北斗衛(wèi)星定位車載終端技術(shù)方案設(shè)計(jì)

.PAGE8/NUMPAGES8北斗衛(wèi)星定位車載終端技術(shù)方案三、技術(shù)原理北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)〔CNSS,是除美國的全球定位系統(tǒng)〔GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),其建設(shè)與發(fā)展則遵循開放性、自主性、兼容性、漸進(jìn)性。北斗衛(wèi)星定位車載終端采用了多模塊化、組合式優(yōu)化設(shè)計(jì),內(nèi)置高性能芯片,各模塊之間的接口采用標(biāo)準(zhǔn)接口,充分利用系統(tǒng)平臺(tái)、移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)絡(luò),將汽車行駛記錄儀、衛(wèi)星定位、衛(wèi)星導(dǎo)航、油耗檢測(cè)功能集于一體,通過無線數(shù)據(jù)通訊接口〔GSM、GPRS、CDMA和GPS接口,能與監(jiān)控中心系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和移動(dòng)位置的定位,能夠滿足用戶的多種需求。除具有傳統(tǒng)行駛記錄儀的功能外增加了定位導(dǎo)航、監(jiān)控跟蹤、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送、油耗檢測(cè)等功能,并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)管、調(diào)度,遇險(xiǎn)報(bào)警遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,徹底改變了現(xiàn)有汽車行駛記錄儀只能實(shí)地監(jiān)管、事后監(jiān)督的弊端；GPS/北斗2雙模衛(wèi)星定位模塊,可以靈活配置信號(hào)處理通道工作于單GPS模式,或單北斗2模式,或GPS/北斗2混合模式；兼容目前現(xiàn)有的GPS單模定位,且能實(shí)現(xiàn)雙模捕獲、雙模跟蹤更加智能化、集成化。因此,基于以上原理設(shè)計(jì)的衛(wèi)星車載終端監(jiān)控系統(tǒng),大大超出了傳統(tǒng)行駛記錄儀的功能,具有極為光明的發(fā)展前景。四、設(shè)計(jì)方案〔一設(shè)計(jì)原則1、先進(jìn)性和適用性相結(jié)合系統(tǒng)采用成熟的高新科技,以目前較為先進(jìn)的方法實(shí)現(xiàn)需要的功能,保證系統(tǒng)具有深厚的發(fā)展?jié)摿?在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)具有領(lǐng)先水平。2、通用性和安全性相結(jié)合在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,均留有相應(yīng)的通信接口,系統(tǒng)的各個(gè)模塊構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)在交換和共享的過程中,充分考慮到了系統(tǒng)的安全性。對(duì)每一個(gè)用戶的權(quán)限有嚴(yán)格的認(rèn)證〔司機(jī)卡身份識(shí)別體制,對(duì)每一個(gè)用戶的權(quán)限進(jìn)行分級(jí)控制和限定。3、安全可靠性在經(jīng)濟(jì)條件允許范圍內(nèi),從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方案<考慮到非法用戶及病毒入侵,數(shù)據(jù)采用糾錯(cuò)冗余技術(shù)>、技術(shù)保障等方面綜合考慮；系統(tǒng)盡可能地采用成熟的技術(shù)、商品化的軟硬件產(chǎn)品,保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。4、實(shí)用性整個(gè)系統(tǒng)的操作以方使、簡(jiǎn)捷、高效為目標(biāo),多操作平臺(tái)整體設(shè)計(jì),統(tǒng)一操作,既充分體現(xiàn)快速反應(yīng)的特點(diǎn),又能便于工作人員進(jìn)行業(yè)務(wù)處理和綜合管理,便于運(yùn)輸交通管理層及時(shí)了解各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)信息和決策信息,便于執(zhí)法部門的遠(yuǎn)程監(jiān)督。5、可擴(kuò)展性考慮到業(yè)務(wù)功能在不斷發(fā)展、變化,因此要求系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、容量、通信和處理能力等方面具有可擴(kuò)充性和升級(jí)能力?！捕O(shè)計(jì)依據(jù)1、多樣化的完備的授權(quán)模式能夠滿足賬戶和權(quán)限管理上的各種需求2、中華人民XX國道路交通安全法3、公安部道路交通違法信息代碼4、公安部道路交通違法數(shù)據(jù)交換格式5、公安部道路交通機(jī)動(dòng)車違法信息規(guī)范6、符合國家關(guān)于車載終端管理要求<試行>7、參考國家關(guān)于危險(xiǎn)品車輛運(yùn)輸要求規(guī)范8、產(chǎn)品和系統(tǒng)同時(shí)符合公安交警部門制定的信息采集和聯(lián)網(wǎng)傳輸要求。9、衛(wèi)星車載終端監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),確保系統(tǒng)能搭載今后拓展功能。五、實(shí)施方案及采取的關(guān)鍵技術(shù)措施〔一硬件系統(tǒng)主要元件的選擇及電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)想功能,主控板通過串口接口完成與GPRS和GPS數(shù)據(jù)交換,GPRS與GPS都有獨(dú)立的CPU串口接口。與鐵電存儲(chǔ)器及FLASH連接可保存用戶設(shè)置資料；主控板電源有高壓〔大于30V保護(hù)電路,耐壓可達(dá)100V左右。主控板上開關(guān)電源電路,分別給GPRS模塊和GPS模塊供電。電源邏輯開關(guān)控制GPRS模塊和GPS模塊的電源。后備電池電路保證主電源斷電的情況下,繼續(xù)給主控板一定時(shí)間的供電。后備電池電路具有自充電功能?？蓹z測(cè)多路開關(guān)信號(hào),并可進(jìn)行油路控制?？蓹z測(cè)主電源斷電和主電源欠壓。硬件系統(tǒng)組成：主機(jī)部分、通信部分、定位模塊部分、顯示及打印擴(kuò)展通信接口部分、傳感器接口五部分組成：〔1主機(jī)部分包括ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)接口組成；〔2通信部分主要由RS232接口和華為EM310無線通信模塊組成,其中無線通信模塊EM310用于車載終端同監(jiān)控中心之間的通信；〔3定位模塊采用GPS/北斗雙定位模塊<CC50-BG或UM220>,其主要是對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；〔4顯示及打印擴(kuò)展通信接口,可外接調(diào)度屏或手柄；〔5傳感器信號(hào)主要是ACC油路,溫度,車速,空調(diào)、劫警等信號(hào)。1、ARM處理器的選擇本系統(tǒng)采用STM32F103VCT6芯片作為核心信號(hào)處理器,該芯片大容量片內(nèi)存儲(chǔ)器,它采用3.3V電壓供電,功耗低,寬電壓范圍。CPU與北斗接收模塊、GPRS通信模塊之間采用串行通信?；贑ortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列芯片是新型的32位嵌入式微處理器,它是不需操作系統(tǒng)的ARM,其性能遠(yuǎn)高于51系列單片機(jī)；提供很高的代碼效率,該系列微處理器工作頻率為72MHz,內(nèi)置高達(dá)128K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20K字節(jié)的SRAM,具有豐富的通用I/O端口。STM32F103系列微處理器主要資源和特點(diǎn)如下：多達(dá)51個(gè)快速I/O端口,所有I/O口均可以映像到16個(gè)外部中斷,幾乎所有端口都允許5V信號(hào)輸入。每個(gè)端口都可以由軟件配置成輸出〔推挽或開漏、輸入〔帶或不帶上拉或下拉或其它的外設(shè)功能口?！?2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,多達(dá)16個(gè)外部輸入通道,轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1MHz,轉(zhuǎn)換范圍為0~36V；具有雙采樣和保持功能；內(nèi)部嵌入有溫度傳感器,可方便的測(cè)量處理器溫度值。〔3靈活的7路通用DMA可以管理存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器、設(shè)備到存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸,無須CPU任何干預(yù)。通過DMA可以使數(shù)據(jù)快速地移動(dòng),DMA控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理,避免了控制器傳輸?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)結(jié)尾時(shí)所產(chǎn)生的中斷。它支持的外設(shè)包括：定時(shí)器、ADC、SPI、I2C和USART等。〔4調(diào)試模式：支持標(biāo)準(zhǔn)的20腳JTAG仿真調(diào)試以及針對(duì)Cortex-M3內(nèi)核的串行單線調(diào)試〔SWD功能。通常默認(rèn)的調(diào)試接口是JTAG接口?！?內(nèi)部包含多達(dá)7個(gè)定時(shí)器,具體名稱和功能如表1所示?！?含有豐富的通信接口：三個(gè)USART異步串行通信接口、兩個(gè)I2C接口、兩個(gè)SPI接口、一個(gè)CAN接口和一個(gè)USB接口圖2STM32F103引腳功能圖圖3CPU外部接口電路2、通訊部分EM310無線通訊模塊負(fù)責(zé)移動(dòng)車輛和監(jiān)控中心的雙向通信,車輛的狀態(tài)信息即通過無線通訊模塊發(fā)送到監(jiān)控中心,因此,信息傳輸是否及時(shí)、可靠是衛(wèi)星車載終端監(jiān)控系統(tǒng)性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。GPRS的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),具有系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單、不易掉線、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用GPRS短信息通訊方式,北斗車載的定位數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換利用GPRS通信模塊的短信息信道傳到監(jiān)控中心,監(jiān)控中心亦通過GPRS短信息信道向車輛發(fā)送指揮調(diào)度信令。GPRS短信息通訊方式,具備GPRS語音調(diào)制方式,覆蓋范圍廣、容量大的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)短信息業(yè)務(wù)具備傳輸速度快、不影響語音通話、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),因此本系統(tǒng)即應(yīng)用其SMS<短消息服務(wù)>作為通訊系統(tǒng)的首選方式。EM310無線通訊模塊,它具有標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口,支持語音、數(shù)據(jù)以及短消息<SMS>,并能適應(yīng)較寬的電壓范圍,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要使用其短消息發(fā)送接收功能。軟件控制方面,使用AT指令對(duì)EM310模塊進(jìn)行控制。3、定位部分GPS/北斗雙定位模塊的主要功能是實(shí)時(shí)接收BD2和GPS導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào),提取原始觀測(cè)量并解調(diào)數(shù)據(jù),通過衛(wèi)星電文分析及數(shù)據(jù)處理,完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的各項(xiàng)功能。主要包含三個(gè)功能單元,即RF前端、基帶信號(hào)處理和應(yīng)用處理單元,其功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：圖3GPS/北斗雙定位模塊功能結(jié)構(gòu)圖RF前端單元包含了從天線到數(shù)字信號(hào)處理器之間的所有部件,其主要功能是將定位衛(wèi)星射頻信號(hào)變換為信號(hào)處理器工作范圍內(nèi)的中頻信號(hào),盡可能抑制多徑干擾和帶外干擾,同時(shí)將信噪<信號(hào)和噪聲>提高到信號(hào)處理器可工作的電平,并提供一定的信號(hào)變化動(dòng)態(tài)范圍。其中預(yù)放<前置放大器>將直接影響接收信號(hào)的信噪比,一般采用噪聲系數(shù)小、增益高和動(dòng)態(tài)范圍大的放大器。信號(hào)處理單元是GPS/北斗雙定位模塊的核心,主要功能是從多址信號(hào)中分離識(shí)別各衛(wèi)星信號(hào),對(duì)擴(kuò)頻衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)；在恢復(fù)信噪比的基礎(chǔ)上解調(diào)載波,消除頻率偏移<包括多普勒頻移等>的影響,恢復(fù)基帶信號(hào)；最后將相關(guān)解擴(kuò)、解調(diào)處理的歷元時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的碼狀態(tài)、載波及相位狀態(tài)形成原始觀測(cè)量,與定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)一起傳送給應(yīng)用處理單元,對(duì)信號(hào)處理模塊提供實(shí)時(shí)控制,并對(duì)其輸出作進(jìn)一步的處理,解算出位置、速度、時(shí)間<PVT>和其他信息以滿足各種應(yīng)用的要求。當(dāng)GPS/北斗雙定位模塊與定位衛(wèi)星通信正常時(shí),我們可以得到如下格式的定位數(shù)據(jù)：$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,,,,〈11〉,<12>,<CR><LF>各字段代表的意義如下:$GPGGA,消息ID,GGA協(xié)議頭<1>時(shí)間,hhmmss.sss格式<2>緯度,ddmm.mmmm格式<3>N/S指示,N=北,S=南<4>經(jīng)度,dddmm.mmmm格式<5>E/W指示,W=西,E=東<6>定位指示,0；沒有定位；1:SPS模式,定位有效；2:差分,SPS模式,定位有效；3:PPS模式,定位有效<7>衛(wèi)星數(shù)目,范圍0到12<8>水平精度因子<9>天線高度<10>大地橢球面高程<11>差分ID圖4模塊外圍接口電路4、顯示部分車載調(diào)度屏配接定車載位終端主機(jī),用于通話、打印、短信通信和終端設(shè)置；主要功能有收發(fā)短信、閱讀短信、打印、撥打接聽〔免提電話、車輛調(diào)度、USB等功能；終端在完成將車輛狀態(tài)信息向監(jiān)控中心傳送的同時(shí),車上的顯示部分也將顯示出各個(gè)狀態(tài)量,以供駕駛員參考,液晶模塊顯示這些信息,主要包括駕駛員編號(hào)、車輛的經(jīng)緯度、行駛速度、實(shí)時(shí)時(shí)間等,是人機(jī)交流的窗口,具有操作簡(jiǎn)便、安全可靠、一目了然等特點(diǎn)。5、聽筒與麥克風(fēng)接入單元聽筒與麥克風(fēng),作為系統(tǒng)的音頻輸入和輸出部分。由于GPRS芯片內(nèi)部已包括對(duì)于音頻的處理,通過MC34119芯片放大后,由音頻接口輸出。6、電源電路車載終端的供電電源為車載蓄電池,供電電壓9~24V。終端各個(gè)組成部分對(duì)輸入電壓的要求依次為：CPU電壓3.3V,GPS模塊需要5.0V,GPRS通信模塊要求3．8V,因此必須專門設(shè)計(jì)電源電路以滿足各組成部分的要求。如圖CPU供電電路：圖5CPU供電電路圖6GPRS模塊供電電路圖7北斗模塊供電電路〔二系統(tǒng)平臺(tái)的軟件開發(fā)1、軟件設(shè)計(jì)原則〔1軟件設(shè)計(jì)與硬件電路設(shè)計(jì)需綜合考慮；〔2軟件設(shè)計(jì)必須保證系統(tǒng)的各個(gè)硬件功能模塊能夠協(xié)調(diào)工作,完成指定的系統(tǒng)功能；〔3各項(xiàng)功能程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模塊化；〔4合理規(guī)劃程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū),為功能的擴(kuò)展預(yù)留空間,方便今后系統(tǒng)的功能完善和軟件升級(jí)；〔5采取軟件抗干擾措施,保證系統(tǒng)更可靠的運(yùn)行。2、軟件設(shè)計(jì)方法軟件設(shè)計(jì)應(yīng)該采用模塊化設(shè)計(jì)的方法。模塊化設(shè)計(jì)就是把軟件按照規(guī)定的原則,劃分為一個(gè)個(gè)較小的、相對(duì)獨(dú)立但又相互關(guān)聯(lián)的模塊。分解、信息隱藏和模塊獨(dú)立性,是實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。"分解"是人們處理復(fù)雜問題常用的方法。模塊的接口工作量卻隨著模塊數(shù)的增加而增大。每個(gè)軟件都存在一個(gè)最小成本區(qū),把模塊數(shù)控制在這個(gè)范圍內(nèi),可以使總的開發(fā)工作量保持最小。"信息隱藏"就是指一個(gè)模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)與過程應(yīng)該對(duì)不需要了解這些數(shù)據(jù)與過程的其它模塊隱藏起來。目的,是為了提高模塊的獨(dú)立性,當(dāng)修改或維護(hù)模塊時(shí),減少把一個(gè)模塊的錯(cuò)誤擴(kuò)散到其它模塊中去的機(jī)會(huì)。"模塊獨(dú)立性"概括了把軟件劃分為模塊時(shí)要遵守的準(zhǔn)則,也是判斷模塊構(gòu)造是否合理的標(biāo)準(zhǔn)。模塊的獨(dú)立性愈高,則塊內(nèi)聯(lián)系越強(qiáng),塊間聯(lián)系越弱。3、軟件開發(fā)工具多功能車載通信系統(tǒng)是采用KEILC51進(jìn)行軟件開發(fā)的。KEILC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中,這個(gè)集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器,匯編器,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),項(xiàng)目管理器,調(diào)試器。uVision2IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。C51V7版本是目前效率最高、最靈活的8051開發(fā)平臺(tái),它可以支持所有8051的衍生產(chǎn)品。4、主程序設(shè)計(jì)流程編程語言采用C語言,實(shí)現(xiàn)的功能包括：信令的接收、處理與發(fā)送,GPS數(shù)據(jù)處理及電源控制,報(bào)警,話音業(yè)務(wù),無線通信模塊的通信,I／O口信號(hào)采集與控制等,車載終端主程序主要用來實(shí)現(xiàn)開機(jī)自檢、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作、在不同時(shí)間調(diào)用不同程序?qū)崿F(xiàn)記錄儀的各種功能。開機(jī)自檢功能主要是CPU與外圍器件,如存儲(chǔ)器RAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、顯示模塊等模塊的通信狀態(tài)檢查及實(shí)現(xiàn)對(duì)這些