GPS硬件研究.doc

窗体顶端 基于ARM的车载GPS硬件的研究摘要：介绍了车辆定位的方法,对车辆定位系统的有关技术进行了讨论,重点研究了基于ARM的导航系统的设计,在软硬件设计的基础上,研制了以ARM9为CPU的导航系统.试验表明,本文所设计的导航终端接口功能完善、运行正常,能与相关导航单元协调工作.论文的研究工作对车载导航的进一步研究具有参考价值.窗体底端关键词：嵌入式Linux； GPS导航； ARM1 引言 随着现代经济的飞速发展，城市规模的不断扩大，车辆的日益增多，作为经济发展关键组成部分的交通运输系统出现了许多急待解决的问题，如交通拥挤、事故频繁、环境污染严重、信息不畅等。解决这些困扰一方面要完善基础设施的建设，增强交通运输网络运力，另一方面要加大技术投入，以技术优势充分挖掘现有条件潜力，弥补资源和资本上的不足。智能交通管理系统（ITS）就是将通信技术、控制技术和计算机处理技术综合应用与整个交通系统而建立起来的大范围、高效的交通管理控制系统，智能交通管理对于节省时间、减少交通费用，降低污染起到了重要的作用。车载智能终端是嵌入式技术、GPS技术、GIS技术和GPRS通讯技术相结合的产物，能够实现定位、监控的导航等功能，对智能交通的研发和发展具有重要的意义。 现代科学技术的不断进步，车辆导航相关产品的成本不断下降，可以预言，车载导航与定位系统将向着小型化，智能化，多功能化方向发展。2 GPS系统结构与工作原理 GPS车载导航系统属于智能交通系统的重要部分，可以用GPS卫星为载体，辅以DR航位计算导航，采用GPRS数据通讯方式，实现车辆的定位、导航、具有地图显示、路径引导、检所查询、防盗报警等多种功能。融合了GPS定位、移动通信、地理信息系统（GIS）等多种先进技术。系统主要由以下四部分构成，其硬件结构如图1所示。窗体顶端窗体底端磁阻传感器复位电路时钟电路UARTOGPRS模块 G20 UART1SPI接口D GPS模块M12 LCD控 制器/ADCNAND控制器NAND Flash 64M K9 F1208LCD /触摸屏内存控制器 SDRAM32MX2HY5J V 561620CT音频模块 IIS JTAGCPU内核SD /MMC 地图数据SD 存储卡GPIO端口 USB 控制器USB接口 系统电源模块 防盗信号采集电路 车速传感器 图1：系统硬件结构图2.1 主控模块 主控模块包括CPU、FLASH、SDRAM、RS232收发器、SPI接口、IIS接口、JTAG接口、USB接口、电源和复位电路等。在本系统中，ARM处理器采用了三星公司的S3C2410作为嵌入式处理器，他提供了丰富的内存设备：ARM920T内核（16/32 bit RISC CPU），独立的16KB的指令Cache和16KB的数据Cache、MMU虚拟内存管理单元，LCD控制器（支持 STN和 TFT LCD），NAND Flash 系统引导、系统管理单元（SDRAM控制器等）、3通道UART、4通道DMA、四通道具有PWM功能的定时器、通用I/O接口、RTC、8通道10位精度ADC和触摸屏控制器、IIC总线接口，IIS数字音频总线接口、USB主机、USB设备、SD/MMC卡控制器等。2.2 组合定位导航模块 目前，用于车辆导航的技术有：信息技术（Beacon）、航位推算(DR )、惯性导航（SINS）、无线电导航技术、GPS卫星定位系统、地图匹配（MM）等。根据导航系统定位精度小于15 m 的性能要求，本系统采取导航组合方案：主导航GPS卫星定位，辅助导航航位推算(DR )系统及地图匹配。其中GPS卫星定位实现大部分地点的定位，该系统具有全球性、全能性、全天性、连续性和实时性的导航定位和定时功能。能够满足各种用户需求：航位推算用于GPS盲区定位，当车辆行驶在市区街道时，GPS信号受到高层建筑、林荫树林遮挡等因素影响而造成GPS信号丢失或GPS接收机接受小于四颗卫星信号，无法输出有效信息，这时，DR系统通过距离传感器和方位传感器测出车辆的行驶距离、速度和方向，确定车辆当前位置，其精度没有惯性导航高，但在短时内传感器的精度满足系统需要，且成本远低于惯性导航。在软件方面，还可以通过地图匹配修正车辆行驶路线。 GPS系统有三大部分组成，即空间星座、地面监控和用户设备。其中用户设备，即GPS定位模块由天线和GPS接受机构成。天线负责接收卫星信号，GPS接收机从中提取 卫星星历、经度、纬度、等信息。从体积小、低功耗、低成本及跟踪多星等角度考虑，本系统选用了比较先进的Motorola公司的M12 OEM板，它具有12通道，能同时跟踪12颗GPS卫星，具有很高的精度，误差小于15米。数据更新率为每秒一次；接收机内部具有备用电池，为存储卫星轨道参数，时间和日期等数据持续供电。天线选择的HAWK有源天线，工作电压为5V，典型噪声值小于1.5dB。由于M12的I/O引脚操作电压为3V符合RS-232的TTL平电接口，与S3C2410的UART 0接口进行通信时，两接口输入输出电平相同，无需电平转换。 DR由两部分组成：一部分是磁阻传感器HMC 1022的采集电路，通过它测量出车辆的前后、左右两个方位数据，经放大器放大后，再由A/D转换TLC2543将检测到的模拟信号转化为数字信号，经SPI串行接口传输到导航MCU；另一部分是由里程仪采集到车辆的速度脉冲光电转换后经I/O口读到导航MCU。HMC 1022是Honeywell 的一轴磁阻传感器，可测前后、左右的方位信息，虽然其精度低于三维传感HMC2033，但已能够满足需要，成本也低；TLC2543是TI公司的12位ADC最大采样达66Ksps，提供SPI接口方便与S3C2410的SPI接口。 2.3 防盗通讯模块 根据产品功能要求，导航系统必须具有防盗报警功能。防盗通讯模块包括防盗电路和GPS通信模块。系统采用了GPRS来实现数据的双向传输，GPRS是在现有的GSM系统上发展起来的分组数据承载业务，使用公共数据通道，具有网络覆盖广、通信可靠性高、实时在线、按量计费、快速登录、高速传输等特点，特别适用于导航系统间断的、突发性的、少量的数据传输。本系统GPRS模块选用Motorola公司的G20，它以简单的串行接口方式与CPU进行通信，方便了硬件的设计，提高了通信的可靠性。同时G20内嵌了TCP/IP网络协议及AT指令集，支持900/1800MHz双波段，非常适合与车载导航系统。G20提供了70个引脚MCU、电源等相连，本系统主要利用RXD-N和TXD-N引脚实现与S3C2410进行串口通信。2.4 人机交互模快 人机交互模块包括LCD液晶屏显示、四线电阻触摸屏。作为车载导航系统，最为关键的一个外设就是良好的人机交互显示平台。LCD具有显示信息丰富、功耗低、体积小、重量轻等许多显示设备无法比拟的优势。在设计中，为了给导航系统使用者提供一个宽阔的视觉效果，选用夏普LQ070T5BG01七寸TFT液晶屏作为系统显示输出设备。S3C2410内部集成的LCD控制器支持TFT-LCD，与夏普液晶显示器具有良好的时序兼容性。触摸屏作为嵌入式系统的主要输入设备，取代了传统的鼠标和键盘。触摸屏是覆盖在显示屏表面的一层透明膜片，可以将使用者在膜片上的触摸位置转化为模拟信号，由系统中的A/D转换器转化成数字信号，经过校正即可与显示屏上的图像相符合，从而起到与鼠标相似的作用。本系统选用了北京良英公司的七寸四线电阻式触屏PQ063XRA。由于S3C2410提供了四线电阻式触摸屏接口nXPON，nYPON，XMON和YMON,可以直接和触摸屏的四线相连接，作为导航系统的输入端。3 车载GPS终端的软件设计与实现 GPS导航系统工作过程如下：系统复位初始化后，GPS模块通过天线接收卫星信号，如经度、纬度、时间等，同时通过磁阻传感器和车速传感器采集航向、速度数据：然后S3C2410处理器通过串行和SPI口读取这些数据，并对这些数据进行处理，利用Kalman滤波器对磁阻传感器、里程计及GPS的信号进行初步融合处理，得到两种定位数据最后输入到信息融合计算模块Kalman滤波器进行位置的最终确定。根据这些位置信息，主控模块提取电子地图数据库中相应的地图，并在LCD上显示出来，车主通过LCD就可以获知当前所在地理位置。如果需要自动导航，仅需输入出发地和目的地，主控模块就会调用一定的路径规划算法，选取最佳道路，指导驾驶员行驶，3.1导航系统软件功能结构 为了实现强大的定位、导航功能，车载导航系统至少要有主控模块、电子地图模块、路径规划模块、定位模块、地图匹配模块和通信模块，如图2所示。车辆导航定位系统最基本的任务是连续的保持车辆位置的确定位，因此GPS定位接收模块是本系统最重要的功能模块。本系统采用了GPS卫星定位系统和航位推算组合导航的导航方案，因此定位模块包括：GPS定位导航推算系统（DR）。航位推算现实里程计及磁阻传感器的数据接收，并进行航卫方向推算，GPS定位模块完成卫星数据接受及解析，最后通过卡尔曼滤波器把这两组数据进行信息融合，确定车辆当前的位置。本文仅以GPS定位模块为例说明基于嵌入式Linux平台上的应用开发。 GPS定位处理程序主要完成以下功能： （1）从串行口读取GPS模块接收到的数据 （2）对数据进行解析、校正、和判断等 （3）把最后确认的位置作为信号IDSem的附带消息，通过发送IDSem，通 知操作系统调用相关任务程序对该位置的信息进行处理。 主控模块电子地图模块路径规划模块定位模块地图匹配模块通信模块文件系统图形用户界面操作系统内核驱动程序 图2 系统软件功能结构图3.2串口通信设置 本系统中，GPS模块通过串口与S3C2410处理器相连接，处理器通过串口来获得定位信息数据。在程序设计中，对串口的操作包括： （1）串口初始化：设置串行口通信方式为8位数据位，1位停止位，无奇偶 校验位，波特率为4800bps （2）一帧一帧接收ASCII码字符信息 （3）对每一帧ASCII码字符信息进行数据化处理 在对串口设置操作之前，首先要对各参数进行初始化、设置它的属性以保证通信双方的通讯参数保持一致。这些属性定义在结构体struct termios中，定义如下： Struct termios Teflag_t c_iflag； /*输入模式标志*/ Teflag_t c_oflag； /*输出模式标志*/ Teflag_t c_cflag； /*控制模式标志*/ Teflag_t c_Iflag /*本地模式标志*/ cc_tc_ccNCC； /*控制字符*/ ； 在这个结构中最为重要的是c_cflag，通过对它的赋值，用户可以设置如波特率、字符大小、数据数、停止位、奇偶校验位和硬件流控等。存储在成员c_iflag的本地模式标志符决定是否显示符号，是否发送信号到响应程序等。c_cc包含了控制字符的定义和超时参数。在对struct termios结构体的各个成员赋值，调用tcsetattr函数选择新的设置完毕后，嵌入式Linux就可以对普通文件的输入输出那样访问串口。3.3 GPS定位数据的接听与解析 M12通过串口与处理器进行通信，他的输出遵循NMEA0183协议。NMEA0183协议是美国国家海洋电子协会为海洋电子设备制定的标准格式，它包含多种语句，其中$GPRMC是最常用的一条。 在数据处理中，针对需要的定位信息的要求，设计了如下的串行通信思路：根据$GPRMC数据格式，处理一般先通过帧头的判断而只对“$GPRMC”帧进行数据的提取处理。由于帧内个数据段由短号分割，因此在处理缓存数据时一般是通过搜寻ASCII码$来判断是否是帧头，在对帧头的类别进行识别后再通过所经历逗号个数的计数来判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并作出相应的处理。流程图如图3所示。开始GPS初始化MCU进入低功耗 N接收位置请求，设置逗号计数器i，并置i=0 Y提示用户重启是$GPRMC? N N Yi=i+1是逗号？提取、保存经度、纬度、时间等信息hh=CS?提取校验和（hh）i=11？ Y N 保存此值并将逗号间的数据异或和（CS） N Y N Y 图3 GPS的RMC格式数据接收与解析流程图4 ARM处理芯片S3C2410 S3C2410芯片是韩国三星电子公司推出的一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器。该处理器主要面向手持式设备、高性价比、低功耗的应用。 作为S3C2410芯片的CPU内核，16/32位ARM920TRISC微处理器0.18umCMOS标准单元结构。ARM920T核有ARM920TDMI、存储单元和高速缓存三部分组成。其中，存储管理单元可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB数据高速Cache组成。 S3C2410芯片集成了一个LCD控制器，NANDFLASH控制器、SDRAM控制器、三个通道的UART，四个通道的DMA，4个具有PWM功能的计时器和一个内部时钟、8个10位ADC。S3C2410还有很多丰富的外部接口，触摸屏接口、I2C总线接口、IIS总线接口、两个USB主机接口、一个USB备用接口、两个SPI接口、SD接口和MMC卡接口。在时钟方面S3C2410也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL似的芯片时钟发生器。5 触摸屏模块 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，分别是电阻式、电容感应式、红外线式及表面声波式。触摸屏附着在显示器表面，与显示器相配使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐标位置，就可以根据屏幕上对应的坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图。触摸屏按其原理可以分为五类：矢量压力传感式、电阻式、电容式、红外线式、表面声波式，其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。本系统采用的是四线制的电阻式触摸屏。 电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面相匹配的多层复合薄膜，由一层或几层有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开绝缘。 触摸屏的接口设计采用了内部A/D转换器的两个通道分别采样水平和垂直方向的位置。接口框图设计如图4所示。 图4 S3C2410与触摸屏接口示意图6 LCD模块 本车载GPS定位系统具有较多的人机交互应用功能，在选择LCD上也要适应这些特点，可视面积应比传统手机更大，像素和色彩也更高。比系统选择的LCD是2.2寸，320*240像素，本系统选用LRH9J515XA。VIDEOMUXTIMEGEN REGBANKLPC3600 VIDPRCSLCDCDMA VD23.0 图5 LCD控制器功能框图7 USB电路的设计 通用串行总线协议USB是由Intel、Compaq、Microsoft等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主机用于PC机与外围设备的互联。S3C2410有两个USB Host接口，一个USB Device接口。在本系统中选用的是S3C2410的USB Device接口，该接口支持DMA传输、中断传输和控制传输方式。 USB传送信号和电源是通过一种四线电缆，电缆中包括VBUS、GND、D-四条线，VBUS向设备提供+5V电源。D+和D-两根线是用于发送信号。电路原理图设计如图6. 图6 USB接口电路示意图8 SD存储卡接口电路 S3C2410的Secure Digital接口支持SD存储卡、SDIO设备和MMC卡。 主要特性：（1）支持SD存储卡和MMC （2）兼容SDIO卡 （3）具有16字长和FIFO用于数据发送和接受 （4）40位命令寄存器；136位的Response寄存器；8位预分频 （5）具有正常传输模式和DMA传输模式 （6）支持1位/4位数据线模式，支持块/流模式转换 （7）对于SDI数据传输模式下最高速率25MHz （8）对于MMC数据传输模式下最高速率10MHz 本系统通过S3C2410的SDI接口即可支持SD卡和MMC卡以及与之兼容的各类外部存储卡。 SD卡和MMC卡主要区别在于：MMC卡的数据传输只支持1位数据线宽带，而SD卡的数据传输宽度是四位。 图7 SD卡接口电路9 结论 本系统创新技术：将嵌入式Linux操作系统用于车载GPS/DR组合导航是对传统导航系统的重大改进。在嵌入式嵌入式Linu