劉 軍，金 蕾，張方方

（1.西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121；3.廣州致遠(yuǎn)電子有限公司 廣東 廣州 510660）

近年來，隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，越來越多的人喜歡開私車出行，所到之地也越來越廣，傳統(tǒng)的“看地圖，找地名”方式已很難為車主提供具體客觀的路況等信息，各式各樣的導(dǎo)航系統(tǒng)方興未艾。

市面上的導(dǎo)航系統(tǒng)一般只提供道路、地點(diǎn)等靜態(tài)信息，基本不提供道路擁堵及停車場車位情況等動態(tài)實(shí)時信息。而且基于Internet的實(shí)時路況查詢系統(tǒng)一般都基于個人計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)沒有嵌入式系統(tǒng)方便實(shí)用[1-2]。因此，本文利用SOPC工具進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，硬件與軟件系統(tǒng)的可裁減性，開發(fā)了一個“基于NOIS II多核智能交通車載終端”的系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用雙Nios II軟核的多種功能和特點(diǎn)，所有的控制和數(shù)據(jù)處理都是在一片F(xiàn)PGA生成的雙Nios II軟核處理器的管理下進(jìn)行，充分體現(xiàn)了高度集成的SOPC解決方案，擺脫了傳統(tǒng)軟件依賴于硬件的開發(fā)模式[3-4]。

1 系統(tǒng)組成

考慮到要向客戶提供道路擁堵情況等實(shí)時信息，該系統(tǒng)采用客戶機(jī)—服務(wù)器模式，將地圖等靜態(tài)信息存放于車載終端中，而實(shí)時的動態(tài)信息由后臺服務(wù)器在用戶發(fā)出請求后，通過無線通信模塊傳送給用戶[5-6]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System diagram

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為軟件和硬件兩大部分。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖Fig.2 Hardware block diagram of system

其中CPU1運(yùn)行應(yīng)用程序（GUI），CPU2運(yùn)行GPS模塊和GPRS模塊，CPU1與CPU2間通過3個互斥核通訊。其中GPS用于GPS模塊與GUI鍵的通訊，GPRS_TX用于 GPRS向GUI發(fā)送數(shù)據(jù)，GPRS_RX用于GUI向GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)[7-8]。

軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)框圖Fig.3 Software block diagram of system

μC/OS II是我們整個GPRS通信模塊的基礎(chǔ)，通信模塊所有任務(wù)的調(diào)度和各個任務(wù)之間的通信都是依靠μC/OS II完成的，主要用來調(diào)度Task_start（主控任務(wù)）、Task_GPS_Send（從串口接受 GPS數(shù)據(jù)并向 GUI發(fā)送 GPS信息）、Task_GPRS_Send（向 GUI發(fā)送后臺傳來的數(shù)據(jù)）、Task_GPRS_TCP_Send（向后臺發(fā)送前端服務(wù)請求）等9個任務(wù)。

μC/GUI不僅提供了豐富的界面元素（窗體，各種控件）和繪圖函數(shù)，同時也提供了很好的顏色管理和漢字支持，對硬件也提供了良好的底層驅(qū)動支持。我們的應(yīng)用程序正是基于這樣的圖形用戶接口開發(fā)的[9]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 Nios雙核處理器的設(shè)計(jì)

由于uc/GUI的調(diào)用關(guān)系復(fù)雜，地圖數(shù)據(jù)的處理過于龐大，導(dǎo)致μC/OS II調(diào)度GUI所需的堆棧太大，調(diào)度效果很不理想，于是決定拋棄μC/OS II，提出雙核設(shè)計(jì)，即滿足了 uc/GUI運(yùn)行于無操作系統(tǒng)環(huán)境中，又保證GPS和GPRS運(yùn)行于有操作系統(tǒng)環(huán)境中。設(shè)計(jì)思想如下：

第一個CPU的功能：

1）人機(jī)交互，不設(shè)置操作系統(tǒng)；

2）μC/GUI及應(yīng)用程序的運(yùn)行。

第二個CPU的功能：

1）設(shè)置嵌入式實(shí)時μC/OS II操作系統(tǒng)；

2）通過UART1串口接受前端GPS數(shù)據(jù)；

3）通過UART2（自定義擴(kuò)展）串口與GPRS模塊通信。

2個NiosII軟核通過mailbox進(jìn)行軟核間的通信。

Altera提供的雙核互斥通訊機(jī)制使用效果不能滿足系統(tǒng)要求，于是編寫了郵箱機(jī)制來實(shí)現(xiàn)雙核間的互斥通訊。

互斥信號量（mutex）是解決雙處理器爭用存儲器的關(guān)鍵。它的位寬為2x32bit（見表1）。首先將VALUE值置0x0000，RESET位賦‘1’，使能mutex。而在多核的環(huán)境中也可以用信箱（mailbox）在多核之間進(jìn)行通信，mailbox含有的互斥信號量（mutex）僅僅在同一時刻使一個CPU修改mailbox里面的內(nèi)容，基于兩者的優(yōu)點(diǎn)，在互斥信號量的基礎(chǔ)上用信箱的方式來解決雙處理器爭用存儲器的問題。下面分別是共享存儲器和信箱的結(jié)構(gòu)體：

表1 互斥信號量Tab.1 Mutual exclusion semaphore

2.2 μC/GUI移植重點(diǎn)和應(yīng)用程序開發(fā)

μC/GUI不僅提供了豐富的界面元素（窗體，各種控件），繪圖函數(shù)，以及顏色管理和漢字支持，同時對硬件也提供了良好的底層驅(qū)動支持。在μC/GUI的基礎(chǔ)上，使用壓縮位圖作為存儲格式開發(fā)的智能交通導(dǎo)航系統(tǒng)界面如下：

首先定義GUIConf.h和LCDConf.h這兩個文件，GUIConf.h是μC/GUI功能模塊和動態(tài)存儲空間 （用于內(nèi)存設(shè)備和窗口對象）大小，默認(rèn)字體設(shè)置等基本GUI預(yù)定義控制的定義。LCDConf.h為LCD大小，控制器類別，總線寬度，顏色選取等LCD參數(shù)控制文件。

GUI/CORE/LCD_ConfDefaults.h文件內(nèi)可以找到所有囊括LCD配制默認(rèn)選項(xiàng)，包括LCD屏個數(shù)，控制器個數(shù)，調(diào)色板，屏幕反向設(shè)置等眾多配制選項(xiàng)。如果配備觸摸屏可以通過GUITouchConf.h進(jìn)行配制，根據(jù)觸摸屏及其控制芯片編制以下幾個函數(shù)：

void TOUCH_X_ActivateX （void）；//準(zhǔn)備 X 軸數(shù)據(jù)測量

void TOUCH_X_ActivateY （void）；//準(zhǔn)備 Y 軸數(shù)據(jù)測量

因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)的軟件中不需要測量X、Y軸的數(shù)據(jù)，所以以上兩個函數(shù)均為空結(jié)構(gòu)體；

int TOUCH_X_MeasureX （void）；//根據(jù)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果返回X的值

int TOUCH_X_MeasureY （void）；//根據(jù)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果返回Y的值

以上幾個函數(shù)在GUI_TOUCH_Exec（）會被調(diào)用，將它們寫好即可。

2.3 行程壓縮算法（RLE算法）

雖然μC/GUI自身提供了RLE算法，但解壓時要全部解壓，會占用大量的內(nèi)存和CPU，而對于本系統(tǒng)并不需要完全解壓，在地圖中主要以白色為主而且是連續(xù)的，因此采用了類RLE算法，即只壓縮白色像素，以壓縮率的微弱降低來換取更快的壓縮速度，而且在解壓時采用部分解壓，即只解壓屏幕上顯示部分，大大減少了內(nèi)存使用量。在實(shí)際操作中制作的地圖達(dá)4.1M，而Altera的DE2板子的Flash只有4M，如果不采取壓縮算法，地圖根本無法運(yùn)行，經(jīng)過類RLE算法，地圖壓縮到了2.45M，節(jié)省了DE2板的Flash。

圖4 導(dǎo)航系統(tǒng)界面Fig.4 Navigation system interface

2.4 客戶端-服務(wù)器模式的應(yīng)用

服務(wù)器端軟件是由Microsoft SQL2000和Microsoft Visual Studio.NET 2003完成的，數(shù)據(jù)庫中主要包括的是酒店、商場、醫(yī)院、車站、加油站及道路等信息，而.NET主要完成了界面的設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理等。后端服務(wù)器軟件的登陸界面如圖5所示。

由于后端服務(wù)器可以實(shí)時的將路況的信息反饋給車主，本車載終端可用作交通部門的數(shù)據(jù)采集終端，假設(shè)交通部門裝配了一定數(shù)目的該系統(tǒng)（比如安裝在公交車、出租車上），則交通部門可以通過該車載終端發(fā)送的位置信息 （當(dāng)然，用戶也可以不發(fā)送）了解道路擁堵情況。算法設(shè)計(jì)如下：

N為某條道路S上裝配該設(shè)備的車輛數(shù)目；

圖5 后端服務(wù)器軟件登陸界面Fig.5 Back-end server software interface

R為這些車輛的平均行駛速度（一定時間內(nèi)，該時間會大于紅綠燈的紅燈時間，以免造成誤判斷）；

R0為該路段限速最大值。

若R＜＜R0且N大于一定數(shù)目 （減少可能存在的司機(jī)停車情況對結(jié)果的影響），我們可以認(rèn)為該路段擁堵，R越小則擁堵越嚴(yán)重。

3 結(jié)束語

為了更好的將道路實(shí)時信息反饋給車主，方便車主與控制中心聯(lián)絡(luò)和通信，本系統(tǒng)外置了GPRS模塊，通過串口和FPGA中的NiosII軟核聯(lián)系。車主可以直接發(fā)送服務(wù)請求給后端的監(jiān)控中心，并獲得相關(guān)的服務(wù)，同時后端通過采集道路信息而及時了解道路交通情況。由于SOPC系統(tǒng)構(gòu)件中硬件和軟件的可裁剪性，使得系統(tǒng)開發(fā)過程中軟硬件設(shè)計(jì)可以協(xié)同開發(fā)，幾乎可以同時開始和同時完成，優(yōu)勢明顯，加快了產(chǎn)品上市的進(jìn)程，并可以保持一個較長的產(chǎn)品生命周期[10]。即使在開發(fā)過程中需要修改一些定義，也只需重新生成新的NiosII內(nèi)核，對于其他的外圍器件或者是NiosII程序沒有任何影響。

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