基于fpga的gps信息終端設(shè)備的制作方法
【專利摘要】基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，包括FPGA模塊、用于接收GPS衛(wèi)星信號的GPS接收機模塊、溫度采集模塊、用于存儲信號的外部SDRAM存儲模塊、GSM模塊和穩(wěn)壓電源模塊，所述的FPGA模塊包括NiosⅡ軟核處理器模塊、Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊、溫度采集控制模塊、GPS-UART驅(qū)動模塊、SDRAM控制器和GSM-UART驅(qū)動模塊，所述的FPGA模塊、GPS接收機模塊、溫度采集模塊、外部SDRAM存儲模塊、GSM模塊均與所述的穩(wěn)壓電源模塊相連。本發(fā)明的有益效果是：功耗低，內(nèi)部資源豐富，邏輯控制功能強，比硬核處理器具有的優(yōu)點是應(yīng)用靈活，能夠隨時更新使用最新的技術(shù)。
【專利說明】基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System簡稱GPS)是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，GPS能提供全天候、連續(xù)、實時高精度導(dǎo)航參數(shù)，可實現(xiàn)三維定位，并可提供精確的時間信息。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和地面接收機部分組成。由于GPS具有全球覆蓋以及精度高、定位速度快、實時性好、抗干擾能力強等特點，近年來，GPS在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，并在各個領(lǐng)域發(fā)揮了極大的作用。
[0003]但現(xiàn)有的GPS信息終端設(shè)備，在FPGA中使用軟核處理器比硬核的優(yōu)勢在于，硬核實現(xiàn)沒有靈活性，通常無法使用最新的技術(shù)隨著系統(tǒng)日益先進，基于標準處理器的方案會被淘汰，而基于Nios II處理器的方案是基于HDL源碼構(gòu)建的，能夠修改以滿足新的系統(tǒng)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對目前的GPS信息終端設(shè)備成本高、靈活性差的問題，提出了一種能用于記錄信息終端的歷史行程、位置、速度、時間、溫度等信息并通過GSM發(fā)送這些信息數(shù)據(jù)、靈活性高、成本低的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備。
[0005]本發(fā)明所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:包括FPGA模塊、用于接收GPS衛(wèi)星信號的GPS接收機模塊、溫度采集模塊、用于存儲信號的外部SDRAM存儲模塊、GSM模塊和穩(wěn)壓電源模塊，所述的FPGA模塊包括Nios II軟核處理器模塊、Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊、溫度采集控制模塊、GPS-UART驅(qū)動模塊、SDRAM控制器和GSM-UART驅(qū)動模塊，所述的GPS-UART驅(qū)動模塊與所述的GPS接收機模塊信號輸出端相連；所述的溫度采集控制模塊與所述的溫度采集模塊的信號輸出端相連；所述的GSM-UART驅(qū)動模塊與所述的GSM模塊信號連接；所述的SDRAM控制器與所述的外部SDRAM存儲模塊信號輸入端相連；所述的溫度采集控制模塊、GPS-UART驅(qū)動模塊、SDRAM控制器和GSM-UART驅(qū)動模塊均通過Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊與所述的Nios II軟核處理器模塊相連；所述的FPGA模塊通過GSM模塊與遠端的監(jiān)控中心信號連接；所述的FPGA模塊、GPS接收機模塊、溫度采集模塊、夕卜部SDRAM存儲模塊、GSM模塊均與所述的穩(wěn)壓電源模塊相連。
[0006]所述的GPS-UART驅(qū)動模塊以及所述的溫度采集控制模塊均通過MAX202芯片電平與Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊相連。
[0007]所述的FPGA模塊采用EP2C35F系列FPGA芯片。
[0008]所述的外部SDRAM存儲模塊采用DDR-200型號存儲器。
[0009]所述的GSM模塊采用TC35i模塊。
[0010]所述的GPS模塊采用帶有外置天線的Holux的GR-85型模塊。[0011]所述的穩(wěn)壓電源模塊采用直流電壓。
[0012]所述的溫度采集模塊采用單總線智能溫度傳感器DS18B20。
[0013]工作原理:GPS接收機模塊的任務(wù)是接收GPS衛(wèi)星信號，實時地計算出所在地點的三維位置、速度和時間，并傳送給FPGA模塊。溫度采集模塊采集本說明書所述信息終端所在地點的溫度信息并傳送給FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊對GPS接收機模塊發(fā)送的信號以及溫度采集模塊發(fā)送的溫度信號進行處理之后，將數(shù)據(jù)存儲在外部SDRAM存儲模塊，隨后通過GSM網(wǎng)絡(luò)模塊將外部SDRAM存儲模塊中的數(shù)據(jù)傳輸給遠端的監(jiān)控中心。穩(wěn)壓電源模塊用于其他各模塊的直流電壓供電，使各個模塊的電壓穩(wěn)定，設(shè)備安全穩(wěn)定的運行。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:功耗低，內(nèi)部資源豐富，邏輯控制功能強，比硬核處理器具有的優(yōu)點是應(yīng)用靈活，能夠隨時更新使用最新的技術(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]圖2為FPGA模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明
[0018]參照附圖:
[0019]實施例1本發(fā)明所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，包括FPGA模塊1、用于接收GPS衛(wèi)星信號的GPS接收機模塊2、溫度采集模塊3、用于存儲信號的外部SDRAM存儲模塊4、GSM模塊5和穩(wěn)壓電源模塊6，所述的FPGA模塊I包括Nios II軟核處理器模塊11、Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊12、溫度采集控制模塊13、GPS-UART驅(qū)動模塊14、SDRAM控制器15和GSM-UART驅(qū)動模塊16，所述的GPS-UART驅(qū)動模塊14與所述的GPS接收機模塊2信號輸出端相連；所述的溫度采集控制模塊13與所述的溫度采集模塊3的信號輸出端相連；所述的GSM-UART驅(qū)動模塊與所述的GSM模塊信號連接；所述的SDRAM控制器15與所述的外部SDRAM存儲模塊4信號輸入端相連；所述的溫度采集控制模塊13、GPS-UART驅(qū)動模塊14、SDRAM控制器15和GSM-UART驅(qū)動模塊16均通過Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊12與所述的Nios II軟核處理器模塊11相連；所述的FPGA模塊I通過GSM模塊5與遠端的監(jiān)控中心信號連接；所述的FPGA模塊1、GPS接收機模塊2、溫度采集模塊3、外部SDRAM存儲模塊4、GSM模塊5均與所述的穩(wěn)壓電源模塊6相連。
[0020]所述的GPS-UART驅(qū)動模塊以及所述的溫度采集控制模塊均通過MAX202芯片電平與Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊相連。
[0021 ] 所述的FPGA模塊采用EP2C35F系列FPGA芯片。
[0022]所述的外部SDRAM存儲模塊采用DDR-200型號存儲器。
[0023]所述的GSM模塊采用TC35i模塊。
[0024]所述的GPS模塊采用帶有外置天線的Holux的GR-85型模塊。
[0025]所述的穩(wěn)壓電源模塊采用直流電壓。
[0026]所述的溫度采集模塊采用單總線智能溫度傳感器DS18B20。
[0027]工作原理:GPS接收機模塊的任務(wù)是接收GPS衛(wèi)星信號，實時地計算出所在地點的三維位置、速度和時間，并傳送給FPGA模塊。溫度采集模塊采集本說明書所述信息終端所在地點的溫度信息并傳送給FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊對GPS接收機模塊發(fā)送的信號以及溫度采集模塊發(fā)送的溫度信號進行處理之后，將數(shù)據(jù)存儲在外部SDRAM存儲模塊，隨后通過GSM網(wǎng)絡(luò)模塊將外部SDRAM存儲模塊中的數(shù)據(jù)傳輸給遠端的監(jiān)控中心。穩(wěn)壓電源模塊用于其他各模塊的直流電壓供電，使各個模塊的電壓穩(wěn)定，設(shè)備安全穩(wěn)定的運行。
[0028]圖1中各部分具體構(gòu)成如下:
[0029]FPGA模塊:選擇的是Altera公司的EP2C35F系列FPGA芯片。它功耗低，內(nèi)部資源豐富，邏輯控制功能強，并且使用Nios II軟核處理器，它比硬核處理器具有的優(yōu)點是應(yīng)用靈活，能夠隨時更新使用最新的技術(shù)，特別適用于本移動終端。FPGA信息處理模塊對GPS接收機發(fā)送的信號以及溫度采集模塊發(fā)送的溫度信號進行處理、存儲，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠端的監(jiān)控中心。
[0030]外部存儲器(SDRAM)模塊:該存儲器采用DDR-200型號，外部存儲器一方面用于存儲經(jīng)FPGA處理的數(shù)據(jù)信息，等待用戶或監(jiān)控中心的調(diào)用；另一方面用于存儲在Nios II軟核處理器上運行的程序。
[0031]GSM模塊:GSM模塊采用西門子公司的TC35i模塊。該模塊通過AT命令進行雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)。該型號的GSM模塊工作在EGSM900MHZ和GSM1800MHz頻率波段，提供話音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線連接。其串口通信波特率在300b/s?115Kb/s之間可選，也可以在1200b/s?115Kb/s之間的8種波特率間自動適配。GSM模塊用于調(diào)用外部存儲器(SDRAM)模塊中的數(shù)據(jù)，并傳輸給遠端的監(jiān)控中心。
[0032]GPS模塊:GPS模塊選用的是Holux的GR-85型模塊，它是采用外置天線的高性能設(shè)備，簡單易用，體積小巧，含有備用電源以及6個引腳，可方便地與單片機、PC機等設(shè)備進行通信；3.3V-5.5V直流供電，具有出色的抗電磁干擾能力。有GPRMC、GPGGA、GPGSA等多種通信協(xié)議，可以根據(jù)不同的需要通過監(jiān)控中心發(fā)送指令來改變GPS的通信協(xié)議。GPS接收機的任務(wù)是接收GPS衛(wèi)星信號，實時地計算出所在地點的三維位置、速度和時間，并傳送給FPGA信息處理模塊。
[0033]穩(wěn)壓電源模塊:穩(wěn)壓電源模塊用于其他各模塊的直流電壓供電，保證各個模塊安全穩(wěn)定的運行。
[0034]溫度采集模塊:采用單總線智能溫度傳感器DS18B20。它零功耗等待的特點，可以很大程度上節(jié)能。溫度采集模塊采集本說明書所述信息終端所在地點的溫度信息并傳送給FPGA信息處理模塊，
[0035]附圖2中各部分具體構(gòu)成如下:
[0036]GPS-UART驅(qū)動模塊:該模塊接收圖1所示GPS接收器模塊采集的GPS衛(wèi)星信號。由于GPS-UART驅(qū)動模塊采用的是RS232標準電平，而FPGA模塊采用的是TTL電平，故需要用MAX202芯片進行電平轉(zhuǎn)換。MAX202芯片接收波特率是9600b/s。根據(jù)UART通信協(xié)議，當串口輸入端口信號為負跳變時，F(xiàn)PGA開始接收外部數(shù)據(jù)。為保證串口數(shù)據(jù)的正確接收，在波特率時鐘檢測過程中，至少必須有一半屬于邏輯0，即8個時鐘周期后，才可認定收到是可靠的起始位。當接收到正確的起始位后.接著的數(shù)據(jù)位將每隔16個采樣周期被采樣一次。即取每一位的第8次的波特率時鐘采樣值來確保采樣正確。連續(xù)采樣8次后，即一個字節(jié)數(shù)據(jù)接收完成之后，便可設(shè)置位結(jié)束標志。[0037]溫度采集控制模塊:該模塊采集周圍環(huán)境溫度信息，然后傳輸?shù)紽PGA模塊。該模塊和GPS-UART驅(qū)動模塊一樣也需要MAX202芯片進行電平轉(zhuǎn)換，采用的也是UART通信協(xié)議。
[0038]Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊:該模塊是一種用于連接片內(nèi)處理器與外設(shè)，以構(gòu)成可編程片上系統(tǒng)(S0PC)。它描述了主從構(gòu)件間的端口連接關(guān)系，以及構(gòu)件間通信的時序關(guān)系。Avalon主從外設(shè)之間的交互是構(gòu)建在從端口仲裁技術(shù)上的:當多個主外設(shè)同時要求訪問同一個從端口時，從端口仲裁決定哪一個主外設(shè)取得訪問權(quán)。本設(shè)計利用Avalon交換結(jié)構(gòu)總線主要利用它的兩個優(yōu)點:(I)因為仲裁的細節(jié)被封裝在Avalon總線內(nèi)部。因而，主從外設(shè)的接口是一致的，與總線上的主從外設(shè)的數(shù)量無關(guān)。每個主外設(shè)到總線的接口都與總線上是否還有其他主外設(shè)無關(guān)；(2)多個主外設(shè)只要不是在同一總線周期訪問同一個從端口，便可同時執(zhí)行多個總線傳輸。
[0039]Nios II軟核處理器模塊:對外部GPS模塊和溫度采集模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)進行解碼處理，從而獲取所需信息(包括來自GPS模塊的信息:緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、運動方向和來自溫度采集模塊的當?shù)貙崟r環(huán)境溫度信息)，并通過外部存儲(SDRAM)控制模塊送到外部SDRAM存儲模塊進行存儲。
[0040]SDRAM控制器:SDRAM控制器作為存儲介質(zhì)保存數(shù)據(jù)，如果Nios II軟核處理器模塊中有經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)，該處理器會發(fā)送一個控制信號到SDRAM控制器，使該模塊接收通過Avalon交換結(jié)構(gòu)總線傳輸過來的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)保存在外部SDRAM存儲模塊中。
[0041]GSM-UART驅(qū)動模塊:當GSM模塊接收到數(shù)據(jù)提取請求信號時，該驅(qū)動模塊發(fā)送一個控制信號到軟核處理器，通過軟核處理器發(fā)出控制命令，將SDRAM中存儲的數(shù)據(jù)通過Avalon交換結(jié)構(gòu)總線傳輸?shù)紾SM模塊，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h端的監(jiān)控中心。
[0042]通過以上FPGA軟件部分的介紹可知，本設(shè)計以FPGA為核心，利用Nios II軟核的集成程度高、配置靈活、擴展性強的特點，構(gòu)建了基于GPS+GSM的信息終端。該信息終端首先利用GPS模塊接收衛(wèi)星信號以及溫度采集模塊采集到的溫度信息通過MAX202芯片電平轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絅ios II軟核處理器進行處理。將處理后的數(shù)據(jù)通過Avalon交換結(jié)構(gòu)總線存儲到外部SDRAM存儲模塊中，等到用戶或監(jiān)控中心需要提取數(shù)據(jù)時，再將SDRAM中的數(shù)據(jù)提取到GSM模塊中，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠端的監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對監(jiān)測對象的實時監(jiān)控。
[0043]本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)利要求】
1.基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:包括FPGA模塊、用于接收GPS衛(wèi)星信號的GPS接收機模塊、溫度采集模塊、用于存儲信號的外部SDRAM存儲模塊、GSM模塊和穩(wěn)壓電源模塊，所述的FPGA模塊包括Nios II軟核處理器模塊、Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊、溫度采集控制模塊、GPS-UART驅(qū)動模塊、SDRAM控制器和GSM-UART驅(qū)動模塊，所述的GPS-UART驅(qū)動模塊與所述的GPS接收機模塊信號輸出端相連；所述的溫度采集控制模塊與所述的溫度采集模塊的信號輸出端相連；所述的GSM-UART驅(qū)動模塊與所述的GSM模塊信號連接；所述的SDRAM控制器與所述的外部SDRAM存儲模塊信號輸入端相連；所述的溫度采集控制模塊、GPS-UART驅(qū)動模塊、SDRAM控制器和GSM-UART驅(qū)動模塊均通過Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊與所述的Nios II軟核處理器模塊相連；所述的FPGA模塊通過GSM模塊與遠端的監(jiān)控中心信號連接；所述的FPGA模塊、GPS接收機模塊、溫度采集模塊、外部SDRAM存儲模塊、GSM模塊均與所述的穩(wěn)壓電源模塊相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:所述的GPS-UART驅(qū)動模塊以及所述的溫度采集控制模塊均通過MAX202芯片電平與Avalon交換結(jié)構(gòu)總線模塊相連。
3.如權(quán)利要求2所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:所述的FPGA模塊采用EP2C35F系列FPGA芯片。
4.如權(quán)利要求3所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:所述的外部SDRAM存儲模塊采用DDR-200型號存儲器。
5.如權(quán)利要求4所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:所述的GSM模塊采用TC35i模塊。
6.如權(quán)利要求5所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:所述的GPS模塊采用帶有外置天線的Holux的GR-85型模塊。
7.如權(quán)利要求6所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:所述的穩(wěn)壓電源模塊采用直流電壓。
8.如權(quán)利要求7所述的基于FPGA的GPS信息終端設(shè)備，其特征在于:所述的溫度采集模塊采用單總線智能溫度傳感器DS18B20。
【文檔編號】G01S19/13GK103543455SQ201310424438
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】金燕, 鄭炬山, 解振方, 劉彥敏, 呂鋮杰, 何偉, 王紹楠 申請人:浙江工業(yè)大學