基于GSM和GPS技术的汽车防盗系统设计(毕业论文).doc

四川理工学院毕业设计 汽车防盗系统设计学 生：方 伟学 号：09021020204专 业：电子信息工程班 级：2009.2指导教师：曾 翔四川理工学院自动化与电子信息学院二一三年六月汽车防盗系统设计摘要：本文提出了一种基于GSM技术和GSM技术的汽车防盗系统设计方案。该系统主要由主控模块、GPS模块、GSM模块和传感器模块组成，本系统采用MSP430F149单片机作为控制核心，首先将传感器采集到的信号送入单片机MSP430单片机进行处理，驱动报警器工作。此外，系统采用全球定位GPS模块来锁定车辆的实时信息，利用GSM模块TC35芯片，将车辆所接收的信息通过短信的方式发送给用户手机。该汽车防盗系统设计方案提升了车辆的防盗系数，降低了车辆被盗的机率。关键词：GPS模块；GSM模块；单片机MSP430；报警器四川理工学院本科毕业论文Design of automobile anti theft system FANG Wei(Sichuan University of Science and Engineering, Zigong, China, 643000) Abstract：This paper presents an approach based on GSM / GSM car alarm system design. The system mainly consists of main control module, GPS module, GSM module and sensor modules, the system uses the MSP430F149 microcontroller as control core, first sensor to the signal into the microcontroller MSP430 microcontroller for processing, the driver alarms work. In addition, the system uses global positioning GPS module to lock the vehicles real-time information, the use of GSM module TC35 chip, the vehicle received information through text messages sent to mobile phone users. The car alarm system design to enhance the vehicles anti-theft factor, reducing the chances of vehicle theft.Key words：GPS module；GSM module；MCU MSP430；Alarm 目录摘要IABSTRACTII第1章 引言11.1汽车防盗系统的发展和现状11.2课题背景以及研究意义21.3 本章小结2第2章 GSM/GPS技术的介绍32.1 GSM网络技术32.1.1 GSM数据业务SMS42.1.2接口AT指令格式52.1.3短消息的发送格式52.2 GPS定位技术92.3 本章小结11第3章 系统的总体方案设计12第4章 系统的硬件电路设计134.1 单片机最小系统设计134.2 GSM模块设计164.2.1 TC35芯片介绍164.2.2 GSM模块电路设计184.2.3 TC35模块中的外围电路设计204.3 GPS模块设计214.4 继电器电路244.5 报警电路254.6 传感器模块设计264.6.1 传感器的工作原理274.6.2 传感器的方案设计284.7 本章小结29第5章 系统的软件设计305.1 系统软件的需求分析305.1.1 主控模块315.1.2 主要的子程序模块设计325.2 GPS通讯协议365.3 防盗系统中的工作程序与精度以及实时的分析375.4本章小结37第6章 结束语39致谢40参考文献41附录I材料清单42附录II总机电路图44附录III源程序代码45第1章 引言1.1汽车防盗系统的发展和现状伴随着电子信息技术的高速发展与普及，使得信息技术、传感器技术、数据通信技术、网络技术、以及计算机处理技术和控制技术等等有效地统一运用到汽车防盗技术上来，从而使汽车防盗技术的高度智能化和功能多样化。当前，随着汽车电子技术的不断发展，汽车防盗设备从它的结构和功能可分为四个种类：早期的机械式防盗器、电子式防盗系统、芯片式防盗系统、基于GSM/GPS的网络式防盗系统。四者比较，各有各的优势，但是汽车防盗技术的长远发展方向是向智能化程度更高的芯片式和网络式开发研究。汽车防盗技术发展到现在已经经历了四代。按其结构可以分为四大类：机械式、机电式、电子式和无线电式。（1）机械式防盗装置常见的机械式防盗装置有：车轮锁、排挡锁和方向盘锁等。他们的优点是价格低廉、使用操作简单。缺点是安全性低、只能防盗不能报警、附加功能少。（2）机电式防盗装置一般的机电式防盗装置比如中央门锁，它是以机电装置来控制门锁的打开或者锁住，这个装置目前在车辆上最为普遍。（3）电子式防盗装置电子式防盗器是指电子防盗系统是在机电式中央门锁的框架结构上添加了防盗系统的控制电路，以达到门锁防盗并同时报警。电子式防盗器也是现在市场上比较理想的防盗器。比如插片式和按键式还有遥控式这些都属于电子书防盗器。它们的优点是可以远距离遥控防盗器的所有功能，使用方便。其优缺点是：报警性能灵敏但解码很容易做到，容易被破解。（4）无线电式防盗装置目前的无线电防盗器是基于无线射频识别技术的，其中最基本的原理是通过它的无线电识别。其防盗系统由无线答应器、无线接收器、微芯片电路、解读器组成。缺点密码容易被破解。还有就是目前最为先进的基于GPS卫星网络汽车防盗系统。其中GPS卫星定位防盗系统把报警信息和车辆的地理位置信息以短信的方式传送给车主手机终端，达到车辆定位的功能，既防盗又报警。优点：功能众多，安全性高，可靠方便。1.2课题背景以及研究意义现在国内的经济社会的高度发展和人民百姓的生活水平大大提高，促使汽车成为人们生活中的必需品，据调查显示我国的汽车拥有量正在以每年百分之二十的速度不断增长。但也促使汽车被盗的案件频频发生。就全国来说，汽车被盗案件也是发生率较高的犯罪案件。因此，汽车防盗装置已经成为车辆必不可少的一部分。目前的汽车防盗装置主要有机械式和电子防盗报警装置以及GPS汽车防盗系统这三类。国内已经建成覆盖全国的GSM数字移动通信网，这也是国内一大部分的移动信网络的主要方式。基于GSM技术的汽车防盗系统是运用了汽车防盗报警技术和移动通信技术的总合，在标准的防盗报警器系统的基础上，把它和GSM移动通讯模块通过串口链接，位于车上的感受器感知到异常情况时，会做出防盗措施，同时会发车警告信息，就可以通过GSM移动通信网络来通知车主，其优点是：及时、准确、有针对性、还可向报警服务中心发出报警。还可以突破地域的限制，从而实现通信网络内的有效控制，有覆盖范围广的特点1。所以，增强汽车防盗功能的重要方法是发展网络化以及信息化的汽车防盗系统，确保车辆具有很强的防盗，报警功能。而本论文研究的基于GSM通信网络的汽车防盗系统正是符合这个发展方向的，它运用了覆盖范围广泛的GSM通信网络，真正实现了网络化和信息化的汽车防盗报警系统，特点是，整个系统不用设立专门的报警网络，省时省力，可以很好的应用到市场上来，发展空间巨大。1.3 本章小结本章为绪论，主要介绍了防盗系统的发展现状，传统的汽车防盗设备以及结构等，还介绍了本课题的背景和研究意义。主要概括解释了汽车防盗系统的原理和工作特点以及发展过程。介绍了课题来源、研究目的以及论文的组织结构。第2章 GSM/GPS技术的介绍2.1 GSM网络技术 GSM网络既全球移动通信系统，其英文缩写为：Global System for Mobile Communications，它是欧洲电信协会在1982年制定的国际标准化的技术体制，它也是数字蜂窝系统的基础。（Digital Cellular System 1800）1982年，北欧提议成立了一个移动特别小组（Group Special Mobile）,简称GSM，用它来制定900MHz频段的公共电信业务的标准。1990年GSM 900的规范完成，在1991年欧洲开通了第一个系统，所以GSM更名为“全球移动通信系统”（Global System for Mobile Communications），自此移动通信跨入了第二代的数字移动通信系统。同一年，GSM又完成了1800MHz频段的公共电信业务的规范制定，名称为DCS1800系统。这个系统与GSM900具有相同的功能特性，所以这两个系统可统称为GSM系统2。 GSM/DCS包含于各个移动单元之中的语音传输、信息处理设施等在内的其他设施。而GSM900和DCS1800就是我们最常见的双频网络，它们都为GSM标准。它们的功能相同，但是频率不同，我国早起使用的是GSM900，随着通信网络的不断发展，我国引进了DCS1800，并且采用了以GSM900网络为基础，DCS1800网络为补充的组成方式，构建了GSM900/DCS1800的双频网，手机用户可自动切换最佳信道进行通话，使接通率达到最高。GSM系统含有以下特点：（1）GSM可以提供多种服务，包括语音业务和一些数据业务；（2）GSM系统还有容量大、通话质量较好、有短消息和电子信箱等功能。（3）GSM有比较好的保密功能，可以对移动识别码加密、用户数据加密等。（4）GSM覆盖范围广，具有越区切换和漫游等功能，还可以实现国际漫游，加大了其有效覆盖范围。2.1.1 GSM数据业务SMSSMS既是短信服务的简称，其英文缩写为（Short Message Service）。SMS是GSM移动通信技术给出的一种基本数据业务。SMS运用无线控制信道进行传输信息，经过短消息业务中心完成的存储和前转，实现了用手机发送和接受有限长度的文字信息的功能。而一条短信息最多可以含有160个英文字母或者是70个中文汉字。而SMS发展的历史上，第一条短消息是1992年在英国通过Vodafone公司的GSM网络在一台PC机发送到一部手机上的。SMS属于GSM前期阶段的标准，现在SMS已经集成到很多种的网络标准当中，比如：GSM、CDMA和TDMA以及PHS等等移动网络都是支持SMS业务的，这使得SMS成为了一项普及率很大的移动数据业务。短消息可以按照实现的方式划分为小区广播短消息CBS和点到点短消息SMS。而我们最常说到的短消息业务就是点到点的短信息。 对于点到点短消息业务中，短消息可以完成从一个移动平台传送到另外一个移动平台，短消息业务中心（SMSC）保存这些短消息信息。并且还可以在传递的同时发消息。每一个GSM网络一定要支持一个或者多个SMSC来对消息进行分类和确定它的路由。点对点短消息与小区广播短消息的不同之处就是它们的实现方式不同。而点对点的短消息是GSM其实标准定义的业务，它是通过信道传递的，在没有业务信道呼叫时使用独立专用控制信道SDCCH，其英文缩写为（Stand-alone Dedicated Control Channel）。当有业务信道呼叫时使用满伴随控制信道SACCH，其英文缩写为（Slow Associated Control Channel）。因为短信息的传递使用信令信道，所以数据速率是很有限的。点对点短消息是一项很基本的电信业务，它也可以作为信息数据传送的载体，比如信息点播服务，远程数据采集等3。点到点的短信业务就是通过移动台发起的短信业务（MO）和移动台的终止短信息业务（MT）把一条短消息从一个移动平台发送到制定的目的地址的业务，但是被发送的信息经过编码后消息长度不超过140个字节，短消息通过短消息中心的存储和转发来完成短消息的收发的，而其中的短信中心是独立于GSM网络的一种业务系统，它的主要功能是：提交、存储、转发短消息、以及完成与公共电话交换网（PSTV）、因特网等网络的互通，以达到实现来自其他短消息实体SME（Short Message Entity）。对于小区广播短消息业务而言，是指通过发送短消息的基站对指定的区域中所有的短消息用户发送短消息业务，本业务把发送的短消息编码后，将短消息的长度增加为每页含有82个字节，并且最多只能发送15页之多的信息。小区广播短消息业务是把消息传送给该小区内的移动平台，比如常见的路况、天气预报、股市行情等消息。2.1.2接口AT指令格式由于AT指令为一个借口标准，因此它的命令和返回值以及格式都是固定不变的，所以说AT指令有四种形式：（1）如“AT+Cxx=”作为测试命令，完成此命令将返回此命令所支持的参数和参数范围。（2）“AT+Cxx”作为读命令，执行这个类型的命令将返回此命令当前的参数值。（3）“AT+Cxx=”作为写命令，完成本类型的命令将设置本命令的参数值。（4）“AT+cxxx”作为无参数的命令。对于编写程序，来比对TC35回送值来确定TC35工作是否正常非常重要。在本论文中： 表示ASCII回车字符，值是0x0D。 表示ASCII换行字符，值是0x0A。 表示ASCII空格字符，值是0x2D。 表示ASCII文件结束字符，值是0x1A。这些命令的返回形式为：Response。2.1.3短消息的发送格式短消息发送方式是取决于网络中的SMSC所支持的接口。欧洲通信技术标准委员会（ETSI）所制定的短消息发送协议里，定义了三个接口协议：块模式和文本模式和以及PDU模式，运用于移动台与终端设备两者互相通过异步接口传送短消息的信息数据，本论文中采用的是PDU模式。对于PDU模式而言，GSM短消息起初的设计是用于发送英文字符消息的，它所支持的字符集为7位编码，用它来表示英文字母的信息足够了，但是要表示我们中文的信息，7位编码是不够的，所以要采用PDU模式。PDU模式把组装短消息TPDU的工作任务，留给应用系统来完成。这个模式使得AT指令能够很方便的组建更多的PDU，比如那些不但可以传送二进制数据还能传送字符数据的PDU。这种模式使得AT指令集显得非常方便。PDU模式含有3种编码方式，其中分别为：7bit编码、8bit编码、16bit编码。既为7位、8位、16位编码，分别来看，7位编码用于发送普通的ASCII字符，8位编码大都用于发送数据消息，例如发送图片和音乐等，16位编码则用于发送Unicode（统一码）字符。在使用这三种编码方式的时候，可发送最大的字符分别为160和140以及70。Unicode可以简称为UCS（Universal Character Set），UCS含有两种格式，分别为：UCS2、UCS4。而UCS2是用2个字节编码的，UCS4是用4个字节编码的。Unicode英文缩写（UCS），它是一个字符集，规定了怎样运用多个字节来表示各种类型的文字信息，也可以看作为内码。但UTF英文缩写为（UCS Transformation Format）它是一种编码方式，因为Unicode不适合在所有的场合直接传输和处理。所以采用UTF编码方式。要怎样才能传输Unicode码，是根据UTF的规范来规定的，比如U7F-7、U7F-8和U7F-16这些常用的UTF规范。（1）UTF 7编码7位编码是用于处处理那些普通ASCII字符的，一般数字和英文字母的ASCII码的2进制编码的最高位一般都为0。在UTF 7条件下处理ASCII字符的时候还需要补位。补位的规则为：把后面一字节从尾取位补到前一字节的开头，补到8位。使用该编码方式时，一条短信中的最大容量为160个非中文字符。（2） UTF 8编码UTF8就是8Bit为单元对Unicode执行编码，ASCII码不会变换，其他的字符会变长编码。每个字符为：13byte。 Unicode 16进制 UTF8 二进制 0000007F 0xxxxxxx 008007FF 110xxxxx 10xxxxxx 0800FFFF 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx使用8位编码可以发送任意的2进制数据，所以常常用来传送音乐或者图片等数据信息。（3）UTF 16编码 UTF16是以16位作为单元对UCS执行编码。UTF 16可以作为UCS2的一个集合。而对于那些小于0X10000的UCS码，UTF 16编码就相当于UCS码对应16位的无符号整数。对于大于等于0X10000的UCS码，它定义了一种算法。就目前来说，由于实用的UCS2和UCS4的码值都是小于0X10000的，因此可以说UTF16和UCS2是基本相同的。而UCS 2他只是一个编码方案，但UTF 16却是运用于实际的传输中，所以必须得虑字节序了。UTF16的字节序分为大尾序和小尾序两种。大尾序是说传输和存储的时候高位在前，低位在后。但是小尾序则是低位在前高位在后。在PDU模式发送短信时，使用的是大尾序。用PDU模式发送短消息，比如发送一条内容为“你好”的短消息，具体操作如下：首先设置采用PDU模式来送短信，编码指令为AT+CMGF=。然后再输入发送指令和数据长度，编码指令为:AT+CMGS=32。然后GSM模块返回一个“”号，其执行指令为：。最后再输入PDU的数据串和结束字符“”，其执行指令：08916883108501505F011000B913158067045F50008A71200680065006C006C006C006FFF0C4F60597DFF01。在上文中的执行指令中PDU数据串的含义做以下的分析，PDU的数据串按照结构分为信息头与信息体这两部分，信息头其中含有短信中心的号码和信息类型以及被叫地址、字符集选择信息等等，这些信息都是按8位字节的16位进制数，还有半八位字节的十进制数，而它的信息体信息内容是以Unicode格式编码的。比如下面执行命令： 08-91-683108501505F0-11-00-0B-91-3158067045F5-00-08-A7-12-00680065006C006FFF0C4F60597DFF01 分析其中的含义，有以下几条。（1） “08”是指短信息中心的地址长度。就是（91）加上（682108501505F0）的长度，它共有八个字节。（2）“91”是短信息中心的号码类型。91是说明TON/NPI执行了international.164标准，是指在号码的前面还要加上“+”号，除此之外还要有其他数值，但91最为常用。91H=10010001B。它的数值类型：001国际、010国内、111作为扩展。（3）682108501505F0是指信息中心的号码。号码必须要奇偶换位，并且当长度为奇数时需要在尾部补上F然后换位。而它的实际号码应该是：8611380551500。以上三条命令都是短消息的中心地址（address of the SMSC）。（4）“11”是指文件头字节。其中11H=00010001B。其应答路径为TP-RP(TPREPLY-Path)，0为不设置，1为设置。其用户数据头标识TPUDHI：0为不报告，1为需要报告。有效期的格式为TP-VPF(TP-Validity-Period-Format)其中00是不提供，10是整型，01为预留，11为提供八位字节的一半。拒绝复制TP-RD（TP-Reject-Duplicates），其中0为接受复制，1为拒绝复制。（5）“00”是指信息类型（TP-Message-reference）。（6）“0B”是指被叫号码的长度。（7）“91”是指被叫号码的类型。（8）“3155867045F5”是指被叫号码。它与消息中心的经过了相同的处理。其中（6）、（7）、（8）都为目的地址。（9）“00”是指协议标识TP-PID（TP-pr0otocol-idengtifer）。其中当最高两位为10时，表示预留，为11时，表示为服务中心的特殊用途分配。所以通常将这两项置为00。（10）“08”表示数据编码方案TP-DCS（TP-）其中最高两位一般设置为00，而Bit No5中0表示没有被压缩，1表示文本以GSM标准压缩算法来压缩，bit No 4中0说明Bit No 0是保留位，不含有信息类的信息，1说明Bit No1和Bit No中0有信息类的信息。Bit No3和No 2中00表示默认的字母表，01说明是8bit，10在说明是UCS2也就是16bit的，11表示预留。Bit No1和Bit No 0中00表示class0,而01表示class1,10表示class2,11表示class3。（11）“A7”的有效期为TPVP(valid-period)(12)“12”表示用户的数据长度为 TPUDL，用户数据的长度是18个字节（12H）。(13)“066800636C00600C6FFOC3F60596DFE01”表示用户数据 TP-UD(TP-USER-DATA)的“Hello，你好！”。当它采用UTF-16编码时，所有的字符都是以2个字节来表示，数字以及英文字母的unicode码的低字节为它的ASCII码，高字节是以0X00来填充的，比如字符“h”表示00680。还有“4F60”与597D分别表示汉字“你好”、“好”的unicode码值。2.2 GPS定位技术GPS其英文缩写Navigation Satellite Timing and Ranging、Global Postioning System。其含义是：利用卫星进行实时测量和测距信息采集，使得构建成全球的定位系统。目前国际上都已经公认全球定位系统的简称为GPS4。GPS定位系统分为三部分：一是空间部分，它就是GPS卫星星座；二是地面的控制部分，即地面上的监控系统；三是用户的设备部分，就是其GPS信号接收机。三者含有各自独立的功能、作用。以下分别介绍三部分的组成结构。（1）GPS卫星其空间部分是由24个GPS卫星组成的。24个卫星是均匀分布于六个轨道的平面内的。每个轨道的平面内，每个卫星之间的升角相差九十度，相邻轨道间的卫星必须要互相岔开四十度。GPS卫星星座的这种分布方式还可以保证全球的均匀覆盖任务。而位于地面上空的卫星数量随着时间与地点不同变化时，最少可以看到4个卫星，最多可以看到12个。在运用GPS信号定位时，想要计算出三维坐标和时间等信息，一定要观测4个GPS卫星，因此称它为定位星座。（2）点面监控系统在地面的监控系统主要由1个主控站和5个监测站以及3个注入站构成。主控站的工作是收集各个监控站送来的跟踪数据，计算卫星的轨道与始终叉参数并且发送到各个注入站，再转发到各个卫星去。主控站也是监控站，也有诊断卫星工作状态的功能，执行调度与调整。注入站，其主要功能是把主控站发送来的卫星和种差信号，会周期的注入到卫星的存储器中。而监控站就是一个安装了P码接收机的精密时钟，它对于所接收的卫星做连续的p码跟踪的测量，获得测量数据，传送至主控站。（3）GPS接收器GPS信号接收器的工作任务为：能捕获待测卫星的信号，此信号必须是按照一定的卫星高度截止角算选择的。并且能跟踪卫星移动运行，可以对接收到的GPS信号执行变换和放大处理，使得能测量出GPS信号从卫星至接收机天线的传送时间，编译解释GPS卫星发射的定位编码，实时的计算出三维位置和三维速度以及时间。只需要用户具备GPS信号的接收器，就能够在任何时候用GPS信号去执行卫星定位测量。2GPS卫星定位的基本原理GPS卫星定位的方式很多，最为常见的就是伪距定位法和多普莱定位法以及相位定位法等等。后两者的定位准确度较高，但是它们的制造成本很大，因此在定位GPS接收器中，大多采用伪距定位法5。这种伪距定位法是根据到达时间的测距原理。从已知的位置的卫星发射器发射信号至地面的用户接收器所需要的时间间隔乘以其信号的发送速度，就可以得出发射器至接收器的距离。要是接收器接收到很多个发射器的信号，就可以计算出接收器接收的位置。因为卫星与接收器之间的时钟差和传送延迟以及其他误差等，是不会预测出实际位置的，预测出的是伪距。而卫星时钟与接收器时钟它们的读时误差是常数。为使确定接收器的位置，接收器还要跟踪这些卫星的伪距与位置。信号传送的时间由接收器的卫星码与内部产生的复制码互相匹配的测量时间的误差所决定，因此称它为：修正。GPS的伪距定位基本原理为：卫星的不间断发送星历参数与时间信息。GPS的接收器通过接收测量范围的卫星，就可以收到关于伪距的方程，把这些方程结合它所接收的卫星星历数据，在通过计算处理，最后得出接收器的三维处理、三维方向还有运动速度和时间信息。接收器时钟偏差就是接收器的时间偏差，对于每一个卫星来说都是一样的，其中（X1,Y1,Z1）、（X2,Y2,Z2）、（X3,Y3,Z3）以及（X4,Y4,Z4）都为卫星已知的位置，d1，d2，d3，d4都是测量伪距，C是电磁波的速度，dT 1,dT2 ，dT3， dT4都为GPS接收器时钟偏差项。卫星时钟的偏差额dt就可以由接收器计算出来。GPS伪距的定位技术在动态定位应用的领域里，大概有两种方法：差分定位和单点定位。单点定位是指依据接收器的采集数据来确定待定点所在的地心坐标的绝对位置。但它只能使用伪距测量，可以运用车辆等的定位。差分定位就是依据多台接收器的观测数据来确定观察地点之间的的相对位置的方法，它既可以采用伪距测量也可以采取相位观测量，大地测量以及工程测量都应该采取相位观测值再做相对定位。2.3 本章小结本章节是对防盗系统中的通信平台和定位技术以及功能与性能要求的基础上，再提出本系统整体的设计方案。第一步，是对于各种卫星定位技术做出了详细介绍与比较，再接着做出选择，选择GPS技术作为本系统的定位技术，并且对GPS定位的基本原理阐述介绍。然后再对各种通讯平台做比较，而后选择GSM网络格式作为本系统的通讯平台。因此，基于这两种技术的基础上，最后对车辆的防盗监控系统做出详细全面的设计。第3章 系统的总体方案设计基于GPS/GSM的汽车防盗系统的设计和实现主要是由四个部分组成：定位备份、控制部分、通讯部分、电源部分。防盗系统的结构框图如下图3-1：定位部分GPS模块通讯部分GSM模块传感器部分加速度传感器模块电源部分接收端用户手机控制部分 MSP430单片机图3-1 系统的总体示意图 图3-1中定位部分获得车辆所在的位置信息，用GPS模块来实现。控制部分主要就是针对定位部分和通讯部分进行的操作与控制。控制的主控单元就是单片机通过定位部分按照指定的协议进行数据通讯，因而实现了对设备的操控6。通讯部分主要使用了GSM模块来实现无线数据的传输。电源部分主要是给系统的各部分提供电源。控制部分的单片机对于GPS系统和GSM系统模块都需要经过串口，GSM模块和单片机进行串口连接，再利用I/O模拟一个串口给GPS模拟使用。检测控制以及它的辅助电路能够直接使用单片机上的I/O口。车载系统中的无线接收模块TC35接收到短信息后，可经过串口将短信息传送给单片机，单片机作相应的数据处理，根据GPS的接收模块，以短信的形式将这些信息发送到用户手机上。因为车载系统和手机之间的通信是采用了移动通信GSM网络。第4章 系统的硬件电路设计4.1 单片机最小系统设计本论文所选择的控制核心是MSP 430 F149单片机，它是MSP430系列单片机中的一款，该系列的单片机具备有16位的RISC的结构，它能达到较高的代码效率，MSP430单片机其最小系统如图4-1所示。 图4-1 MSP430单片机最小系统图4-1中单片机最小系统由一个震荡电路和复位电路构成， 如图4-2所示为一种上电与按键复位电路，在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位电路，如果这些复位电平与单片机的要求一致，则可以与相连。为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在RST管脚上接一个去耦电容。在应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路在接施密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端。 图4-2 电平复位电路图单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，管脚XT1和XT2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，晶振电路如图4-3所示。 图4-3 晶振电路图MSP430单片机的管脚如图4-4所示，MSP430的单片机拥有四个类型，分别为：OPT和Flash以及EPROM和ROM。其中拥有片内JTAG的调试接口的flash类型MSP430的单片机具有非常方便的开发基础，经过JTAG把程序下载到flash里面，上位机软件中控制片内程序的运行，并且对JIAG的接口输出了片内信息提供调试和开发。省去了额外的仿真器和编程器，节约了单片机的开发成本。图4-4 MSP430单片机的管脚图MSP430的F149单片机为MSP430x14x系列里的一种，但除MSP430的单片机共有特点之外，MSP430 F149单片机的特点如下所示：（1）工作电压较低，在1.8V至3.6V之间。（2）基本地时钟模块有：高速晶体振荡器和低俗晶体振荡器以及DCO振荡器。（3）内置有12位的ADC。（4）具备3个捕获或者比较寄存器地十六位定时器A。（5）具备7个捕获或者比较寄存器地十六位定时器B。（6）具有至少60KB的flash ROM与2kb的RAM。（7）其内部具有256B的flash存储器的模块。（8）拥有6个可以设置第二个功能的IO端口（既P1P6）11。 4.2 GSM模块设计4.2.1 TC35芯片介绍TC35就是新一代的无线GSM通信模块，它可以安全、迅速可靠的执行本系统方案的数据和语音传输以及短消息服务、传真等。其模块的工作电压在3.35.5V，能够工作在900MHz与1800MHz这两个频段之间，其所在的频段的功耗分别是900W与1800M。模块具备AT命令接口，它支持文本与PDU模式的短信息和传真等。除此之外，本模块还具有众多功能，实现电源连接和指令、数据、语音信号以及控制信号双向传输。再由ZIF连接器与天线连接器链接到SIM卡的天线。其中TC35的模块主要是由GSM的基带处理器与GSM射频模块还有供电模块、闪存、ZIF连接器以及天线接口六部分组成。基带处理器作为TC35的核心，主要是处理GSM终端中的语音和数据信号，并且包含了蜂窝射频设备里全部的数字与模拟功能。当不要求额外的硬件电路的情况时，它可以支持FR与HR以及EFR语音的信道编码。而GSM的射频部分就是单片机收发设备SMAIT，射频的天线部分就是实现信号的调制和解调，从而实现外部的射频信号和内部基带处理器间的信号变换。配置电源来使得处理器与射频部分能提供所需的电源。GSM模块的电源ASICII部分运用线性的电压调节器将外部的输入电压执行稳压处理后在提供给GSM的基带处理器与GSM的射频部分运行12。而SRAM用来存储一些用户的配置信息和其他信息。TC35的内部结构如图4-5所示。ZIP连接器天线接口FLASHSRAMGSM的射频部分GSM基带处理器电源ASICSIEMENS 模块TC35 图4-5 TC35的内部结构图TC35对外的接口有：RS-232接口和语音接口以及控制接口还有sim卡的接口、电源接口。（1）RS232 接口RS232为美国的电子工业协会发布的串行总线标准，它也是当前最为常见的串行接口的标准，其主要用于实现执行计算机和计算机或者外接设备互相之间的数据的通讯。RS232接口是采用了9位编码格式，其中有8个是数据位，一个是停止位，但没有奇偶的校验位，所以单片机上的串行口通常都采用工作方式1。所支持的数据的速率是115.2K至300kbps。TC35数据接口是运用标准地DB9接口的，经过执行AT指令后可以和单片机通信。（2）语音接口TC35拥有两个语音的接口，每一个接口都有模拟的麦克输入与模拟的耳机输出。而在本防盗系统的设计中还没有运用到这个通讯模块的语音功能，因此不选择运用该接口。（3）控制线的接口控制线的接口大都为：指示灯与同步信号灯以及电源控制线等。（4）SIM卡接口SIM卡（即Subscriber identity Moudule）就是用户识别卡，它是数字移动电话的个人的资料卡。它的结构主要由：CPU微处理器与RAM程序存储器以及E2PROM数据的存储器、串行通信单元。SIM卡上面有8个触点，而这些触点就是它的外部接口，将它插入MS上时，就是经过八个触点和MS执行信息的交换。SIM卡储存了几组非常重要的数据，大概包括为：ICCID即（Intergraded circuit card identity）为集成电路卡的识别，这就是SIM卡的处理中心向sim卡执行数据处理的过程中编制的流水号。PIN（personal identity number）就是个人识别码，相当于SIM卡的钥匙。IMSI （identitty mobile sabscriber identity）就是国际上统一移动用户识别码，而且它是唯一的。RI（random identiity）是随机的识别码，就是SIM卡上的签权钥匙，运用于通信系统上的鉴权。（5）电源接口电源的接口运用于提供通信模块的工作电压，TC35的规定工作电压是3.3至3.5V。给系统加电后，为使得TC35进入正常工作状态，因此必须给IGT添加上一个延时高于100ms的低脉冲，电平的下降持续时间不能高过1ms。当启动后，GIT应该一直保持高电平3.3V。驱动IGT时TC35供电的电压不会低于3.3V，不然TC35不能被激活13。4.2.2 GSM模块电路设计TC 35 和系统的电路链接是根据40针用户的接口，TC 35上全部的外接信号接受与发射，以及AT指令的输入和供电的电压还有声音信号都是经过40针的接口实现的。因此实现了单片机与TC 35模块之间的控制。当TC 35别的管脚处于闲置状态时，要是该管脚是输出的话，通常为悬空；要是输入的话，就需要经过10K的电路进行上拉工作。设计系统的时候一定要想到TC 35模块上的电源的管脚并接在一起。除此之外，TC 35模块还要求链接SIM卡的卡座，才可以完成这个GSM的终端。 图4-6 GSM模块电路图如图4-6为GSM模块电路图，当执行串口的设计，即使TC 35模块上的串口的管脚工作的电平为CMOS电平，单片机上串口的管脚工作电平为TTL的电平，而由于单片机上嘎普电平与低电平的逻辑电平就可以执行和TC 35的管脚链接，所以TC 35模块上串口线和单片机执行连接工作。相对TC 35模块上串口管脚的DTRO 与RSTO这两个均为输入管脚，所以要分别经过10K的电阻，来拉高这两个管脚。IGT是TC 35工作的状态控制的管脚，当它为高电平的时候，处于不工作的状态；当它为低电平的时候，处于开始工作的状态。TC 35模块上SYNC管脚是用来显示GSM模块工作的状态的，再连接一个指示灯显示工作的状态。图4-7 SIM卡座的接口电路图因为TC 35模块上的SIM卡运用的是拥有8个管脚的Molex卡座，但TC 35模块上的sim卡管脚拥有6个管脚。而SIM卡座的接口电路如图4-7所示。SIM卡座只要和TC 35模块上的ZIF连接器所对的管脚连接后，再在加电容执行滤波处理。4.2.3 TC35模块中的外围电路设计TC35一共有40个引脚，通过一个ZIF（zero inserion force）链接器引出。这些引脚可以分为5类，分别为：电源和数据的输入输出、sim卡还有音频接口和控制。其中第1至第14个引脚作为电源部分，当中的1至5作为电源电压输入端为VBAT+。6至10作为GND，其中11、12作为充电引脚，13作为对外输出电压，14引脚作为ACCU/TEMP接负温度系数的热敏电阻，24至29作为SIM卡的引脚，分别是CCIN、CCRST、CIO、CCLK、CCVCC和CCGND。33至40作为语音接口来链接电话的手柄，15,30,31和32引脚作为控制部分，15作为启动线IGT（ignition），30脚作为RTC，31为powewdown，32脚作为SYNC，16至23位数据线输入或输出分别为DSRO、BINGO、RXDO、TXDO、CTSO、以及RTSO和DTRO还有DCD15。电源的电路划分为了充电电池和稳压电源模块两部分，其中充电电池主要作为给系统供给工作电压为3.6V，三端的电源模块把外部的直流电源转换为6V，链接到ZIF连接器上的11和12引脚，当处于充电模式时，作为TC35给出+6V和500mA的充电电源。启动电路是由开漏极的三极管与上电复位的电路构成。模块加电后，为使得正常工作，必须在15引脚加上时长最少为100ms的低电平信号，并且信号下降时间要小于1ms。启动以后，15引脚的信号应该保持到高电平。基带处理器集成为一个标准的SIM接口。为了使得适合外部的SIM接口，此接口链接到主接口，即ZIF连接器。在GSM的11为SIM卡预留了五个引脚，再让TC35在ZIF连接器上面为SIM卡预留了六个引脚，所添加的ccin引脚来用作检测SIM卡的支架上有没有SIM卡。如果插入SIM卡，所以将这个引脚成为高电平，系统就可以进入正常的工作状态。数据通信的电路大概是执行短消息的收发工作和与电脑通信以及软件控制功能。Tc35模块和电脑链接了串口的TXD，rxd通信线，IGT启动脚，外接一个sim卡还有电源的正常工作。因为电脑的串行口符合数据终端的设备与数据通讯设备两者之间的串行2进制的数据交换接口的技术标准的规范，也就是它的外部总线标准接口。Tc35数据的接口运用的是串行异步，在CMOS电平正常工作。因此数据通讯电路是以Max232的芯片作为核心，它实现了电平的转换以及串行口通讯的功能。就是Tc35中的RS232串行口和电脑互相经过Max232进行连接，它们的通讯协议就是AT指令集。而Max232是包含两路驱动器与接受器的转换芯片。当发送端上用驱动器把Cmos电平变换成Rs-232电平，在接收时运用接受器把Rs-232电平又变换为Cmos电平。本模块中，在LED熄灭的时候，表明Tc35正在执行网络登录，而当LED在一段时间后熄灭，表示Tc35已经成功登录进入网络了。 4.3 GPS模块设计作为GPS的用户来说其主要的部件就是GPS接收机，是用作接收和处理GPS卫星发送来的位置信息。接收机是由主机天线和运算单元以及输出通道等部分构成的。其主机的关键组成部分有：低噪声放大器和信道电路以及中央处理器还有存储器等构成。在软件的控制操作下，接收机就把卫星的信息接收与采集、识别、存储、放大、处理，还要输出有用的定位信息与速度信息以及时间信息。 图4-8 GPS电路图JP7LP型GPS模块的电如图4-8所示。该设计结构类型的GPS接收器，可以嵌入到应用系统中。它还具有远距离接收能力，而且该模块既能最大程度的缩小了模块的整个体积，还减小了系统中的功耗，并且使得系统的性能提高了很多。其硬件与智能化的软件构成结合让它可以轻松集成或使用，该接收器的原理示意如下图4-9所示。低注变流器数字基带换算CPU CPU本地缓存RAMROM1752.42MHz 图4-9 接收器的原理图 使用的初始化快速定位TTFF（即time to first fix），本接收器至多能跟踪12颗左右的卫星发送的信号执行定位的工作，其精度较高，且一秒一次地脉冲输出也可以运用到精确地时间的测量上来，如果直接输入了实时地RTCM格式类型的差分GPS定位信息可以将GPS接收器上的测量精确度由100m提高至5m之间。模块中存储器的所带备用电池，使得它能够保持上次的卫星轨道的参数和位置以及时间等一些关键的数据，除此之外，主板上非易失性的存储器也是运用于其保留接收器的配置情况，即便是在备用电池没有电的时候，可供给2个RS232的全双工的通道比特率选择为：（1200、2400、4800、9600）。所支持的最大速度是999m/s与最大的加速度是6g。其中+5 VDC的输入电压，和220mA的输入电流会使得它很容易构成嵌入式的应用系统。GPS 25提供了一个直角、单排、有12针地连接头。它所对应的管脚的功能有：Pin1：TXD 2为第二串行的异步输出。Pin2：TXD 2是第二串行，异步输入。本输入的管脚可运用在接收差分信号。Pin3：PPS为秒脉冲的输出。其电压的上升或下降的时间是300ns。250欧姆阻抗。其开路的输出电压是0V和5V。秒脉冲的宽度是1us。Pin4：TXD1为第一串行的异步输出，其电气特性的兼容性标准为RS2