE还提供工程模板形式的软件代码实例。
第二章功能描述
本系统由车载监控端和PC显示中心两部分构成，二者通过GSM模块通信。
2.1车载监控端功能
车载监控端主要功能有：
无线开关功能、红外传感器功能、GPS采集数据功能、LCD显示功能、GSM信息传输功能、语音监控功能、SD卡音乐播放及继电器组关闭车门、油门功能，如图2.1所示。
图2.1车载监控端功能图
1、无线开关功能
本装置是采用射频发射器PT2262发射射频信号，由PT2272接收到信号后，进而控制继电器进行开启和关闭红外电源。
2、红外传感器功能
本装置用于检测车辆是否被盗，分正常开启和非正常开启两种状态。
正常开启是指：
离开车辆时，通过无线开关打开红外传感器，使接收头与发射头对射，起到红外监控作用，在进入车辆之前，通过无线开关关闭传感器，使红外传感器停止工作；非正常开启是指：
在红外传感器正常工作的情况下，进入车辆前未通过无线开关关闭传感器，接收头与发射头被阻挡，使接收头产生高电平，传给系统，启动报警。
3、GPS采集数据功能
系统启动后，DE1开发板自动控制GPS模块,使GPS定位系统间隔性的采集车辆的$GPRMC数据，该数据包括车辆行驶的经度、纬度，采集的日期，时间，方向和速率。
GPS模块通过串口0与DE1相连，将采集到的GPS数据传入系统，供其他设备使用。
4、LCD显示功能
开启系统，LCD显示开机动画，进入系统后，LCD显示主菜单，通过按键进入GPS选项，当GPS模块采集到数据后，LCD上实时显示GPS数据。
当需要修改密码及手机号码时，LCD上会显示相应的操作过程。
5、GSM模块功能
当红外传感器非正常开启时，系统通过GSM模块发送报警信号到用户手机上，回复“是”，开启语音监控模块，用户通过GSM模块监听车内声音；回复“否”，不开启语音监控系统。
回复“密码6666”，将实时采集的GPS数据发送到用户手机上；回复“密码8888”，将实时采集的GPS数据发送到PC显示中心；回复“开启所有功能”，油门、车门、红外开启。
当系统处于正常工作状态时，用户通过GSM模块随时查询车辆所处的位置。
6、语音监控功能
用户利用短消息发送控制指令，启动语音监控，将车中的声音经过放大、滤波后，通过GSM模块，传送到用户手机上，使用户随时了解车内情况。
7、SD卡音乐播放
当有他人非法侵入车内时，播放报警音；用户也可在正常情况下播放音乐。
8、继电器控制车门油门功能
继电器组包括两个继电器，两个均是由用户发短消息进行控制。
一个用于关闭、开启汽车车门，一个用于关闭，开启、汽车油门。
2．2PC显示中心功能
图2.2PC显示中心功能图
如图2.2所示，在PC显示中心由M22接收车载监控端发送的短消息，提取GPS数据传送到PC机上，利用googleearth等软件定位车辆。
第三章系统硬件设计
本系统硬件设计包括：
车载监控端硬件设计和PC显示中心硬件设计。
3.1车载监控端硬件设计
车载监控端硬件设计包括：
NiosII嵌入式系统硬件开发、红外探测系统的设计、GPS接收系统的设计、LCD显示系统的设计、GSM通信系统的设计、继电器控制车门油门的设计、语音监控模块的设计、键盘设计、电源设计以及SD卡音乐播放模块设计。
车载监控端硬件原理框图如图3.1所示：
图3.1监控端硬件原理框图
3.1.1NiosII嵌入式系统硬件开发流程
图3.2NiosII嵌入式系统开发流程图
如图3.2所示：
NIOSII7.2硬件开发步骤：
用SOPCBuilder生成NIOSII7.2处理器，用QuartusII7.2设计软件将NIOSII7.2处理器和其它逻辑电路结合进行设计输入，进行编译（包括分析综合和布局布线），通过JTAGUART口将硬件配置数据下载到DE1开发板中。
QuartusII7.2设计软件是全面有效的SOPC设计环境，它将设计、综合、布局和验证以及第三方集成在一个无缝的环境中。
包含在QuartusII7.2软件中的SOPCBuilder可以SOPC应用中添加、参数化和连接嵌入式处理器、外围设备、存储器和自定义逻辑等IP核。
SOPCBuilder设置如图3.3所示：
图3.3SOPCBuilder设置图
具体的设置如下：
1.新建SOPC设计项目
在这要注意的是项目所在文件夹名称和项目名不能使用中文，SOPCBuilder不能识别中文，在QuartusII7.2中进行SOPC设计，必须在有项目打开时才能进行，否则不能开启此工具。
2.建立一个SOPC系统模块
系统命名为uart_sys，选择SOPCBuilder生成HDL代码的类型为Verilog，选择cyclonIIEP2C20F484C7芯片，确定系统工作频率为100Mhz。
3.加入NiosCPUCore
这是整个系统的核心，它同一般的嵌入式系统不同，当需要新的外设模块时SOPC设计可以在CPUCore外，但还在同一FPGA芯片内加入相应的外设模块，并通过在片上的Avalon总线与CPUCore相连。
4．加入JTAGUART
JTAGUART串口用于系统的仿真调试，是设计本系统必不可少的调试工具。
5．加入UART
UART是常用的串口，基本的SOPC系统可以通过串口与上位机或其它设备通信。
本系统中，GPS和GSM均通过UART与开发板进行通信。
6．加入Timer
定时器可以作为系统的周期性时钟源，也可以作为一个计时器，测出事件发生的时间，还可以对外输出周期性脉冲或作为一条监管系统正常运行的看门狗。
7．加入Avalon三态总线桥
Sdram和Flash的数据总线是三态的，NiosCPU与Sdram、Flash相接需要Avalon三态总线桥。
8.加入sdram
我们用sdram来运行程序和数据处理。
它属于一种动态异步存储器，存储空间8Mbyte。
9.加入Flash
由于Flash类似于PC机接入了硬盘，在掉点后仍然保持数据，所以我们在Flash中载入用户手机号码和密码，进行永久存储，使用时加以调用。
10.加入epcs
Epcs控制器提供一个BootLoader功能，允许NIOSII系统把主程序代码存到EPCS芯片中。
在本系统中，通过epcs对FPGA进行配置数据。
11.加入sysid
SopcBuilder生成NIOSII系统时，为系统生成一个标识符（ID号）。
该标识符会被写入Systemid寄存器中，供IDE编译器使用。
在IDE中，如果用户程序不是基于对应的NIOSII系统，NIOSIIIDE将阻止用户程序下载到NIOSII系统。
12.加入PIO
PIO为NiosII处理器系统接收输入信号及输出信号提供一种简易的方法。
本系统设计使用13个PIO来进行不同的输入与输出。
13.锁定Flah等地址
在系统中外设的地址可以根据用途任意指定，也可让SOPCBuilder自动分配地址，在此我们按本系统的要求自己指定了地址。
14.设置SOPC系统的地址
可通过软件自动分配地址，也可根据需要自行分配，然后锁定，为了方便后续设计，我们选择了自己进行地址分配，这样所选地址有利于在添加其它的外设。
15.生成及编译SOPC系统
设置好所有外设就可以进行生成及编译SOPC系统，生成的顶层原理图如图3.4所示：
图3.4系统顶层原理图
把编译过的SOF文件通过JTAG口下载到SOPC开发板上的FPGA中，然后就可在FPGA中建立NiosII硬件嵌入式系统，进行软件设计和软件调试。
3.1.2红外探测系统的设计
1、无线开关设计
PT2262为无线发射模块，PT2272为无线接收模块，用发射模块控制接收模块，使接收模块产生高低电平的控制信号，进而控制继电器。
图3.5无线开关工作流程图
当PT2272的输出引脚电平为低电平，继电器1脚和6脚导通，电源VCC_3.3V通过继电器传输给红外传感器，作为红外传感器工作电源，红外传感器开始工作。
当PT2272的输出引脚电平为高电平时，通过三极管驱动继电器，使继电器的1脚和6脚断开，从而切断了红外传感器的电源。
整个过程采用无线发射模块PT2262控制PT2272的输出。
电路原理图如图3.6所示：
图3.6无线开关原理图
2、红外传感器的设计
a.红外发射模块设计
用NE555电路作载波振荡器，通过调节电阻和电容，使振荡频率为38kHz，通过NE555的3脚给三极管传输38kHz的载波，三极管驱动红外发射头将红外信号发射出去。
电路原理图如图3.7所示：
图3.7红外发射模块原理图
b．红外接收模块设计
当红外接收头收到红外信号后，红外二极管导通，负极电压通过运算放大器LM324放大，LM324的1脚输出电压与R3的左端分压相叠加，使1脚电压为0.92V，通过74HC245将低电平变为0V，由18脚当没有收到红外信号时，R3的左端分压为2.82V并通过74HC245将高电平变为3.3V。
电路原理图如图3.8所示：
图3.8红外接收模块原理图
3.1.3GPS模块接口设计
1、GPS模块介绍
本系统采用的是丽台LP9543GPS模块，其核心芯片是SiRFstarⅡ（美国瑟孚公司设计的第二代低号电量卫星定位接收晶片），发布于20XX年，是一款高性能的GPS芯片，SiRFstarⅡ是其低功耗版本。
采用1920次/频率的相关器，冷开机/暖开机/热开机的时间分别达到45s/35s/8s，是并行12通道。
1）、GPS模块主要性能指标
表3.1GPS模块性能指标
性能特点如下：
接收板结构
SiRFstarII并行12通道
动态性能
速度：
515m/s（max）加速度：
4g（max）高度：
1800m（max）
定位精度
10m,2D，无SADGPS<5m
坐标系统
WGS-84其它坐标可定义
接口性能：
串口
2个TTL
GPIO
6
天线接口
MMCX
通信速率
可选波特率：
4800至38400bps
数据格式
SiRF二进制,SiRF二进制
输入信息
NMEA，SiRF二进制
输出信息
SiRF二进制SiRF二进制GGAGSAGSVRMCGLL
电器特性
输出电压
5.0V±5%
2）、GPS结构
GPS用户设备主要包括有GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。
而其中接收机和天线是用户设备的核心部分，一般习惯上统称为GPS接收机，其主要功能是接收GPS卫星发射的信号并进行处理和测量，以获取导航电文及必要的观测量。
GPS接收机的结构如图3.9所示，其主要组成部分包括:
天线（带前置放大器）；信号处理器，用于信号识别和处理；微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算；用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存贮器；精密震荡器，用于产生标准频率。
图3.9GPS接收机结构图
3）、遵循的协议
LR9543遵循美国国家海洋电子协会（NationalMa
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