（模式识别与智能系统专业论文）基于arm7的多功能车载定位监控终端的设计与实现.pdf

t h ed esg 烈a n di m p l e m e n t a t i o n o fa u t o m o t i v ep osi t i o n i n g d e v i c eb a s e do na i 心江7 at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e mi cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y y eli a n x u a n s u p e r v i s e db y p r o f y eh u a s c h o o lo f a u t o m a t i o n so u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：吐显塑日期： f d 。4 z 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：吐珏疸导师签名：日期：量! ! 鱼! ! ! 摘要 摘要 随着我国汽车工业的飞速发展，人们对汽车的安全、舒适等特性要求的提高，传统的机 动车辆监控方式已不能满足人们对车辆安防、监控以及管理等方面的迫切需求。各种社会问 题与日俱增，如车辆被盗、车辆被劫、车辆物流管理、特种车辆的监控调度和城市交通管理 系统日益复杂臃肿等等。自动控制技术、汽车电子技术、多媒体技术、互联网技术、无线通 信技术的引入，使得设计系统化，功能多元化的车载监控系统成为未来车载设备发展的趋势。 本文基于当前先进的g s m g p r s 通信技术、计算机控制技术以及g p s 定位技术等方面的技 术成果，设计并实现了基于高性能a r m 7 处理器的嵌入式车载定位监控终端。 论文首先对课题的应用背景做详细的调查研究，分析了目前国内外相关技术的发展现状， 介绍了所涉及到的一些相关技术和理论。接着对该项目做了详细的需求分析：包括硬件要求 和软件功能要求。在经过严密客观的分析后，提出了本文的最终系统软硬件设计方案。 针对所提出的系统方案，将系统的硬件部分的设计分为两块进行，一部分是核心板设计， 包括基本的外围电路、晶振电路、复位电路、s d r a m 电路、n a n d f l a s h 电路等等；另一 部分是系统主板设计，包括g p s 模块电路设计，g s m g p r s 模块电路设计，车载手柄电路设 计，c a n 通信电路设计，开关量采集电路设计等。在硬件设计完成并调试成功以后，根据系 统功能的要求，对u c o s i i 操作系统的内核进行了合理的配置，并完成了该操作系统的移植。 系统的软件设计，是车载终端的重要组成部分，这包括各个功能模块的实现和完善以及 各个任务层的软件设计。文中详细介绍了操作系统移植、驱动程序开发、主要功能实现、任 务层设计等各个方面的内容。 最后给出了系统的测试结果及分析，同时提出了作者的体会以及对产品改进的展望。 关键词：g p s ，g s m g p r s ，嵌入式系统，车载终端，语音手柄，u c o s i i ，c a n a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r y ，t h ed e m a n do fs a f e t ya n d c o m f o r t a b l ec h a r a c t e r si m p r o v e s t h et r a d i t i o n a lw a yt om o n i t o rm o t o rv e h i c l e sc a l ln o tm e e tt h e u r g e n tn e e d s o fv e h i c l e ss e c u r i t y , m a n a g e m e n ta s p e c tw h i c hr e s u l t i n gi nt h es u r g eo fs o c i a l p r o b l e m s f o re x a m p l e ，v e h i c l e s t o l e n ，v e h i c l e r o b b e d ，l o g i s t i c sp r o b l e ma n ds p e c i a l v e h i c l e s s c h e d u l i n gp r o b l e m s i th a sb e c o m eat e n d e n c yo fv e h i c l em o n i t o rs y s t e mt ob es y s t e m a t i cd e s i g n a n dm u l t i f u n c t i o nd e s i g nw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , m u l t i m e d i ai n t e m e tt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t m st h e s i s p r o p o s e dad e s i g no fi n t e l l i g e n tc a rt e r m i n a lb a s e do na i 蝴，g p sa n dg p r st e c h n o l o g y t h ep a p e rf i r s ts t u d i e st h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，a n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e dw o r k a th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h er e l a t e dt h e o r ya n dt e c h n o l o g ya b o u tc a rt e r m i n a l t h e n t h ed e m a n d s ，i n c l u d i n gs o f t w a r ef u n c t i o na n dh a r d w a r ei n d e x ，a r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r a f t e r c o m p a r i n ga l lo ft h et a r g e t s ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ef i n a li m p l e m e n t i n gs c h e m e a c c o r d i n gt ot h ei m p l e m e n t i n gs c h e m e ，t h eh a r d w a r ed e s i g na r ed i v i d e di n t ot w os e c t i o n s ：o n e i st h ed e s i g no fk e r n e lb o a r d ，i n c l u d e sp e r i p h e r y - c i r c u i t ，c r y s t a l c i r c u i t ，r e s e t - c i r c t u i t ，s d r a m - c i r c u i t ， n a n d f l a s h c i r c u i t ，t h eo t h e ri st h ed e s i g no fi o i n tb o a r d ，w h i c hi n c l u d e sa l lo f t h ep e r i p h e r a li n t e r f a c e m o d u l e ss u c ha sg p s ，g s m g p r s ，t e r m i n a l - h a n d l e ，c a ne t c a f t e rd e s i g n i n ga n dt e s t i n gt h e h a r d w a r e ，b a s e do nt h en e e d e dr e s o u r c e ，t h ep a p e rg i v e sar e a s o n a b l ek e m e lc o n f i g u r a t i o n ，a n d f i n i s h e st h ep o r t i n go fo p e r a t i n gs y s t e m s t h e nt h es o f t w a r ed e s i g ni si n t r o d u c e di nd e t a i l f u n c t i o nr e a l i z a t i o n ，s y s t e mp o r t i n g ，d r i v e r d e v e l o p m e n ti si n t r o d u c e db yt h e no n ea f t e ra n o t h e r i nt h ee n d ，i tg i v e st h et e s tr e s u l to ft h es y s t e m t h e n ，t h ea u t h o r se x p e r i e n c ea n dt h e f o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ka r ed i s c u s s e di na d d i t i o n k e y w o r d s ：g p s ，g s m g p r s ，a r m e m b e d d e ds y s t e m ，h a n d l e ，v e h i c l et e r m i n a l ，c a n ， u c ，o s h 目录 摘要 目录 i i i i i ! 。l a b s t r a c t 。 目录 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义一l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状。2 1 2 2 国内研究现状2 1 3 论文的主要内容与章节安排3 第二章车载监控终端的关键技术与总体设计 2 1 车载监控系统的组成。5 2 2g p s 技术概述一5 2 2 1g p s 系统的组成5 2 2 2g p s 定位的原理。6 2 3g p s 车载系统中的通讯技术7 2 3 1g s m 通讯系统简介7 2 3 2g s m 系统的组成8 2 3 3g s m 网络的通信方式9 2 3 4g s m s m s 通讯技术。l o 2 3 5g p r s 技术1 0 2 4 车载定位终端的功能需求分析“ 2 5 车载定位终端的总体设计1 2 2 5 1 车载定位终端的硬件结构1 2 2 5 2 车载定位终端的软件结构1 4 2 6 本章小结l5 第三章终端硬件设计。 3 1a r m 控制器的选择1 7 3 1 1 各类处理器的比较1 7 3 1 2n x p 的l p c 2 21 4 处理器介绍l8 3 2a r m 核心板电路设计19 3 2 1a r m 控制器接口1 9 3 2 2 基本外围电路2 l 3 2 3s d r a m 电路设计2 3 3 2 4n a n df l a s h 电路设计2 4 3 3 主板的硬件电路设计2 4 3 3 1 串口电路等外围电路设计2 4 3 3 2 电源电路设计2 5 3 3 3 g p s 模块电路设计2 6 3 3 5c a n 通信模块电路设计3 0 3 3 6 外部状态采集电路设计3 2 3 3 7 车载手柄电路设计3 3 3 3 8 调试与测试接口电路设计3 4 3 4 电路的抗干扰设计3 4 3 5 本章小结3 4 l i i 目录 第四章终端软件设计3 5 4 1 软件开发平台的搭建3 5 4 1 1 软件的集成开发环境3 6 4 1 2 软件的调试工具3 6 4 1 3 启动代码的编写3 7 4 2 嵌入式操作系统的移植4 0 4 2 1 使用嵌入式操作系统的必要性4 0 4 2 2 嵌入式操作系统的选择4 0 4 2 3u c o s 1 1 的移植4 l 4 3 驱动程序编程4 3 4 3 1 驱动编程涉及到的重要概念4 4 4 3 2u c o s i i 底层驱动编程4 4 4 4 主要模块功能的软件实现4 7 4 4 1g p s 功能的实现4 7 4 4 2s m s 功能的实现4 9 4 4 3g p r s 功能的实现5 2 4 4 4 手柄功能的实现5 3 4 4 5c a n 通信功能的实现5 5 4 5 任务层的设计5 8 4 5 1 监视任务的设计5 8 4 5 2 读串口任务5 8 4 5 - 3 串口0 数据处理任务5 9 4 5 4 定时任务5 9 4 5 5 手柄任务6 1 4 6 本章小结6 1 第五章系统测试与分析t ；：1 5 1 硬件平台的搭建及a r m 最小系统的测试6 2 5 2u c o s i i 操作系统的移植的测试6 2 5 3g p s 定位实验6 3 5 4 车载手柄实验6 5 5 5g s m g p r s 通信实验6 6 总结和展望 致谢 参考文献 作者在攻读硕士学位期间发表的论文 附录一 附录二 附录三 1 v 6 8 6 9 7 0 7 2 7 3 7 4 7 5 第一章绪论 第一章绪论 本章首先阐明本文所选课题的研究背景及其所具有的研究价值，然后评述车载监控系统 的国内外研究现状，最后综述本文的主要研究内容和组织结构。 1 1 课题研究背景及意义 近年来，随着我国国民经济的飞速发展，我国的汽车工业和城市化进程也步入了一个高 速发展的阶段。据统计从2 0 0 7 到2 0 1 0 年，中国车载g p s 市场年销量增长率超过5 0 ，增长 速度超过汽车市场。然而，目前我国车载g p s 的安装率不到1 0 ，远远低于日本等发达国家 的5 9 的水平。随着我国私人汽车保有量的增长和汽车电子产业的发展，中国车载g p s 市场 容量将不断增长。2 0 0 8 年中国车载g p s 市场销售额接近8 0 亿元，预计2 0 1 0 年中国汽车g p s 系统终端销售额将超过1 0 0 亿元。可见车载g p s 市场己成为继通信、互联网之后的第三个新 的经济增长点n 1 。由于g p s 车载市场巨大的潜在市场价值，势必会受到了政府、企业、行业 协会等的高度关注。 人民生活水平的不断提高，城市里面机动车辆数量的飞速增加，同时也带来了越来越多 的社会问题心1 。例如：( 1 ) 私人车辆被盗事件频繁发生，车辆的寻找以及车辆被盗案件的侦 破存在很大困难；( 2 ) 出租车管理混乱，城市各区域、地段运力需求分布动态变化导致车辆 利用率低，出租车夜间运行易遭不法分子抢劫却不能及时报警；( 3 ) 公交监控调度系统目前 存在成本较高，业务适应性较差，系统升级扩容需要大规模的改动硬件等问题；( 4 ) 工程机 械的施工环境复杂多变，而且往往条件恶劣。工程机械设备供应商对外租的工程机械监控调 度困难；( 5 ) 对特种车辆的监控一直是银行、公安消防、物流以及其他特殊部门的迫切需求， 以往的人人联机方式在一些司乘人员不熟悉的陌生环境将不能有效发挥作用，然而特种车辆 运行的地域广泛性、目的地的随机性又是不可预知的。总得来说传统的车辆监控方式的局限 性日趋明显。 g p s 定位技术在全球范围内的普及和g s m g p r s 网络通信技术的飞速发展，使得人们找到 解决这些社会问题的一个有效方案：那就是将g p s 技术和g s m g p r s 技术整合在一起，构建一 个高效实用、业务适应性强、易于维护、系统升级扩容简单方便并能够实现对车辆进行监控、 跟踪、反劫、防盗、报警、调度的多功能g p s g s b l 车辆监控系统。它必须可以实时对车辆的 位置、运行状态等动态信息进行监控，及时排除车辆遇到的一些问题，这样就可以提高车辆 的有效利用率，保障司乘人员的人身安全，提高车辆抢险救援效率，合理有效的利用现有道 路和通讯资源，提高道路通行能力，减少交通事故的发生b 1 。 因此，本文采用了一种能够远程监控，以车载定位终端和监控中心为主、用户为补充的 嵌入式车载g p s g s l v l g p r s 定位跟踪方案。车载定位终端通过g p s 模块接收相应的位置信 息，并采集车辆的状态信息，数据处理后通过g s m g p r s 网络发送报文到监控中心，监控中 心也可实时查询，监控车辆的运行状况。同时用户可以通过发送手机短消息或直接与监控中 心进行通信来查询相关的车辆信息据需要。在硬件设计上，出于对终端的显示、通信和设置 方面的要求，终端使用了车载手柄。该手柄作为g p s 移动终端的可视化界面产品，主要功能 有收发短信、短信、拨打接听( 免提) 电话、车辆调度、布防撤防( 泊车) 等功能。这种 软硬件方案的优点在于：o v s 和g s m g p r s 网络覆盖全球，适用世界上任何地区。( g ) g p r s 实时在线，可以实时的监控车辆的状态。用户和车载系统之间可以直接交互，操作简单方 便。设备体积小，成本低廉，隐蔽性好，安装简便，维护方便。 飞速发展的汽车工业和人们对车载电子设备的越来越高的需求，使得g p s g p r s 定位系 统具有很强的市场竞争力和广阔的市场前景。研究该项目具有现实的社会意义和经济意义。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外车载定位监控导航系统方面的研究起步于二十世纪八十年代中期，美、英、以色列、 日本等国在这些方面开展了积极的研究开发工作，并推出了几种技术方案及相应的产品。下 面就来介绍一些国外的车载定位监控系统： ( 1 ) 日本是当今车辆监控与导航系统和智能交通系统发展最为成功的国家之一，它的研 究计划始于1 9 7 1 年的综合车辆交通控制系统( c o m p r e h e n s i v ea u t o m o b i l et r a f f i c c o n t r o l s y s t e m ，c a t c s ) 。8 0 年代，日本生产了配有彩色显示器并使用c d r o m 存放数字地图和基 于无线通讯技术的自主引导系统。此后随着g p s 、地图匹配、语音引导等新技术的应用，各 种各样的车辆监控与导航系统产品被推向市场。1 9 9 9 年底，日本国内装有车载导航仪的车辆 己经超过5 0 0 万台，2 0 0 0 年日本的车辆g p s 导航产品产量到达2 0 0 万套，年增长率为3 3 3 h 1 。 ( 2 ) 上世纪8 0 年代，在欧洲，两款名为c a r i n 和e v a 的车辆监控导航系统先后推出。 c a r l n 系统是世界上第一种使用c d r o m 存储数字地图的导航系统，它使用推算定位和地 图匹配技术，并采用彩色显示地图；e v a 系统早在1 9 8 3 年就成功地进行演示，除了推算定 位和地图匹配技术外，它还可以用图形化指令和合成语音为司机提供路径引导。8 0 年代中期， 两项智能交通系统试验计划先后开展：欧洲高效交通及安全系统规划( p r o g r a m m e rf o ra e u r o p e a nt r a f f i cw i t hh i g h e s te f f i c i e n c ya n du n p r e c e d e n t e ds a f e t y ，p r o m e t h u s ) 和欧洲红外 道路交通安全体系( d e d i c a t e dr o a di n f a n t r i e sf o rv e h i c l es a f e t yi ne u r o p e ，d r j v s e ) 开始在欧洲 大规模实施。进入2 0 世纪9 0 年代中期开始，p r o m e t h u s 演变为欧洲交通系统规划，而 d r i v s e 也变成了交通电信技术应用规划晦1 。 ( 3 ) n a v s y s 公司也是从事这方面开发工作的国外公司之一，它于1 9 9 4 年把g p s 和蜂窝 通信联系起来，设计了t i d g e t 系统，该系统中的车辆在街区上行驶时可以把它们的位置发 向中心站从而请求援助。随后，t r i m b l e 和m o t o r o l a 公司也加入开发者的行列，将g p s 与 通信单元结合起来应用于多种领域。1 9 9 5 年，t r i m b l e 开发的m e s s e n g e r 系统将公司的六通 道g p s 接收头与公用蜂窝网连接起来，并在船只管理市场中居领导地位。m o t o r o l a 公司则 将其八通道o n c o r e 接收头和m o t o r o l a 的一种无线电收发两用机联系起来，开发了m o t o r o l 蜂窝定位系统。国外的这类系统还有f o r d 的r e s c u 系统、r o c k w e l l 的a d t ，a t x ( s a n a n t o n i o ，t e x a s ) 的o n g a r d 系统等等。他们设计的g p s 车辆监控系统一般都和蜂窝通信联系 起来，通讯方面具有比较高的实用性。现在，愈来愈多的这类系统通过测试，走入市场，而 且功能走向多元化。如最近在美国华盛顿州安装测试的一套名为m a y d a y 的g p s 报警处理系 统，就以其强大和实用获得了华盛顿交通部门的高度评价1 。 1 2 2 国内研究现状 和国外相比，国内这方面起步较晚，同类系统所采用的技术相对落后，尤其是在通讯技 术方面，和国外相比还有差距。大约从1 9 9 4 年开始，一些从事g p s 研究开发的公司、单位 结合国情也进行了这类车载定位监控导航系统的设计和开发工作。 ( 1 ) 南京市“1 1 0 ”报警巡逻车g p s 监控系统 车载部分采用g p s 差分6 1 2 通道并行接收机，内含g p s 接收板、调制解调器、处 理板、电台等；控制中心由固定电台、g p s 接收板、调制解调器、微机工作站、g i s 矢量数 据处理、模拟显示板图等组成。控制中心与各巡逻车采用主从单频通信，依次巡检，中心站 点名巡逻车应答方式。整个通信网络的操作均由控制中心控制，控制中心首先给网内所有巡 逻车进行“注册登记 ，按前后顺序与每辆巡逻车依次进行信号连接及数据交换。数据交换的 接口是串行数据接口( r s 一2 3 2 、r s 4 2 2 或a n s 1 x 3 1 6 ) 。该套系统在数据无线传输方面反 应较慢，如果巡逻车增至1 0 0 辆时，控制中心更新一遍数据的时间要用8 分钟多。 ( 2 ) 海口市公安局g p s 移动无线报警终端 2 第一章绪论 这套系统最大的特点是移动单元一体化的设计，即g p s 接收机、超短波收发信机、单片 计算机管理控制器以及调制解调器是做在一个整体机内。移动终端具有两个用户自行定义的 遥控口，可以实现遥控熄火等功能。中心站可以通过无线的方式对移动终端进行点名检验。海 口的这套系统属于比较初级的车辆监控系统，大部分是现有设备的一种集成的设计。通讯方 式在系统规模较大的情况下性能明显下降。中心计算机虽然具有图形功能，但没有达到矢量 化电子地图的高度，功能比较简单。 ( 3 ) 机动车辆反劫防盗卫星定位系统和出租车定位调度反劫防盗管理系统 2 0 0 0 年，福建省创讯安防科技有限公司引进美国创讯专利信令技术建构的“机动车辆反 劫防盗卫星定位系统”和“出租车定位调度反劫防盗管理系统”用于机动车辆和出租车辆的定 位监控。该卫星定位系统是一个全天候高精度的无线导航、定位、定时的多功能系统，广泛 应用于运钞车监控，交通车辆管理运营，出租车调度管理，警网调度等领域。如果车辆失踪， 监控中心可以及时把该车身份码输入计算机，计算机屏幕会自动打开该车所处方位的电子地 图并准确显现该车方位及状态：如果车辆遇劫，驾驶员只需暗中启动报警装置，监控中心立 即响起警铃，计算机电子地图上实时显现报警车辆的准确地点，车身颜色，车牌号，车主姓 名，行驶速度，方向，自动开启遥控监听装置，监控中心可随时进行录音；在车辆紧急的情 况下，监控中心也可以采取遥控熄火，使被盗，被抢车辆无法行驶。该系统还可对车辆行驶 的路线和速度进行预先设定，如车辆超越预先设定的路线，监控中心即响起警铃，电子地图 显现车辆图像盯3 。 总的来说，国内的g p s 车载定位监控系统的发展相对落后，在技术和功能上和国外的同 类系统差距较大。国外的这些系统的发展历程也可以看作是整个g p s 车载定位监控导航系统 发展的缩影，这个历程也给我们提供了未来g p s 车载设备发展的方面。未来的g p s 车载定 位监控导航系统必将会包含通讯技术、控制技术、定位技术、多媒体技术等多种技术，这些 g p s 定位监控导航设备不仅要提供实时准确的定位、监控、导航服务，还要能极大的改善公 路交通的效率和安全性，改善了环境，为现代信息社会提供了准确、迅速的出行服务。 1 3 论文的主要内容与章节安排 本论文的后续章节将围绕g p s 技术、g p r s 技术和嵌入式技术来介绍嵌入式车载g p s 定 位监控终端的软硬件设计工作，主要内容涉及到g p s 卫星定位技术、g s m g p r s 移动通信技 术、信号采集和处理技术、嵌入式系统应用等多个领域。总的内容可以分为理论研究和系统 实现两部分。 理论研究主要是指的是g p s 卫星定位技术和g s m g p r s 通信技术。对于g p s 卫星定位 系统而言，着重研究g p s 卫星定位系统的工作原理和数据处理：对于g p r s 通信，重在介绍全 球移动通讯网g s m 网络技术，g p r s 技术，手机短信息的实现原理，g p r s 数据传输的实现等； 系统实现是本论文的重点，终端的主要任务是通过g p r s 无线通信平台，实现g p s 卫星 定位信息的传输。论文从硬件设计和软件设计两个方面阐述如何实现系统功能。硬件方面通 过采用嵌入式系统，g p s 卫星采集模块、g p r s 无线通信模块和车载电话手柄等提供资源保 障，软件方面则是基于嵌入式u c o s i i 操作系统进行软件开发。 本文共分六个章节。 第一章：绪论部分主要介绍车载卫星定位系统的国内外研究现状及车载定位监控系统的 发展趋势。 第二章：简要介绍车载定位监控系统的组成及涉及的关键技术，包括g p s 定位技术和 g s m g p r s 通信技术等相关知识。随后在分析系统的功能要求的基础上，提出了嵌入式车载 g p s g p r s 定位系统的总体设计方案，并描述系统硬件和软件的总体设计。整套方案的具体 设计分别在第三章终端硬件设计和第四章终端软件设计中详细阐述。 第三章：系统硬件设计包括核心板的电路设计和主板的g p s 信号采集模块电路设计， 东南大学硕士学位论文 g p r s 无线传输模块电路设计，车载手柄电路设计，c a n 通信电路设计，开关数据采集电路 设计以及电源电路等各部分的电路设计。 第四章：系统软件设计，先重点介绍了嵌入式软件在a r m 7 微处理器l p c 2 2 1 4 上的移植 过程。然后介绍u c o s i i 驱动程序的设计，接着就系统的各个主要功能的软件实现进行了阐 述，例如g p s 定位信息的软件处理、s m s 和g p r s 两种方式传输的实现、c a n 通信的软件 实现、车载手柄功能的实现等。最后，描述了系统任务层的设计。 第五章：对试验方案的结果分析，进行操作系统移植的测试，g p s 定位测试，g p r s 测试 等等，并对测试结果进行了简要分析。 最后总结自己所做的工作，并对车载定位监控终端的进一步发展做了展望。 4 第二章车载监控终端的关键技术与总体设计 第二章车载监控终端的关键技术与总体设计 2 1 车载监控系统的组成 g p s g s m g p r s 车辆监控系统分为三大部分，分别为车载终端部分、监控中心部分、无 线通信网络部分( 见图2 1 ) 。无线通讯系统主要是利用通信运营商提供的数据和短信息服务， 这罩的通讯方式就是指无线通讯系统的通讯手段；监控中心由g p s 服务器、数据库服务器、 呼叫中心系统、监控工作站、管理工作站路由器和防火墙组成：车载终端主要由g p s 接收模 块、g p r s 通信模块、车辆控制模块、屏幕等部分组成，主要有车辆定位、与监控中心进行 双向通信、车辆控制等功能。监控中心在接收到车载终端传回的g p s 位置数据后可以确定监 控车辆的位置信息、历史运行轨迹，进而分析其运行是否正常，是否偏离预定路线，速度是 否异常。在出现异常情况时，监控中心可以通过发布监控指令来实现实时的调度和控制懈1 。 2 2g p s 技术概述 图2 - 1 车载监控系统的组成 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ：全球定位系统，它是美国从上世纪7 0 年代开始研制， 历时2 0 年，耗资近2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有 在海、陆、空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旧1 。由于社会发 展的需要，g p s 技术广泛地应用于民用建设中。本论文中设计开发的车载定位监控终端就是 集g p s 技术，g p r s 技术于一身的智能化监控设备。g p s 技术是整个系统的关键技术之一。 这里将对g p s 的基础知识及相关技术作简单的介绍。 2 2 1g p s 系统的组成 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星；地面控制部分地面监控系统；用户设 东南大学硕士学位论文 备部分g p s 信号接收机n 叫。 空间卫星部分的星座由2 4 颗在轨卫星组成，如图2 - 2 所 示。2 4 颗在轨卫星均匀的分布在6 个地心轨道平面内，每个 轨道4 颗。卫星轨道平均高度2 0 2 0 0 k m ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分钟。g p s 卫星的空间分布保障了在地球上任何地点、 任何时刻至少有4 颗卫星被同时观测，加上卫星信号的传播 和接收不受天气状况的影响，因此，g p s 系统是一种全球性、 全天候的连续实时定位系统。 地面g p s 地面监控部分由5 个地面站组成，主要是对卫 星进行监测和数据修正等工作。 用户设备部分包括g p s 接收机硬件和数据处理软件等设 备，其主要功能是利用接收机天线接收g p s 卫星发射的信号，图2 - 2g p s 卫星空间星座图 以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单处理实时地计算测量出所测目标的三维位 置，三维速度和时间而实现实时导航和定位。g p s 定位系统除了最主要是应用于定位导航， 其它应用还包括测时测速等等。 2 2 2g p s 定位的原理 g p s 地面观测点定位的方法较多，有伪距定位法、多普勒定位法、载波相位定位法、伪 距测量加多普勒定位法、干涉定位法等，常用的是前三种。多普勒定位法和载波相位定位法 定位精度比伪距测量定位法高，同时其成本造价也要高出许多，现在商用g p s 接收机主要采 用伪距测量定位法。 g p s 伪距定位的基本原理1 2 1 是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接7 收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。如 图2 3 所示，每一颗卫星连续不断地向g p s 接收机发送可跟踪的唯一编码序列，g p s 接收机 可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。 l j 暑2 ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) - p 星a ( x 3 , y 3 ，z 3 ) 图2 - 3g p s 定位原理 假设t 时刻在地面上待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机的时间岔， 再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式n 朝： l 【( _ - x ) 2 + ( m y ) 2 + ( 刁一z ) 2 】- + c ( 1 一k o ) = 4 ( 1 ) l ( 屯一x ) 2 + ( 耽一y ) 2 + ( z 2 一z ) 2 】j + c ( k 2 一e o ) = 畋 ( 2 ) 6 第二章车载监控终端的关键技术与总体设计 l 【( 屯一x ) 2 + ( 乃一y ) 2 + ( z j z ) 2 】互+ c ( k 3 一v , o ) = 喀 l ( _ 一x ) 2 + ( 坛一y ) 2 + ( z 4 一z ) 2 】j + c ( k 4 一k o ) = 以 上述四个方程式中的待测点坐标x ，y ，z 和。都是未知数。 z = ca t , ( i = l ，2 ，3 ，4 ) ； 谚( i = l ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 ，、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机之间的距离。 ( 3 ) ( 4 ) 觚( i = l ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 ，、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信号达接收机之间的距离所 经历的时间。 c 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 薯、y j 、乙( i = l ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空间直角坐 标，可由卫星导航电文求得： 圪分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钟差，由卫星星历提供； 形。为接收机的时钟差。 由以上方程即可结算出待测点的坐标x ，y ，z 和接收机的时钟差k 。 g p s 定位的误差按误差性质分为系统误差与偶然误差。系统误差主要包括g p s 卫星星历 误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。g p s 的系统误差是g p s 测量的主要误 差来源。由于系统误差有一定的规律可循，可采取某些措施使之减弱。为改善g p s 性能，最 有效的技术是差分g p s 技术。差分g p s 实现时，流动定位的流动站以位置固定已知并实时接 收的参考站为基准进行g p s 的误差校正，通过校正g p s 在通过大气层时的系统误差来获得较 高的精度。 经过近十年我国测绘等部门的使用表明，全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、 高效益等特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运 动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科，取得了好的经济效益和社会效益。 2 3g p s 车载系统中的通讯技术 如何在车载终端与监控中心和用户之间建立起一个实时可靠的通信网络是车载定位监控 平台能否有效运行的关键之一，也是车载监控系统性能优劣的关键问题之一。车载系统中的 通讯技术曾经成为制约车载定位监控系统发展的瓶颈之一。随着我国g s m g p r s 通信技术的 发展，g s m 移动通信网络被证明是车载定位监控系统通讯网络的最佳选择。 在g p s g s m 车辆监控系统中，车载台与监控中心之间的通信是通过车载台上的g s m 模 块来实现的。它既可以采用g p r s 技术把要传送的数据打包成一个符合t c p u d p 协议的数据 块，发送到监控中心；又可以通过s m s 短消息业务，将要传送的数据打包成符合短消息业务 格式的数据，在终端与用户，终端与监控中心之间以短消息的形式互相传递信息。下面先简 单介绍g s m 移动通信系统的原理。 2 3 1g s m 通