隨著GPS(Global Positioning System)全球定位系統的不斷改進，應用領域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。當前基于GPS定位產品體積一般較大，且處理核心大多采用單片機，單板機等，產品開發周期長，開發成本高，產品升級不方便，生命周期短。
超大規模集成電路技術的發展，尤其是PLD和FPGA技術的發展，使得在一塊可編程芯片上實現整個的嵌入式系統成為可能。 SOPC（System on a programmable chip）技術將CPU，存儲器，I/O接口等系統設計所必須的模塊集成在一片FPGA上，具有設計靈活，可裁減、可擴充、可升級、軟硬件在系統可編程的功能[1]。
本文設計了一種基于SOPC技術的便攜式定位系統，并針對GPS在城市高樓和地下停車場等地方容易出現定位盲區的問題，提出采用GPS/數字指南針組合定位的解決方案。本文首先介紹了系統組成和硬件實現，再對軟件開發作了詳細分析，并給出了源程序，最后對試驗樣機進行了試驗，驗證了系統的可行性。
1 系統基本結構
基于NIOSⅡ的便攜式組合定位系統由兩部分組成：接收終端和監控中心。接收終端接收GPS/數字指南針組合定位信號，并通過GPRS模塊發往監控中心，監控中心將接收到的組合定位信號進行數據融合，采用基于模糊模式識別技術的地圖匹配法，借助GIS電子地圖庫中的高精度道路信息作為分類模板來進行模式識別，根據識別結果來提高GPS接收數據的定位精度，實現數據與電子地圖的實時匹配，實時地顯示接收終端佩戴者所在的位置，授權用戶也可以通過 Internet隨時隨地查看終端佩戴者的位置。一旦發生緊急情況，終端佩帶者可以觸發終端上的報警按鈕，由監控中心實時進行相應處理。
2 接收終端硬件設計
系統接收終端硬件由一塊FPGA芯片和GPS模塊，GPRS模塊，數字指南針模塊，報警模塊等組成，在FPGA芯片中主要實現NIOSⅡ軟核處理器，片上存儲器和數字接口電路的功能。
NIOSⅡ是Altera公司推出的32位RISC嵌入式處理器，能和用戶邏輯相結合，編程至Altera FPGA中。處理器具有32位指令集，32位數據通道和可配置的指令及數據緩沖，實現成本低，在FPGA中實現成本只要35美分，靈活性大，采用軟核形式，具有完全的可定制特性，設計人員可根據實際需求在多種系統設置組合中進行選擇，達到性能、特性和成本最優化，具有超過200DMIP的性能[2]。可以通過下載硬件配置文件到FPGA來實現更新，非常方便。
根據系統的功能要求和NIOS II軟核處理器的高度可配置性，在硬件開發工具SOPC Builde定制的NIOS II軟核處理器系統如圖1所示，在一塊Altera EP1C12Q240C8 FPGA上實現了NIOSⅡ軟核CPU，OnChip RAM，Timer，UART，Epcs controller等模塊，NIOSⅡ軟核CPU和其它IP模塊之間通過Avalon片上總線相連，該總線規定了主部件和從部件之間進行連接的端口和通信的時序。
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| 圖1定制的NIOSⅡ處理器系統 |
UART串口通信模塊用于NIOSⅡ處理器和外部的通信，本系統通過串口采集GPS和數字指南針的定位信號，并通過串口將定位信號和報警信號發給GPRS模塊發往監控中心。On Chip RAM為系統提高片上存儲單元，CY1C12Q240C8提供了239,616 bits的RAM單元，系統無需擴展外部存儲器。Epcs controller模塊用于系統上電時，控制硬件配置文件和程序從串行配置芯片下載到FPGA中。Timer定時器模塊提供系統定時中斷，報警模塊由一個按鈕組成，終端佩帶者遇到緊急情況時通過觸發按鈕向監控中心報警。電源模塊給系統提供系統電源，晶振模塊給系統提供系統時鐘。
3 接收終端軟件實現
接收終端軟件開發在集成開發環境Nios II IDE中進行，主要完成定位數據的采集和與監控中心的通信。
3.1 軟件開發環境Nios II IDE
Nios II IDE是Nios II軟核處理器的主要開發工具，它基于開放和可擴展的Eclipse平臺，為軟件開發提供了一個完整的C/C++設計開發環境，它包括一個具有工程管理、源代碼開發、基于JTAG調試功能的圖形用戶界面(GUI)，借助于HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層）可以用類似C語言的庫函數來訪問硬件設備或文件[3]，縮短軟件開發周期。
3.2 HAL系統庫
HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層）系統庫可以為嵌入式軟件開發人員訪問底層硬件提供簡單的設備驅動接口，NIOS II軟核處理器支持HAL，其為用戶提供了以下支持：與ANSI C集成的標準庫－提供類似C語言的標準庫函數；設備驅動，提供訪問系統中的每個設備的驅動程序；HAL API，提供標準的接口程序如設備訪問、中斷處理等；系統初始化和設備初始化，提供main( )函數之前處理器和系統外圍設備的初始化。基于HAL的系統層次如圖2所示。
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| 圖2 基于HAL的系統層次 |
3.3 接收終端軟件開發
根據系統的功能，軟件設計流程圖如3所示。
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| 圖3 軟件設計流程圖 |
3.3.1 終端初始化程序設計
終端初始化主要是在系統上電時完成硬件配置文件的下載，系統初始化和設備初始化等。使用main( ) 函數，HAL系統庫能自動初始化系統。但自動初始化屏蔽了底層操作，一些沒有用到的設備驅動程序也進行了初始化，增加了程序代碼長度和降低了系統效率，ANSI C標準提供了一個供用戶自由初始化系統的函數alt_main( )，用戶可以在該函數中自由初始化系統而代替main( )的自動初始化，本系統的alt_main( )函數如下：
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3.3.2 定位數據的采集程序設計
定位數據的采集主要采集GPS和數字指南針的定位數據，采用串口接收中斷的方式。NIOS II中，串口包括6個16位的寄存器，在軟件中對應的數據結構為：
程序
串口被當成字符設備，對其訪問可以通過標準輸入(stdin)和標準輸出(stdio)來完成，也可以通過打開和寫文件的方式，本系統采用直接訪問寄存器方式，采用系統自動生成的訪問宏，這樣可以采用精簡Newlib C，減少程序代碼長度，并采用串口中斷方式接收數據，NIOS II中使用中斷首先要向系統注冊，并且要打開硬件中斷。中斷采集GPS信號主要程序如下：
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3.3.3 定時器中斷方式程序實現
系統采用定時中斷方式與監控中心通信，將定位數據發往監控中心。NIOS II提供了兩種類型的時鐘，HAL系統時鐘(HAL system clock)和基于時標驅動(timestamp driver)的時鐘，后者適用于對時鐘具有高精度的場合。系統時鐘提供了定時的功能，使用定時器和使用中斷方式一樣，首先要通過 alt_alarm_start ( )函數向系統注冊一個時鐘中斷，再在時鐘中斷服務程序中實現GPRS發送，alt_alarm_start ( )函數聲明如下：
alt_alarm_start (&alarm,alt_ticks_per_second( ),GPRS_ISR ( ),NULL)
其中alarm為定時中斷變量，由系統自動初始化，第二個形參為注冊時鐘中斷后多長時間后開始執行服務程序，alt_ticks_per_second ( )為每秒系統時鐘的“滴答”數，此處為一秒后開始執行，GPRS_ISR ( )為服務程序，NULL為服務程序的形參，此處為空。
定時中斷服務程序完成將定位數據通過GPRS模塊發往監控中心，通過串口向GPRS寫數據實現，通過下條語句實現：IOWR_ALTERA_AVALON_UART_TXDATA(BASE, DATA) //向串口寫數據，BASE為串口基地址，DATA為要寫入數據。
3.4 軟件開發中應注意的問題
針對NIOS II軟核處理軟件開發特點，總結以下需要注意的幾點：
(1) HAL系統庫作為NIOSⅡ處理器支持的軟件包，可以給軟件開發人員提供便利，包括自動初始化系統，可以使用ANSI C標準庫等，但這樣是以增加代碼長度為代價的。
(2) 進行NIOSⅡ軟核處理器的嵌入式軟件開發時可以通過多種方式減少軟件代碼和提高工作效率，包括使用自定義初始化函數alt_main( )，使用精簡Newlib C庫，優化軟件編譯參數，自定義指令等，但這樣無疑對軟件開發人員提出了更高的要求。
(3) 編寫中斷服務程序時要注意防止系統“死鎖”，尤其是使用ANSI C標準庫函數訪問IO設備時。
4 試驗結果
該系統樣機與GPS單一定位的定位系統在武漢徐東地下通道進行了對比試驗。試驗結果如圖4、圖5所示。從對比結果可以看出，GPS單一定位的定位系統在地下通道區出現了定位盲區，而本系統接收終端在地下通道行走時，監控中心地圖上還可以實時顯示軌跡，克服了以往單一GPS定位系統的定位盲區，驗證了該系統的可行性并體現了其優越性。
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| 圖5 GPS單一定位軌跡 |
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| 圖6 本系統定位軌跡 |
5 總結
本文采用SOPC技術，設計并實現了一種基于NIOSII軟核處理器的便攜式組合定位系統，并采用GPS和數字指南針組合定位，克服了單一GPS定位的盲區。與傳統的便攜式定位產品相比，該系統具有開發周期短，開發成本低，產品生命周期長，適用范圍廣等優點。該系統體積小，便于攜帶，并可以縫制在衣服、飾物品中。適合于老人、小孩、智障人群佩戴，以便對他們進行監控，防止他們走失，也適合一些特殊行業，例如郵政、公安、電力、冶金行業，市場前景可觀。