基于GPSGSM定位监控系统的SOPC设计.doc

目录第一章 设计概述31.1设计目的31.2 定位监控系统的工作原理31.3设计方案41.3.1采用纯硬件语言描述，通过fpga实现41.3.2采用c语言与硬件语言描述，通过nios软核与fpga芯片结合实现51.4 适用范围61.5开发环境及开发套件介绍61.5.1 quartus ii7.2的介绍61.5.2 nios ii7.2处理器的介绍61.5.3 de1开发板介绍71.5.4 nios ii7.2 ide 的介绍8第二章 功能描述92.1车载监控端功能922 pc显示中心功能10第三章 系统硬件设计113.1车载监控端硬件设计113.1.1 niosii嵌入式系统硬件开发流程113.1.2 红外探测系统的设计153.1.3 gps模块接口设计163.1.4.lcd显示系统的设计183.1.5.gsm通信系统的设计203.1.6继电器控制车门油门的设计223.1.7语音监控模块的设计233.1.8键盘设计253.1.9电源模块设计273.1.10 sd卡音乐播放模块设计283.2 pc显示中心硬件设计31第四章 系统软件设计344.1车载监控端软件设计344.1.1进入gps程序354.1.2更改密码384.1.3更改用户手机号码384.1.4删除短消息394.1.5音乐播放404.2 pc显示中心软件设计414.2.1 pc显示中心总体软件流程图414.2.2更改pc显示中心号码424.3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487.1总结487.2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ep2c8q208 fpga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google earth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gsmgps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goole earth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ep2c8q208 fpga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quartus ii7.2、nios7.2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nios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、verilog hdl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quartus ii7.2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nios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nios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nios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1.5.1 quartus ii7.2的介绍本系统的开发环境是altera的quartus ii7.2，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。quartus ii7.2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。quartus ii7.2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start complin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complin tool，在complin tool窗口中运行该模块来启动编译器模块。在complin tool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，quartus ii7.2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quartus ii7.2普通设计文件一起使用。1.5.2 nios ii7.2处理器的介绍nios ii7.2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。nios ii7.2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。nios ii7.2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。nios ii7.2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。nios ii7.2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。nios ii7.2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nios ii7.2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。 nios ii7.2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。1.5.3 de1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nios ii7.2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cyclone ii ep2c20f484c7、sdram（8mb）、flash（4mb）、sram（256k*16bit）、uart口、jtag口、i/o接口等，如下图所示： 图1.3 de1开发板1.5.4 nios ii7.2 ide 的介绍nios ii7.2 ide是nios ii7.2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eclipse ide工程和eclipse c/c+开发工具工程。所有的软件开发任务在nios ii7.2 ide中完成，如编辑、编译、下载、调试和闪存编程。nios ii7.2体系结构支持提供片内仿真功能的jtag调试模块。许多使用nios ii7.2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nios ii7.2 ide闪存编程器进行编程。nios ii7.2 ide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，nios ii7.2 ide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。22 pc显示中心功能图2.2 pc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google earth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3.1.1 niosii嵌入式系统硬件开发流程图3.2 niosii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sopc builder生成niosii7.2处理器，用quartus ii7.2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jtag uart口将硬件配置数据下载到de1开发板中。quartus ii7.2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quartus ii7.2软件中的sopc builder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。sopc builder设置如图3.3所示：图3.3 sopc builder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，sopc builder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sopc builder生成hdl代码的类型为verilog，选择cyclonii ep2c20f484c7芯片，确定系统工作频率为100mhz。3.加入nios cpu core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cpu core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 cpu core相连。4加入jtag uartjtag uart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uartuart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，nios cpu 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epcsepcs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sysidsopc builder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system id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，niosii ide将阻止用户程序下载到niosii系统。12.加入piopio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sopc builder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3.1.3 gps模块接口设计1、gps模块介绍 本系统采用的是丽台lp9543 gps模块，其核心芯片是sirfstar(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2002年，是一款高性能的gps芯片，sirfstar 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3.1 gps模块性能指标性能特点如下：接收板结构sirf starii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sa dgps5m坐标系统wgs-84 其它坐标可定义接口性能：串口2个ttlgpio6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 gga gsa gsv rmc gll电器特性输出电压5.0v5%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3.9 gps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(national marine electronics association)所指定的标准规格，这里采用nmea0813。nmea0183的语句达数十种之多，各种数据均以$开头，数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成gps通信的nema协议及定位数据的提取。nmea0183协议的每条语句都是ascii码格式可打印的字符。信息起始标志“$”、数据分隔符“，”和信息结束标志符“”均为nmea0183的保留字符。nmea0183协议的格式如下：$、地址域、数据域、*校验和：地址域又可分为为发送者id和句子id两个部分，对于gps设备，发送者id为gp，句子id决定了数据域值的内容。校验和由两个十六进制的字符，为地址域和数据域所有字节按位异或。此处我们采用的是$gprmc标准语句。$gprmc, .标准定位时间（utc time）格式：时时分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）。 .定位状态，a = 数据可用，v = 数据不可用。 . 纬度，格式：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）。 .纬度区分，北半球（n）或南半球（s）。 .经度，格式：度度分分.分分分分。 .经度区分，东（e）半球或西（w）半球。 .相对位移速度， 0.0 至 1851.8 knots .相对位移方向，000.0 至 359.9度。实际值。 .日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）。 .磁极变量，000.0 至180.0。 .度数。 如下是我们所采到的一组数据：$gprmc,032711.962,a,3409.3244,n,10853.8536,e,0.00,0.00,070608,*092、gps与控制核心的数据传输图3.10 gps传输流程gps与控制核心之间采用串口进行数据传输。gps模块输出数据逻辑高电平是3.3v，ep2c20的i/o端口逻辑高电平也是3.3v，所以gps数据可以以波特率4800bps由txd直接发送给de1开发板uart0的rxd0，也可以经过74hc245（提高驱动力）后送给uart0的rxd0。3、gps在硬核中的设置如图3.11所示：图3.11 gps在硬核中的设置gps_uart：gps数据与核心板间的uart口。gps_en：对gps的外部中断（在系统软件设计中将详细介绍）。3.1.4. lcd显示系统的设计1、lcd介绍带中文字库的12864-12是一种具有8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864， 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ascii字符集，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。表3.2 lcd接口说明：并行管脚号管脚名称电平管脚功能描述1vss0.0v电源地2vcc5.0v电源正3v0-对比度调整 应用时在vee与v0之间加2k可调电阻4rs(cs）h/lrs=“h”,表示db7db0为显示数据rs=“l”,表示db7db0为显示指令数据5r/w(sid)h/lr/w=“h”,e=“h”,数据被读到db7db0r/w=“l”,e=“hl”, db7db0的数据被写到ir或dr6e(sclk)h/l使能信号7db0h/l三态数据线8db1h/l三态数据线9db2h/l三态数据线10db3h/l三态数据线11db4h/l三态数据线12db5h/l三态数据线13db6h/l三态数据线14db7h/l三态数据线15psbh/lh：8位并口方式，l：串口方式16nc-空脚17/reseth/l复位端，低电平有效18vee-lcd驱动电压输出端19ledavdd背光源正端（+5v）20ledkvss背光源负端2、lcd的使用方法(1)、lcd工作原理系统为lcd提供5v的工作电压。lcd的vo脚接在3.3v的电源上，并且通过电阻与vee脚相连，点亮lcd的正光，使lcd显示出黑色的底层。rs（cs）为显示信号，当为高电平时，显示数据，为低电平时显示指令。现实的模式由程序控制。r/w为读写信号，当它为高电平时，数据被读到db0-db7，由程序控制。e为使能信号，高电平有效。psb接高电平表示数据输入为并行数据。/reset为复位信号，低电平有效，我们将它接电阻后接3.3v无需进行复位。lcd接口如图3.12所示：图3.12 lcd管脚接口图(2)、lcd连接方法lcd的vcc与leda脚均接5v电源，vss与ledk接地，vo脚与vee脚之间接10k的电阻，vo接5v电平，/reset为复位端接1k的电阻后接3.3v电平，当psb接3.3v电平时，表示lcd数据为8位并口方式。3、lcd设计lcd在sopc builder中设置如图3.13：图3.13 lcd在sopc builder中设置lcd_data：为lcd的8位数据输入端口。lcd_en：为lcd提供使能信号。lcd_rd：为lcd选择显示内容：当lcd_rd=“h”,表示db7db0为显示数据；lcd_rd =“l”,表示db7db0为显示指令数据。lcd_rw：为lcd选择读/写：lcd_rw =“h”, lcd_en =“h”,数据被读到db7db0;lcd_rw =“l”, lcd_en =“hl”, db7db0的数据被写到ir或dr。3.1.5. gsm通信系统的设计 gsm全球移动通信系统，目前是世界各国的主要移动通信方式，其技术已非常成熟1、gsm模块介绍本系统gsm模块采用的是西门子公司的mc35，具有标准的工业接口，支持双频网络并且集成了sim卡，是一个能应用于移动计算机和多媒体领域的理想gprs终端。mc35模块主要由gsm基带处理器、gsm射频模块、供电模块(asic)、闪存、zif连接器、天线接口六部分组成。mc35是一个完整的无线gsm模块，本身能完成独立的功能。外部通过40管脚的zif连接器对mc35模块进行控制，从而实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。mc35的内部结构如图3.14所示。图3.14 mc35内部结构图 mc35模块通过串口与de1开发板进行数据传输，从而实现fpga对mc35模块的控制。mc35的串口为一个全双工串口，考虑到设计接口的简单性，本设计采用两线（rxd、txd）与fpga的uart1进行连接。mc35的通信是通过at指令来实现的,at指令是美国为调制解调器制定的一种指令语言,它是单条指令语言,每条指令都以at开头（除指令a/以外）,这里主要利用了mc35的发送和接收短消息功能,它采用gsm网络来传输信息。程序用到的部分at指令见表3.3。表3.3 gsm中常用at指令指令功能返回的正常信息at测试mc35是否可以正常工作okat+cmgf=1设置为文本模式，此外还有pdu等模式okat+cmgd=删除sim卡中第n条短消息okat+cnmi=（手机号码）发送短消息，发送完数据后必须用ctrl+z+cmgs:at+cnmi=1.1.0.0.1设备处于接收短消息状态+cmtl:at+cmgr=读存储于sim卡中的短消息+cmgs:at+cmgi=”recread”列出sim中的短消息的内容+cmgl:2.gsm工作原理系统上电后，为使mc35进入工作状态，必须将点火信号/igt拉低电平100 ms以上。mc35模块对电源的要求较高，其典型工作电压为4.2v,由电源芯片tps5430提供，保证mc35稳定工作。mc35模块与de1开发板通过串口1，采用波特率9600bps进行双向通信。由于mc35数据逻辑高电平为2.65v，而de1开发板的i/o逻辑高电平是3.3v，二者之间需要进行电平转换。本设计采用ti公司的74hc245作为电平转换芯片，当mc35的txd向msp430发送信号时，txd经过74hc245（vcc为3.3v）转换为3.3v送入de1开发板的rxd1；当de1开发板的txd1向mc35模块发送信号时，txd1经过74hc245（vcc为3.3v-0.7v=2.6v）转换为2.6v送入tc35的rxd0，电路原理图如图3.15所示。 图3.15 de1开发板与mc35通信的电平转换原理图此模块可以完成以下三种功能：(1)、当用户不知汽车所处的状态时，可以发短消息进行查询。(2)、当汽车遇到紧急情况时，主动给用户发短消息，用户可以自主选择是否回短消息。(3)、汽车遇到紧急情况，用户通过手机发送命令开启语音监控，接听电话，监听车内声音。3. gsm在sopc builder中设置如图3.16所示：图3.16 gsm的sopc builder设置具体设置如下：gsm_uart：是uart,实现与mc35通信，即收发短消息。gsm_en_uart：是用于产生中断的，与gsm_uart相连。gsm_uart_en：是汽车油门的控制信号,实现通过手机发送命令，来开启或关闭汽车油门。gsm_led：是短消息提示灯。当有短消息的传输时，会点亮。3.1.6继电器控制车门油门的设计 当de1接收到用户发出的相应控制指令时，de1会把相应的指令转换成电信号。当系统发出的是关闭车门的信息时，de1接到此信息后使得下图中的sw1变为低电平，使继电器1脚和6脚导通，led发光，表示系统关闭车门；当系统无需关闭车门时，sw1脚为高电平，则继电器1脚和6脚断开，led灭。当发出关闭油门的指令时，过程和上述一样。继电器控制车门油门的电路图如图3.17所示：图3.17 继电器控制控制车门油门原理图3.1.7语音监控模块的设计1、语音监控前置模块该模块与mc35一起实现设定手机对车内状况的监听及监控功能。mc35外接驻极体话筒即能实现通话的功能，但是其音量较小达不到监听的目的，因此采用运算放大器ne5532对语音信号进行滤波放大处理。语音监控电路如图3.18所示。图3.18 语音监控电路原理图驻极体话筒对声音信号进行拾取，ne5532构成两级电路，前级为固定增益为1.5倍的同相比例运算放大电路，后级为增益4倍的二阶带通波器，通频带为300hz3400khz。2、带通滤波器的电路设计ne5532的前级作输入信号的缓冲级，它是一种同相放大器，其增益为1.5(运放增益=rfro，这里rf=15 k、ro=10 k),放大倍数很小基本上相当于一射级跟随器。后极为有源带通滤波电路，电容为0.047uf，电阻r2=1.5k，r3=6.7k,并将信号分别送到放大器的反相输入端和输出端。带通滤波电路图和仿真结果分别如图3.19和3.20所示：图3.19带通滤波电路图 图3.20带通滤波电路图仿真结果经过反复测试，电源电压在12v到15v之间是电路的性能最好，因此选用12v电源为ne5532供电。运放的vcc端都外接0.1f旁路电容器对电源降噪。整个系统仿真电路图及仿真结果分别如图3.21和3.22所示： 图3.21 语音监控电路图图3.22 仿真电路图3.1.8键盘设计本系统采用4x4键盘。其键值功能分配如图3.23所示：图 3.23 4x4键盘功能图1、4x4键盘工作原理此键盘的工作原理为矩阵扫描，通过2个4位io口实现16键键盘。先进性列扫描，确定列数，再进行行扫描，确定按键值。因为每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和cpu通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接vcc，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键。如图3.24所示：图3.24 4x4键盘原理图2、4x4键盘的功能图3.25 lcd菜单显示内容由图3.25可以看出lcd所显示的菜单，可以通过4x4键盘来控制菜单的进度，以完成所需完成的操作。0-9数字键：可以修改手机号码和密码。其他功能键：完成确认，删除，翻页，返回，退出功能。3、键盘在sopc builder中的设置如图3.26：图3.26键盘在sopc builder中的设置kb_te：输出值，用于列扫描时，确定列数kb_data：输入值，根据行扫描和列扫描，共同确定键值。3.1.9电源模块设计 电源模块用于给系统中的其它模块供电，其中gps模块工作电压为3.3v，gsm模块工作电压为4.2v。图3.27 12v转换为3.3v流程图如图3.27所示，12v的电源电压通过lm7805转换成5v，再通过1117_3.3芯片转换成3.3v为gps模块供电。 图3.28 12v转换为4.2v流程图 如图3.28所示，12v的电源电压通过tps5430转换成4.2v,提供给gsm模块。 1、电源模块电路图图3.29 12v转换为3.3v电路图图3.30 12v转换为4.2v电路图图3.30中，tps5430是ti公司推出的一款输出电流为3a、输出电压可调的dc/dc电源芯片，该芯片给mc35模块供电。mc35模块典型工作电压为4.2v，最大电流2a。根据tps5430的输出电压公式：r4=(r5-1.221)/(v-1.221)，在电路中使用r4=4k欧，r5=10k欧,输出电压为4.2v。3.1.10 sd卡音乐播放模块设计由于在de1开发板中设计sd卡音乐播放模块时，出现声音失真，本系统增加使用一块fpga开发板（ep2c8+sram），利用该fpga开发板实现对sd卡的读操作功能，将sd卡中的报警音等wav格式音乐读出，并发送到de1开发板中，通过wm8731进行音频解码。1. sd卡音乐播放系统的工作原理 在本模块中，音乐保存在sd卡中，niosii处理器从sd卡中读取音乐数据并通过cd音质的音频编/解码器wm8731播放音乐。音频编/解码器被配置为从模式，需要外部电路为其提供a/d转换器（或d/a转换器）、串行时钟（bck）及左/右通道时钟（lrck），如图所示，用一个音频dac控制器产生时钟及数据控制信号，然后将这个音频dac控制器集成到avalon总线上，niosii处理器通过avalon总线来控制音频dac控制器，如图3.31所示。niosiicpui2c音频配置音频dac控制器adc至dac旁路音频codeclineoutlineinmicin图3.31 sd卡音乐播放器原理框图正常工作时，niosii处理器不断检查音频dac控制器的fifo存储器是否已满，如果dac控制器的fifo存储器未满，则处理器从sd卡中读取512字节的音乐数据，然后通过avalon总线将数据送给fifo存储器。音频dac控制器采用48khz的采用速率向音频编/解码器及时钟控制信号。设计同时将麦克风输入及线路的音频信号与播放器产生的音频信号混合后输出，以产生类似于卡拉ok的效果。2.根据电路图选择传输方式：如图3.32所示（1）sd bus物理层定义：数据线的定义dat0-dat3 ：数据传送cmd ：进行cmd 和respons clk ： host时钟信号线了vdd vss ：电源和地 （2） sd总线的访问状态有3态commond：启动操作的会话，由host从cmd连线传送到卡类设备。response：响应cmd的会话，由卡类设备由cmd连线传送至host。data：在host与卡设备间传送数据的双向数据流，物理链路为data0-data3。需要注意的是，每一个完整的操作都需要一个cmd来启动，根据不同的cmd 有相应的data和commond。图3.32 sd卡电路图3. 为sd卡建立sopc builder图3.33 sd卡的sopc builder设置3. audio时钟的锁相环设计 audio播放音乐需要的时钟频率是18.432mhz。可以通过输入27mhz的时钟，进行如图3.34的设置，得到所需要的18.432mhz时钟。图3.34 audio pll的设置图3.2 pc显示中心硬件设计pc显示中心由fpga(ep2c8q208)、gsm模块(m22)、max3232以及pc机地图软件组成，主要完成车辆定位显示功能，其原理框图如图3.35所示。当用户需要进行车辆定位时，通过向车载监控端发送定位指令，车载监控端将定位gps数据以短消息方式发送到pc显示中心的m22模块，显示端的控制核心ep2c8q208通过串口读取短消息内容，并提取其中的gps数据，然后通过串口0将gps数据发送到pc机上，用户可以通过gps地图软件直接查询车辆的具体位置。图3.35 pc显示中心结构图1、fpga供电电路pc显示中心控制核心采用altera公司的fpga芯片ep2c8q208，该芯片工作电压为3.3v，核电压为1.2v。3.3v电源由凌特公司lt1764提供，1.2v电源由fairchild公司fan1112提供，其