（信号与信息处理专业论文）基于gprs无线通信的车载驾驶人疲劳监测终端的设计和实现.pdf

摘要 论文题目：基于g p r s 无线通信的车载驾驶人疲劳监测终端的设计和实现 学科专业：信号与信息处理 研究生：尚维伟 指导教师：胡涛教授 答辩日期： 签名：左乏篷盛 签名：趟 摘要 目前车载驾驶人疲劳监测装置大都是以简单的计时方式为准则，只要发动机连续工作 3 4 个小时，就强制发动机停止工作半个小时。比较典型的装置就是汽车行驶记录仪， 除了疲劳监测，还对车辆的转向灯、倒灯、车门、点火、远光灯、近光灯、刹车、呜号、 速度等动作进行实时记录，相当于一个“黑匣子”，通过专门的装置，可以将数据打印出 来。为一些故障诊断和交通事故分析提供较为科学可靠的证据。此方式能够全面实时地记 录车辆的行驶状态数据，但是仅以发动机的工作时间作为驾驶人疲劳的判定准则过于片 面；而且只是一个记录装置，信息交互性不足；数据导出必须依赖专门的装置，在一定程 度上限制了其应用的范围。 针对以上的不足，本文提出这样的方案：利用目前日益成熟人脸状态识别技术构建驾 驶人智能监测系统，对驾驶人的疲劳状况进行实时、准确、高效地监测。当监测到驾驶人 处于疲劳状态时，在车内进行语音预警，并利用g p r s 无线通信网络将智能监测系统所获 得驾驶人的疲劳信息和车辆的位置信息及时传送给上位机( 监控中心) ，使得交管部门能及 时采取措施，以避免一些交通事故的发生。同时，将车辆的实时位置信息和驾驶人的疲劳 信息以t x t 格式存储于车载端u 盘结构存储器。 文中较为详细地介绍了g p r s 以及组网方案的选择，g p s 定位原理，并且给出了g p r s 终端单元、g p s 接收机、语音模块、无线云台控制以及数据存贮模块的硬件电路设计和软 件设计，同时也给出了基于双5 1 单片机和s p 3 5 3 9 的车载移动终端系统主控电路设计和车 载终端的总体工作流程，最后给出了整个系统的测试结果。 关键词：车载；g p r s ；g p s ；s p 3 5 3 9 a b s t r a c t t i t l e ：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fv e h i c l ec a r r i e dd r i v e rd r o w s y m o n i t o rt e r m i n a ib a s e do ng p r s m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：w e i w e is h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f t a oh u a b s t r a c t s i g n a t u r e - 丝幽均 s i g n a t ur e - i 担f 弛 n o w a d a y sm o s to fd r o w s yd r i v em o n i t o re q u i p m e n tw a sb a s e do nt h er u l eo ft i m i n g ，i ft h e e n g i n er u n s3 - 4h o u r s ，i th a st os t o pf o rh a l fa nh o u rr e s t t h et y p i c a le q u i p m e n ti st h ev e h i c l e r u n n i n gr e c o r d ，b e s i d e sd r o w s ym o n i t o r , i tr e c o r d si g n i t i o nw h i s t l es p e e db e n d b r a k ea n ds oo n ， j u s tl i k ea ”b l a c k c a s k e t ”w i t has p e c i a lp r i n t e r , w ec a ng e tt h er e c o r dd a t aw h i c hc a np r o v i d e s c i e n t i f i ce v i d e n c ef o rf a u l td i a g n o s i sa n da c c i d e n ta n a l y z e i nt h i sm e t h o d ，i t su n i l a t e r a lf o r d r o w s ym o n i t o rb a s i n go nt h er u l eo ft i m i n g ；a sar e c o r de q u i p m e n t ，i t sl a c ko fi n t e r a c t i v e ； s p e c i a lp r i n t e rr e q u i r e m e n tf o rd a t ae x p o r tb e c o m e sl i m i t a t i o nf o ru s e a c c o r d i n gt ot h ef l a w , w ed e s i g nt h i si n t e l l i g e n ts y s t e m ：d r o w s yd r i v em o n i t o rw a sb a s e do n t e c h n i q u eo ff a c i a lf e a t u r er e c o g n i t i o n w h e nt h ed r i v e rw a sd r o w s yd r i v i n g ，v o i c ea l e r tw a s g i v e na tf i r s ti n s i d eo fv e h i c l e ，t h e ns e n dt h ei n f o r m a t i o no f v e h i c l e sp o s i t i o nt om o n i t o rc e n t e r b ys m sr e l y i n go ng p r sn e t w o r k ；i nt h i sw a y , a d m i n i s t r a t i o no ft r a f f i cc a nt a k es o m e n e c e s s a r ym e a s u r ei na d v a n c ew h i c hc a np r e v e n ts o m ea c c i d e n t a tt h es a m et i m e ，r e c o r dt h e i n f o r m a t i o no fv e h i c l e sp o s i t i o na n dd r o w s yd r i v i n go nt h eu - d i s kw i t ht h ef o r m a to ft x t i nt h i sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c e dt h eg p r sa n ds e l e c t i o no fi t st e r m i n a ls o l u t i o na n d p r i n c i p l eo fp o s i t i o n i n go fg p s i nd e t a i l ；t h e n ，w ep r e s e n tt h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r e d e s i g no fg p r st e r m i n a l 、g p sr e c e i v e r 、v o i c em o d u l e 、w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l ea n dd a t a r e c o r dm o d u l e ；n e x t ，t h em a i nc o n t r o lc i r c u i ta n ds o f t w a r e m o d u l ef l o wc h a r t so fv e h i c l e c a r r i e dt e r m i n a lw a sd e s c r i b e d ；a tl a s t ，w ed i s c u s s e dt h et e s tr e s u l to ft h ew h o l es y s t e m k e y w o r d s ：v e h i c l ec a r r i e d ；g p r s ；g p s ；s p 3 5 3 9 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：i 本人所呈交的学位论文是我 一 j + ，一 。 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 。 ” 一 的地方外，。论文中不包含其他人的研究成果。! 与我一同工作的同志对本文所研究的工 。 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 一一 本论文及其相关资料若有不实之处，。由本人承担一切相关责任 论文作者签名：左1 叁i 聋一 谚年j 月? 。日 学位论文使用授权声明 本人虚! 毛l 盘在导师的指导下创作完成毕业论文：本人已通过论文的答辩。 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即，1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览0 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后。适用本授权说明) 论文作者签名：刍i 匦壶：导师签名：煎嗌。年j 月如日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 首先，随着我国经济的发展，一方面人民生活水平在不断提高，汽车的产销量也在日益 增长，汽车的安全性、舒适性、操作的简便性以及功能的完备性已成为用户选择的重要依 据；另一方面，从各种统计数字来看，我国及世界每年发生的道路交通事故居高不下，给社 会带来了不可估量的经济损失和人员伤亡，人为主观原因是驾驶人安全意识差、违章现象严 重，而疲劳驾驶、酒后驾车也是导致交通事故的重要原因。所以利用数字图像技术以及人脸 状态识别技术构建驾驶人智能监测系统，对驾驶人进行实时、准确、高效地监测，就有其必 要性n 矧。 其次，随着我国信息化进程的全面推进，各行业对信息化也提出了较高的要求，对信息 化的认识也从单纯的数字化提升到数字化与网络化、无线化统一的高度。针对目前的信息化 要求，原有的有线系统虽完成数字化与网络化，但复杂的布线、高昂的维护成本使得网络节 点的分布范围受到了很大的限制，这在很大程度上阻碍了信息化的深入和普及。因此，信息 化对无线数据传输的需日益剧增，不仅新建信息化系统需要无线数据传输接口或通道，有线 系统也需要增加无线接口和无线通道在原有的基础上扩展更广泛的信息化网络。因此，研制 单独的无线通道不论是对原有设备改造增加无线接口和无线数据传输通道，还是对新设备的 功能扩展都具有很重要的意义乜，。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ，通用分组无线业务) 网络是在g s m 网络基础之上新 增两个节点一s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 服务支持节点) 和g g s n ( g a t e w a yg p r s s u p p o r tn o d e ，g p r s 支持节点网关) 而形成的移动分组数据网络。g p r s 采用与g s m 相同的无 线调制标准、相同的频带、相同的跳频规则及同样的t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 时分多址) 帧结构；其理论带宽可达1 7 1 2 k b i t s ，实际应用带宽大约在4 0 - 1 0 0 k b i t s ，在 此信道上提供t c p i p 链接，可以用于i n t e r n e t 连接、数据传输等应用，使基于g p r s 网络 的无线数据传输成为可能。因此，g s m g p r s 网络的广泛应用为构建无线通道提供了更多新 的选择2 3 4 朝。 因此，把利用数字图像技术以及人脸状态识别技术构建驾驶人智能监测系统和目前日益 完善的g p r s 无线通信网络结合起来，将智能监测系统所获得驾驶人的某些危险信息和车辆 的位置信息以数据的方式及时传送给上位机( 监控中心) ，使得交管部门能及时采取措施， 以避免一些交通事故的发生，这是一种比较有效的途径。 1 2 研究现状和发展方向 目前在国外，车载通信终端以及安全监测系统大都是汽车生产商联合通信生产商以产品 西安理工大学硕士学位论丈 的形式发布的，隶属于汽车电子行业。主要的生产研发机构有西门子威迪欧、博世、本田、 诺基亚、德国大众以及摩托罗拉等；微软公司的w i n d o w sc ef o ra u t o m o t i v 是一套完整的 车载通信解决方案。国外产品价格昂贵，功能比较齐备，除了基本的通信功能外，还能对车 辆的左灯、右灯、倒灯、车门、点火、远光灯、近光灯、刹车、鸣号、时间、速度等动作进 行实时记录n 引。 目前在国内，汽车电子行业还在起步阶段。大都是以代工的方式为国外的汽车电子商提 供零部件。自己的产业链还不齐全。也有少数的电子厂商推出了自己的汽车电子产品。有以 g p s 导航为主的产品和以记录行驶过程中的各种动作状态及行驶速度数据的汽车行驶记录仪 雄【3 4 】 寸0 总而言之，国外产品价格昂贵，而且大多由汽车制造商在出厂时安装，少见有自行配置， 这类产品的维护和再开发性不强，不利于国内客户使用和功能升级；而国内产品，大部分产 品功能单一，只能够完成车辆的语音通话功能或车辆定位的功能等，在数据存贮方面，采用 比较原始的打印模式，这些都限制了用户的使用h 1 。 1 3 课题的提出以及主要工作 1 3 1 课题的提出 针对目前国内汽车驾驶安全监测终端的一些不足之处，本文提出了基于g p r s 无线通信 的车载驾驶入安全监测终端的解决方案，由车载终端和上位机( 监控中心) 组成。车载终端 主要由图像采集设备、图像采集设备位置调整装置、图像处理设备、g p r s 无线通信模块、 g p s 模块、语音提示以及数据存储几个部分组成，如图1 - 1 所示：上位机( 监控中心) 主要 由g p r s 无线通信模块和p c 端接收软件组成，如图卜2 所示： 2 图1 - 1 车载终端的总体设计框图 f i g l 1t h ed i a g r a r r lo f n l a md e s i g no f v e h i c l ec 枷e dt e r m i n m 1 绪论 车载终端的总体设计框图简要说明： ( 1 ) g p r s 芯片组完成车载端和上位机之间无线通信； ( 2 ) g p s 芯片获得车辆的实时位置； ( 3 ) 语音装置完成车内的语音预警； ( 4 ) 存储器完成车辆实时位置和疲劳信息的记录； ( 5 ) 考虑到驾驶人体形上的差异，为了获得较为理想的监测影像，在系统启动时，通过 跟踪算法在水平和垂直方向控制位置调整装置( 即云台) 自动微调摄像头。 l 嗍接收软件，l錾掣 参雾善 l 船捌器 率口控制器； 图1 - 2 上位机端的总体设计 f i g l - 2t h ed i a g r a mo f m a i nd e s i g no f m o n i t o rc e n t e r 上位机端总体设计简要说明： ( 1 ) p c 端上位机接收软件主要完成车载端回传信息的解析； ( 2 ) g p r s 芯片组主要完成车载端回传信息的接收； ( 3 ) 串口控制器是p c 和g p r s 芯片组的物理通信载体。 1 3 2 课题的主要工作 ( 1 ) 位置调整装置的设计与实现； ( 2 ) g p r s 无线通信模块的设计与实现； ( 3 ) g p s 模块的设计与实现； ( 4 ) 语音提示装置、数据存储的设计与实现； ( 5 ) 上位机接收软件的设计与实现。 3 2g p r s 以及组网方案的选择 2g p r s 以及组网方案的选择 2 1g p r s 简述 g p r s 即通用分组无线业务，是一种新的分组数据承载业务。它是作为第二代移动通信 技术的g s m 网络向第三代过渡的技术，是一种基于g s m 的移动分组数据业务。g p r s 与现有 的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。 因此，g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大 数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。透明数传是指在程控g p r s 模块完成 与g p r s 网络的附着，并与上位机建立数传连接后，在上位机与模块间有持久的数传通路。 即依据t c p i p 协议将数据直通地传向上位机，帧封装和校验完全由协议自动完成，在上位 机和终端看来，模块发出的数据会原封装不动地被上位机收到，这一过程是完全透明的。这 也可以被理解为常说的“永远在线”，更通俗地讲，g p r s 网络中的终端随时与网络保持联系。 g p r s 的理论数传速率为1 7 1 2 k b p s 。巨大的的吞吐量改变了以往单一面向文本的无线数据应 用，使得包括图片、话音和视频在内的多媒体业务成为现实。虽然实际速率典型值远远低于 理论值，g p r s 实际数据传输速率受网络编码方式和终端支持的因素影响。现在用户的接入 速度大概在3 0 k b p s - - 4 0 k b p s ，在使用数据加速系统后，速率体现大概在6 0 k b p s - - 8 0 k b p s 左 右n 引。 2 2 目前普遍采用的g p r s 组网方案 由于g p r s 无线数据终端与其他无线数据传输模块的使用不同，它是基于t c p i p 协议进 行数据传输，并且上位机( 数据中心) 通常是连接在公网( i n t e r n e t ) 上的一台普通计算机，具 有动态的或固定的公网i p 地址，或者是利用g p r sm o d e m 接入g p r s 网络或从中国移动中获 取的数据专线接入，而具有动态的或固定的移动子网i p 地址。使用固定i p 地址或向中国移 动申请数据专线作为上位机( 数据中心) ，实现多点对一点的数据，如图2 - 1 所示。数据采集 设备与g p r s 终端通过r s 4 8 5 r s 2 3 2 相连，g p r s 终端自动拨号登陆g p r s 网络，获得移动子 网i p 地址后，主动与接入i n t e r n e t 的上位机建立s o c k e t 连接并保持，然后将g p r s 终端的 i d 号及子网i p 地址通过t c p i p 协议发送至上位机。这样上位机在s o c k e t 连接保持的情况 下，就可以实现与g p r s 终端，也就是数据采集设备的通信。该方案具有组网简单等优点， 适合大型用户使用n 11 别。 5 西墨理工大学硕士学住论工 h2 一l 通川g p r g 刚络拓扑 f 1 醇- 1 t h e t o p o l o g y o f g 曲e r a ln e t w o r ko f g p r s 但足浚方案有如r 缺点和不足：其一是上位机( 数据中心) 必须拥有固定i p 地址，或公 删i p 地址或移动子网i p 地址( 数据专线) ，网此构建g p r s 网络的成本比较高：其二是为了 确保上位机( 数据中心) 与g p r s 终端之间的通信畅通( 因为g p r s 网络本身的问题) ，g p r s 终 端需小断发送链路维护数据包，用于检测链路并保证g p r s 终端实时在线，由于g p r s 是按照 数据流量收费，运营成本很高。囡此该方案不适合中小型用户使用”“。 2 3 最小化6 p r s 网络 由于通用g p r s 组网方案不适合本课题采用，所以根据奉课题的实际需求，综合考虑各 种因袭，提出最小化g p r s 网络拓扑结构，如图2 2 所示： 口l 三竺竺j黟峰ol - 幽2 2 虽小化g p r s 网络拓扑 f i 9 22 t h e t o p o l o g y o f m i n i m u m n e t w o r ko f g p r s 最小化g p r s 网络拓扑结构和通用g p r s 网络拓扑结构的主要区别在于上位机部分，在最 小化g p r s 网络拓扑结构中，上位机的组成是由一个g p r s 无线终端通过串口和计算机相连， 在p c 端设计一套专用接收软件，负责和串口通信。这样就可以将远程数据导入p c ，做相关 处理。其原理如同两个g p r s 手机用户进行通信一样。基于这种最小化g p r s 嘲络拓扑的设计 优点：构建g p r s 网络的硬件成本很低，系统比较容易实现，可以避免处理大量的网络通信协 议，通信成本也比较低，适用小型用户，但是缺点是不益用于海量数据传输”“。 2g p r s 以及组网方案的选择 2 4g p r s 收发模块m c 3 5i m c 3 5 i 是西门子移动通讯出品的第一款g p r s 模块，m c 3 5 i 向上兼容全部t c 3 5 功能，此 外还集成了高速g p r s 技术。可将g p r s 技术广泛集成于移动电脑、p d a 、智能电话以及其它 设备之中。具备持久的在线连接、快速数据接入、高速数据传输速率等特点。模块具体特点 如下： 支持e g s m 9 0 0 g s m l 8 0 0 双频 支持g r p sc l a s s8 c l a s sb 支持g s mp h a s e 2 2 + 输出功率：e g s m 9 0 0 时，2 w g s m l 8 0 0 ，i w 输入电压：3 3 4 8 v 功耗：休眠状态，3 o m a ；空闲状态，1 0 o m a , 发射状态，3 0 0 m a ( 平均) ，2 o a ( 峰值) 控制：a t 指令直接控制 重量：1 6 9 体积：5 4 5 * 3 6 * 6 6 5 m m 环境温度：一2 5 。c + 5 5 。c 数据速率：c s d 状态下最大速率1 4 4 k b p s , g p r s 状态下行最大速率8 5 6 k b p s 接口：4 0 p i n 包括电源、3 vs i m 卡、r s 2 3 2 接口、语音、控制等管脚以及5 0 q 天线接口n 4 1 7 3g p s 原理以及e 5 3 1 3g p s 原理以及e 5 3 1 3 1g p s 系统 3 1 1 g p s 系统简述 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国从上世纪7 0 年代开始研制， 历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，由2 4 颗卫星组成，这些卫星分布在互成1 2 0 度的轨道平面上， 每个轨道平面平均分布8 颗卫星，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时 三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近1 0 年我国测绘等部门的使用表明， g p s 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功 地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程 变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科n 21 9 1 。 g p s 卫星提供了p 码( 精码) 和c a 码( 粗码) 两种定位服务。p 码为军方服务，定位精 度达到3 米；c a 码对社会开放，定位精度为1 4 米。出于自身安全的考虑，美国先后实施 了s a 和a s 政策。s a 政策在c a 码中人为引入了误差，使定位精度下降到1 0 0 米；a s 政策 则对p 码实行加密。由于g p s 对社会开放，因此各类接收机、测量设备如雨后春笋般涌现， 并广泛应用于各行各业，彻底改变了传统的定位导航方式n 21 9 3 。 g p s 系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。 g p s 的空间星座部分由2 4 颗均匀分布在6 个轨道平面内的卫星组成，如图3 1 所示；g p s 的地面监控部分负责卫星的监控和卫星星历的计算，它包括1 个主控站、3 个注入站和5 个 监测站；g p s 的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收g p s 卫 星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用g p s 进行导航和定位的目 的。2 4 颗g p s 卫星在离地面l 万2 千公里的高空上，以1 2 小时的周期环绕地球运行，使得 在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4 颗以上的卫星n 2 憎1 。 地面监控部分包括1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。 用户设备一般指g p s 信号接收机，接收g p s 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信 息，经数据处理，完成导航和定位工作。g p s 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 9 312g p s 卫星的信号特性 幽3 1m 吊轨道示意崮 f i 9 3 1t h ed i a g r a mo fs a t e l l i t eo r b i t g p s 卫星信号包括频率分配、调制格式、伪随机噪卢( p r n ) 码、用户所接收到的信号的 功率电平、白相关特性以及互十r 关特性。g p s 卫星信号发射l l ( 主频率) 和l 2 ( 次频率) 两个载波频率，这两个载波频率由每颗卫星专有的p r n 码和数据码所调制。所有的卫星均在 这两个相唰的载波频率j i 发射，由于每一颗卫星分配有专用的p r n 码，而且所有p r n 序列相 互之间几乎是不相关的，各个卫星是采用c d m a 技术区分并且榆测数掘，其数学解析式为 ( 31 ) 。 s ( t ) = p ( o c o s ( r + ) + c a ( t ) c o s ( l , t + 钆) ( 3i ) 珊，= 2 z l ， ，= 2 x l , 其中：p ( t ) 为经过p 码加密的导航数据( p 码。导航数据) ，c a ( t ) 为经过c a 码加密的导航 数据( c a 码。导航数据) 。 3136 p 8 接收机的基本结构 g p s 接收机由天线单元和接收单元两个部分组成。由于卫星信号是r h c p 形式，所以g p s 接收机的天线适合采用圆锥螺旋天线或者其变形。g p s 接收机的天线至少具备2 04 6 m h z 以 上的带宽。6 p s 接收机的接收单元包括信道单元、存储单几、计算和显示单元以及供电单元。 信道单元用于在某一特定时刻接收某一颗卫星的信号，目前的g f ) s 接收机一股采用并行 的多通道技术，即某一特定时刻可以同时接收多颗卫足的信号，这样可以人大提高确定p v t 的时削。存储单元、计算和显示单元目前一般都集成在一个微处理器中，用于接收信q - 的采 囊、跟踪、存储和处理。供电单元是一个独立的单元，般负责电雎转换以及电池的管理。 用户通过用户设备接收四颗以上g p s 卫星信号，经信q - 处理而获得用户位置、速度等信 息，最终实现利j 爿g p $ 进行导航和定位的目的”。 3g p s 原理以及e 53 3 2g p s 定位原理 u t c 时间：即格林尼治时间。 格林尼治子午线：地球表面0 经度线。 e c e f 坐标系：是以地球球心为原托直角屯标系，其中z 轴j 二方向穿过北极点，x 轴和y 轴 位于赤道平面，x 轴正方向穿过格林尼治子午线与赤道的交点，y 轴正方向穿过东经9 0 度与赤 道的交点。 g p s 卫星的时间和地面接收机的时问都是u t c 时间。g p s 卫星每个导航数据帧包含1 星相 对于e c e f 坐标系的坐标咀及发送导航数据帧时的u t c 时问。 空间两点的距离计算公式： r 2 = ( 霸一) 2 + ( 儿一儿) 2 + ( z 一z b ) 2( 3 2 ) 由于卫星的位置精确可知，在g p s 观测中，可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标 中的距离公式，利用3 颗卫星，就可以组成3 个方程式，解出观测点的位置( x ，y ，z ) 。考虑 到卫星的时钟与接收机时钟之问的误差，实际上有4 个未知数，x 、y 、z 和钟差，如式( 33 ) 。 因而需要引入第4 颗卫星，形成4 个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程，图 32 给出了定位示意图。 ( x l z ) 2 + ( x y ) 2 + ( z 1 一：) 2 = ( 量一r c ) 2 ( 五一x ) 2 + ( e y ) 2 + ( z 2 一：) 2 = ( r 2 一r c ) 2 ( 玛一x ) 2 + ( 墨一y ) 2 + ( z 3 一z ) 2 = ( b r c ) 2 ( 3 3 ) ( 五一z ) 2 + ( 一y ) 2 + ( z 。一：) 2 = ( r f c ) 2 孝 图3 - 21 1 星定1 ：；7 ：示意图 f i 9 3 2 t h ed i a g r a mo f p r i n c i p l eo f s a t e l l i t e n a v i g a t i o n 其中：r = r c ( f = 1 ，2 ，3 ，4 ) ，f 是当前卫星和接收机之问的传播时延，c 是光速f 是误差 校正系数。 西安理工大学硕士学位论文 事实上，接收机往往可以锁住4 颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成 若干组，每组4 颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度n 9 1 。 3 3g p s 接收芯片e 5 3 1 3 3 1 概述 e 5 3 1 的g p so e m 产品均为1 2 通道的g p s 接收机，也就是同时可以跟踪多达1 2 颗g p s 卫 星，从而能够快速的定位。e 5 3 1 的g p s 接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次，其优 良的性能既能够满足陆地导航的灵敏度需求，也能够满足飞行器的动态需求。在设计上，这 些g p s 接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积 和功耗。其中全部的重要元器件，包括r f i f 接收机硬件和数字基带部分，都是由e 5 3 1 来 设计和生产的，以保证其质量和性能。 e 5 3 1 的6 p s 接收机o e m 板从硬件和软件上都十分易于使用，非常适合作系统集成。最简 单的系统，除g p s 接收机o e m 外，还需要外部电源和g p s 天线。与g p s 系统的通信可以通过 r s 2 3 2 或者c m o s 电平的串行口来实现。6 p s 接收机o e m 板中可以将卫星轨道参数、上次定位 位置、时间和日期等数据保存在静态存储器，接收机内部有备用电池来为存储器供电h 钔。 3 3 2g p s 指标 接收机通道：1 2 个( 打开秒脉冲后为1 1 ) 重新捕获：小于2 秒 热启动：约1 5 秒( 所有数据已知) 冷启动：约4 5 秒( 初始位置、时间和历书已知，星历未知) 自动定位：1 5 分钟 搜索天空：5 分钟( 所有数据均未知) 更新率：1 秒 定位精度：小于1 5 米( ( 9 5 ) 速度精度：0 2 米秒( 稳定状态) 差分精度：小于5 米( ( 9 5 ) p p s 精度：士1 微秒 速度上限：1 8 5 0 公里小时 加速度上限：6 g 高度上限：1 8 0 0 0 米 3 3 3 接口 1 2 接口特性： 3g p s 原理以及e 5 3 1 r s 一2 3 2 电平，可选波特率为3 0 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 0 ； 串口1 接口协议： 输出：n m e a 0 1 8 32 0 版本的a s c i i 码语句，包括g p a l m ，g p g g a ，g p g s a ，g p g s v ，g p r m c ， g p v t g ( n m e a 标准语句) ； 输入：初始位置、时间、秒脉冲状态、差分模式、n m e a 输出间隔等设置信息； 串口2 接口协议： 输出：包括g p s 载波相位数据的二进制数据； 输入：实施差分改正数据( r t c ms c - 1 0 4 信息类型l ，2 ，3 ，9 ) h 耵； 1 3 4 车载终端的硬件电路设计 4 车载终端的硬件电路设计 4 1 车载终端硬件设计的总体结构 根据选定l3 中的设计方案，参考m c 3 5 i 以及e 5 3 1 等使用手册资料，整个硬件设计的 总体结构如图4l 所示： 幽4l 车载终端硬件总体设讨框幽 f 1 9 4lt h ed i a g r a mo f n m i nh a m w a md e s i g n o f v e l u c l e d t e m l l n a l 426 p r s 终端硬件单元电路设计 为了详细介绍g p r $ 终端的硬件设计过程，下面给出了g p r s 终端各单元电路的设计原理 圈并对其工作原理作了简单的介绍。 4 2 1 模块电源电路设计 由于m c 3 5 i 的接口电平为33 v ，m c 3 5 i 模块需要33 v 46 v 供电电压，因此g p r s 终端 选用5 v 直流供电。根据m c 3 5 i 的硬件设计手册，可以知道m c 3 5 i 的峰值电流( 发射电流) 接 近2 ，园此g p r s 终端选川5 v 2 a 外接直流电源供电。如图4 2 所示： 西安理工大学硕士学位论文 d 3 n 5 4 0 4v e e 了f 图4 - 2g p r s 终端电源设计图 f i 9 4 2t h ed i a g r a mo ft h em o d u l eo fg p r sp o w e rs u p p l y 外部5 v 直流电源经j 1 ( d cj a c k ) 接入g p r s 终端，首先经耦合电感t 1 ( t r a n s ) 进行滤波， 从而得到比较平稳的直流5 v 供电电源( v d d ) 。d 1 为5 1 v 稳压管，用于防止由于电压的波动 而损坏元器件。供给无线模块的4 3 v ( v e e ) 电源是直流5 v ( v d d ) 经二极管d 3 ( i n 5 4 0 4 ) 降压 后直接供给无线模块删。 4 2 28im 卡接口电路 普通s i m 卡有8 条接口引脚，但通常只用其中6 条。图4 3 给出了普通s i m 卡与通信模 块的连接电路，只要将 i + j ；j 。 ；| ：o ； j 皤 ， u2 ls i m c l k ) o3 o 4 。 ， t ，； oj 0 o6 ：s x m d a t a )o7 暑 十7+ ：6 ：； ；c 1 7 ：= ：c 1 辜 ij7 ； 。1 0 4 l ，1 0 4 p； ： f ：。曩；l 一 ： j 。 i ：；： 口； 十； + 。；e ，j j ； ；： ，9 ；：；：鼍 ： ； 4 2 3 电平转换电路设计 图4 - 3s i m 卡接口 f i 9 4 3t h ed i a g r a mo fs i mi n t e r f a c e 对应相连接即可。 ：； 虽然整个系统设计主要按照3 3 v 接口进行设计，然而像r s 2 3 2 电路的输入、输出需要 r s 2 3 2 电平，同时g p r s 终端需要向用户提供r s 2 3 2 电平的串口输出。因此需要进行”l r s 2 3 2 或者r s 2 3 2 - - 一t t l 的电平转换。本文设计了如图4 - 4 的电平转换电路，非常简单的实 现了电平的相互转换。 4 车载终端的硬件电路设计 图4 4 电平转换电路 f i 酣- 4t h ed i a g r a mo fv o l t a g et r a n s i t i o nc i r c u i t 该电路的核心是m a x 3 2 3 8 ，它是一个专用的电平转换芯片。如图4 - 4 所示，供电电压为 5 v ( v b a t t ) ，输入3 3 v 逻辑时被转换成了r s 2 3 2 逻辑，可以实现t t l , - 一r s 2 3 2 之间的相互转换 1 l4 3 】 o 4 3g p s 接收机电路设计 e - c o m p a s s 的e 5 3 1 g p s 接收机模块从硬件上十分易于使用，非常适合做系统集成。最简 单的系统，除g p s 接收机模块外还要包括外部电源和g p s 天线。与g p s 系统的通讯可以通过 t t l 电平的串行口来实现n 9 4 引。 4 3 1e 5 3 1 用户接口 ( 1 ) 囱缝；釜份电源 图4 - 5e 5 3 1 用户接口 f i 9 4 5t h ed i a g r a mo fe 5 3 1u s g ti n t e r f a c e 1 7 西安理工大学硕士学位论文 4 3 2e 5 3 1 模块电源电路设计 由于e 5 3 1 的接e l 电平为3 3 v ，e 5 3 1 模块需要3 3 v - - 一5 5 v 供电电压，因此e 5 3 1 终端选 用5 v 直流供电。根据e 5 3 1 的硬件设计手册，可以知道e 5 3 1 的峰值电流小于4 5 m a ，所以e 5 3 1 终端选用如图4 - 6 所示外接直流电源供电： 图4 6e 5 3 1 电源电路图 f i 9 4 6t h ed i a g r a mo ft h em o d u l eo fe 5 3 1p o w e rs u p p l y 外部5 v 直流电源经v c c 接入e 5 3 1 ，经过c 1 5 以及c 2 5 进行滤波后，经由a m s l l l 7 进 行电压转换，在输出端，经过c 1 3 3 进行滤波后，可以得到比较平稳的直流3 3 v 供电电压。 其中a m s l1 1 7 是一款专用的电压转换芯片，峰值电流为1 a n 9 4 4 1 。 4 3 3e 5 3 1 电平转换电路设计 e 5 3 1 与外界通信的接口是通过3 3 v 的t t l 电平串口，为了易于与p c 等其它系统的对 接和调试，需要将3 3 v 的t t l 电平转化成r s 2 3 2 电平，转换电路如图4 - 7 所示： 图4 - 7e 5 3 1 电平转换电路图 f i 9 4 7t h ed i a g r a mo fv o l t a g et r a n s i t i o nc i r c u i to f e 5 31 该电路的核心是m a x 3 2 3 2 ，它是个专用的电平转换芯片。如图4 7 所示，供电电压为 3 3 v ( v b a t t ) ，输入3 3 v 逻辑时被转换成了r s 2 3 2 逻辑，可以实现t t l - r s 2 3 2 之间的相互 4 车载终端的硬件电路设计 转换n 94 4 柏3 。 4 4 语音模块电路设计 4 4 1is d 4 0 0 4 简述 语音模块采用专用的语音芯片i s d 4 0 0 4 ，i s d 4 0 0 4 是美国i s d 公司制造的一种新款语音芯 片。与i s d 其它系列语音产品不同的是，i s d 4 0 0 4 是一种微控制器“从”设备，而“主”控 制器可以是内置有s p i 兼容接口的微控制器，也可以用i 0 口仿真s p i 通信协议。i s d 4 0 0 4 系列工作电压为3 v ，单片录放时间为8 1 6 分钟，音质好，适用于移动电话及其它便携式 电子产品中。片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存1 0 0 年( 典型值) ，反复录 音1 0 万次h 引。图4 8 是该芯片的管脚示意图： 铀 a o m 酝 翻 a n a 粕十 腓弱卜 踏c f i 9 4 8t h ed i a g r a mo fi s d 4 0 0 4c h i p 4 4 2i s d 4 0 0 4 模块电源电路设计 i s d 4 0 0 4 的工作电压是3 o v ，最大工作电流2 5 m a ，要求电压稳定性好。所以在此选用 h t 7 1 3 0 ，h t 7 1 3 0 是采用c o m s 技术的三端口低功耗高电压调整器，c o m s 技术确保了低压降和 低静态电流，可以满足系统的需求h 硝，电路如图4 - 9 所示： 姒燃一黼撇牝孵牝 嚣腆粒能凇黼粒跹憋 西安理工大学硕士学位论文 iu 一立上 + c 1 2 。 l 一 。一ij 一一 、l o u f 1 l - 一 c 1 3 一 一f “卜5 1 ； g m d、1 o ；1 ；h 矿妄5 曩0 3 n d 二乙! o u f 三j l ；ll ； ；i 图4 - 9i s d 4 0 0 4 电源电路 f i 9 4 9t h