（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的新型汽车行驶记录仪设计与研究.pdf

摘要 随着汽车电子和现代交通的飞速发展，汽车行驶记录仪己逐步入汽车电子领 域，已成为现代交通运输的一个不可缺少的部分。汽车行驶记录仪可以记录汽车 行驶的状态，并且汽车行驶状况的记录对分析、鉴定道路交通事故、提高交通管 理执法水平和运输管理水平、保障车辆运行安全具有重要作用。 本次设计就是在原有记录仪的基础上，增加g p s ，g p r s 等功能，利用g p s 全球卫星定位系统提供的车辆导航定位数据和车辆自身的状态信息，通过g p r s 移动通信系统来建立起数字通道将位置和状态等信息送至监控中心，同时还接收 监控中心下发的各种命令。 本文首先介绍了汽车行驶记录仪研究的重要意义及国内外研究现状，并通过 对g p s 定位技术的研究、对g p r s 移动通信系统的各种业务、接入方式和其他 无线传输模式进行比较和分析以及对a r m 嵌入式硬件系统的不断实践，提出了 利用g p r s 短消息业务来传输车辆信息和监控中心信息的汽车行驶记录仪系统 解决方案。 然后本文详细论述了汽车行驶记录仪的硬件设计及软件的总体设计，主要包 括g p s 定位数据采集、g p r s 模块的数据接收和发送、数据的显示、按键的读取 及与p c 机的通信等部分的设计。实现了汽车的定位和监控功能。 关键字：嵌入式，汽车行驶记录仪，a r m ，g p s ，g p r s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ee l e c t r o na n dm o d e mt r a f f i c ，t h ev e h i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rh a sa l r e a d yb e e nc h a s e da n dp r o g r e s s e di n t ot h ee l e c t r o n i c f i e l do ft h ea u t o m o b i l e ，h a sa l r e a d yb e c o m ea l li n d i s p e n s a b l ep a r to fm o d e m t r a n s p o r t a t i o n i tc a nr e c o r dt h es t a t e t h a tc a nb ea n a l y z e dt oa p p r a i s et h et r a f f i c a c c i d e n t ，i m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h el a wo ft r a f f i ca d m i n i s t r a t i o n ，e n s u r et h ev e h i c l e o p e r a t i o ns e c u r i t y t h i sd e s i g ni st oi n c r e a s ef u n c t i o n s ，s u c ha sg p r s ，g p s ，e r e o nt h eb a s i so f o r i g i n a lr e c o r d e r u t i l i z i n gt h ev e h i c l en a v i g a t i n ga n dp o s i t i o n i n gd a t aa n d t h es t a t u s m e s s a g e so fv e h i c l e ，w h i l et h eo p e r a t o r c a na l s os e n dal o to fr e m o t e c o n t r o l l i n g c o m m a n d st ot h ev e h i c l e t h e s em e s s a g e sa r em a i n l ys e n ta n dr e c e i v e db yt h ed i g i t a l c h a n n e lp r o v i d e db yg p r s f i r s to fa l lt h ep a p e rd e s c r i b e st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo ft h ev e h i c l et r a v e l i n g d a t ar e c o r d e ra n dr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d t h r o u g hh a r dw o r ko fs t u d yo n g p s t e c h n i q u ea n dt h ea r m e m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dc o m p a r i n gt h es e r v i c e ， a c c e s s i n gm o d eo fg p r sw i t ht h eo t h e rw i r e l e s st r a n s p o r t i n gm o d e ，t h i sp a p e r p r o v i d e sav e h i c l er e c o r d e rs y s t e ms o l u t i o nb yu t i l i z i n gt h eg p r ss m s ( s h o r t m e s s a g es e r v i c e ) t ot r a n s p o r tt h ev e h i c l em e s s a g e s ，m o n i t o r i n gc e n t e rm e s s a g e s t h e nt h i sp a p e re l a b o r a t e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ev e h i c l er e c o r d e r s y s t e m s y s t e mi n c l u d e st h eg p sd a t ac o l l e c t i o n ，g p r sp a r t ，d i s p l a y , k e y s t o k ea n d c o m m u n i c a t i o n sw i t hp ce t c i tp r o v i d e st h eo r i e n t a t i o na n dm o n i t o r i n go ft h ev e h i c l e k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，t h ev e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r , a r m ，g p s ，g p r s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 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己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：自凉 签字吼2 。辟 月母日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者潞剐支河 签字日期：掰年二月冲日 翩躲锄蛾 签字日期：1 双簪月够日 学位论文的主要创新点 一在系统中采用a r m 芯片 1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x 集成了丰富的内部电路和外围 接口，在应用上提供了极大的灵活性；相对市场上传统的汽车行驶记 录仪，不仅有效的降低了系统成本，而且极大的提高了系统的扩展性 和适用性。 二g p s 、g p r s 模块的应用 由于利用g p s 全球定位卫星定位，通过g p r s 网络传输，不用 自己建网，相比传统车载无线电台通信网运行维护人员和多项费用， 无论建设单位还是车主的费用都大大降低。 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着中国经济的高速发展、加入w t o 之后与国际市场的接轨、人民生活水 平的不断提高，中国汽车保有量在未来很长一段时间内必然保持上升的趋势；同 时城市建设规模日益扩大，高速公路网络不断延伸，交通运输行业高速发展，城 市车辆、驾驶员及交通流量大幅度增长，无论是对于公安交通管理部门，还是对 于交通运输经营单位，都出现了许多新的问题。为此，实施智能交通管理，减少 违法驾驶行为，提高驾驶安全性，保障道路交通安全，越来越被人们所关注。作 为保障汽车安全行驶的智能交通电子产品汽车行驶记录仪系统的研究、开发 与应用，日渐成为人们所关注的焦点。 汽车行驶记录仪是汽车电子化、智能化的一个重要应用。汽车行驶记录仪又 称“汽车黑匣子”，它能完整、准确地记录汽车行驶状态下的各种信息，能将汽车 的行驶轨迹完整记录，并通过专用软件在电脑上再现。它不仅拥有事故分析功能， 还能在驾驶员超速行驶时发出超速报警声以提醒驾驶员减速行驶，并详细记录车 辆每次的起动时间、行驶里程、行驶时间、最高车速以及每次最高车速的持续时 间，方便管理部门根据所记录的有关数据对车辆进行有效的管理。 国外对汽车行驶记录仪的认识比较早。1 9 7 0 年，欧共体开始在成员国内强 制推行使用记录仪。1 9 9 2 年欧盟成立，替代欧共体，原欧共体有关记录仪应用 的各项法规继续有效。截至目前，欧盟1 5 个成员国约7 0 0 多万辆商用货运和客 运车辆安装了记录仪，是世界上使用记录仪数量最多的地区p l 2 i 。据德国交通运 输部公布的德国客车及货车安装记录仪后的事故统计数据显示，从1 9 7 0 年欧共 体开始全面强制使用记录仪至今，德国客运及货运车辆道路交通事故发生率一直 呈下降趋势。如1 9 7 0 年，货车为平均行驶约每5 0 万公里发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为每1 6 0 万公里发生一起事故，事故发生率降低了2 2 倍；客车从1 9 7 0 年的每4 0 万公里发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为每1 0 0 万公里发生一起事故， 事故发生率降低了1 5 倍1 3 1 1 4 j 。国外的使用情况表明，汽车行驶记录仪的合理利 用可以在很大程度上缓解交通压力，提高道路利用率，特别是对于城市公交的合 理动态调度有显著的效果，为国家行政管理部门提供了有效的执法工具，为道路 运输企业提供了管理工具，为驾驶员提供了其驾驶活动的反馈信息，对保障道路 交通安全起到了直接的作用 2 1 1 5 1 。 第一章绪论 1 2 国内外汽车行驶记录仪研究现状 1 2 1 国外汽车行驶记录仪研究现状 汽车行驶记录仪制造和应用的发源地在欧洲。早在2 0 世纪2 0 年代，行驶记 录仪便伴随着汽车里程表而诞生，当时是和汽车里程表结合在一起的。为了保障 道路交通安全运输，1 9 3 4 年，德国发明了世界上第一台纸盘式行驶记录仪，至 今已有7 0 多年的历史，1 9 5 3 年，德国政府开始对载重超过3 5 吨的货车和客车 强制推行纸盘式行驶记录仪。从2 0 世纪7 0 年代开始，国外发达国家陆续开始安 装使用汽车行驶记录仪。欧共体在1 9 7 5 年通过了在汽车上安装行驶记录仪的立 法，要求3 5 吨以上货车、9 座以上客车必须安装行驶记录仪【6 】。1 9 9 2 年欧盟成 立，原欧共体有关记录仪应用的各项法规继续有效。欧盟在第3 8 2 5 8 5 号法规关 于公路运输车辆的记录设备的第三款中规定：“记录设备应在欧盟成员国使用 的客货运输车辆上安装和使用”。这一立法要求欧洲1 5 个成员国在1 0 年内，给 在用的9 0 0 万辆卡车和轿车安装这一装置，这一做法很快在美国引起效仿【7 】【引。 几年的统计表明，使用汽车行驶记录仪后，交通事故发生率降低了3 7 5 2 ， 大大减少了人员伤亡和财产损失，产生了明显的经济效益和社会效益【7 】。 2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国首先开发了数字式汽车行驶记录仪，实现了 同步记录仪、电子采集数据、打印机打印状态信息等功能，用于监督驾驶员的超 时和超速驾驶行为。日本也将大规模集成电路和新型的存储介质用于记录仪，如 日本某型记录仪的采样频率达到1 m h z ，存储容量达4 m b 【9 】。目前较常见的电子 式记录仪包括记录器、显示器、数据采集处理卡、传感器以及p c 机处理软件等 几个部分，其中数据采集处理卡为便携式的磁卡，可插入记录仪进行数据采集， 亦可将采集到的数据送计算机进行图像处理和事故分析。 随着记录仪的广泛使用，其立法也在不断完善。日本的法律规定，拥有5 辆以上汽车的运输企业必须配备一名专职安全管理员，以后每增加2 0 辆汽车必 须增加1 名安全管理员【6 】。以定期采集分析记录仪的各种数据资料，完整、准确 地判定驾驶员的操作和车辆的运行状态，以此为依据加强运输企业的安全生产管 理。 欧盟也开始制定数字式记录仪的技术标准和法规，并规定从2 0 0 4 年8 月起， 在欧盟注册的毛重超过3 5 吨以上的商用车必须安装数字式行驶记录仪。在美国、 巴西等国，商用车若没有安装行驶记录仪则不可以使用公共道路。马来西亚、新 加坡等国也制定了汽车使用行车记录仪的法规，在南美、东南亚等其它国家也不 断有强制长途巴士和客运车辆安装记录仪的报道【9 l 。 第一章绪论 1 2 2 国内汽车行驶记录仪研究现状 我国对行驶记录仪的研究晚于国外，有资料显示，我国对行驶记录仪的研究 始于1 9 8 4 年，1 9 8 8 年汽车黑匣子的研究项目曾被国家计委等部门列入国家级重 大新产品试产计划【9 】。1 9 9 4 年，国内曾一度出现汽车行驶记录仪热，全国大约 有十几个省市的公安车管部门下达了安装汽车行驶记录仪的通知，同时也出现了 近百家汽车行驶记录仪的生产企业，但这一热潮很快就冷却下去，究其原因，一 方面是当时国家对汽车行驶记录仪的使用没有法规规定，另一方面是国家对汽车 行驶记录仪产品没有统一的标准，市场上出现的记录仪五花) k f l 、良莠不齐，影 响了功能、性能和使用的效果。 2 0 0 1 年1 0 月2 4 日公安部、交通部、国家安全监督管理局联合发布 2 0 0 1 1 8 3 号关于加强公路客运交通安全管理的通告的文件，明确了长途客车使用汽车 行驶记录仪的规定。同时，为了在全国范围内开展预防道路交通事故工作，公安 部和国家安全生产监督管理局联合制定并经国务院同意下发的 2 0 0 3 年预防道 路交通事故工作方案中也明确提出：要按照汽车行驶记录仪国家标准，逐 步稳妥地开始安装汽车行驶记录仪工作。到2 0 0 3 年4 月1 5 日，由公安部有关部 门起草、国家标准化管理委员会、国家经贸委审定通过，国家质量监督检查检疫 总局发布了汽车行驶记录仪的国家标准( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) ，于2 0 0 3 年9 月1 日 起正式实施。实施对象包括所有的在用车和新车，将逐步由点到面，分批分时的 展开】，并于2 0 0 5 年1 月2 5 日经国家标准化管理委员会批准，进行部分修改， 自2 0 0 5 年5 月1 日起实施。 虽然我国的研制工作起步较晚，但是无论在安装、操作、使用方面，还是在 电性能、信息记录存储、数据的下传、上载方式等方面，我国的记录仪都比欧盟 的起点高。欧盟推广使用的汽车行驶记录仪大多以机械式为主，产品价格昂贵、 维护费用高，还需要人工填写数据，使用起来极为不便。而我国的产品均为数字 式的电子设备，能够实时监测并记录车辆行驶的各种状态信息，同时还具备超速 报警功能、具备串口通信接口以及打印输出功能。各类产品体积小巧、价格合理、 无需专人维护且使用方便。 汽车行驶记录仪是一种法规性的产品，将在配套法规的支持下推广应用，国 外的经验做法就是如此，国内也将如此。据不完全统计，全国有广东、四川、吉 林、湖南、上海、浙江等2 0 多个省、自治区、直辖市汽车行驶记录的应用工作 取得进展，己安装使用行驶记录仪的客运、货运企业约3 5 0 多家，车辆约2 万辆。 目前，全国各地交通运输企业营运车辆安装使用行车记录仪的工作仍处于起步阶 段，各地的工作进展不一。推广使用汽车行驶记录仪是一项既定国策，是一项中 长期持久的工作任务，也是我国进入w t o 与国际接轨的产物【1 0 】【1 1 1 。 第一章绪论 1 3 系统的主要特点 本文研究的“基于a r m 的新型汽车行驶记录仪的研究与实现”是在国家记录 仪标准要求设计的基础上增加g p s ，g p r s 等功能，采用了各种技术克服传统汽 车行驶记录仪中精度不高、费用高的缺点，具有很高的实用价值。特点如下： ( 1 ) 监控范围大，可靠性高 j 由于系统采用全球定位系统( g p s ) 来对车辆进行定位，全球任何地方都能至 少观测到四颗定位卫星，并且通过全球通信g p r s 网络来传送报警和定位信息。 因而只要车辆在g p r s 网络覆盖区内，系统就能实现对车辆的各种监控。从而大 大提高了监控范围。 ( 2 ) 建网容易，手续简单，系统管理容易，运行费用低，通信便利 由于利用g p s 全球定位卫星定位，通过g p r s 网络传输，不用自己建网， 相比传统车载无线电台通信网运行维护人员和多项费用，无论建设单位还是车主 的费用都大大降低。 ( 3 ) 采用全球卫星定位系统g p s ，定位精度高 系统采用g p s 全球卫星定位技术融合其他技术来测定车辆位置，比较有效 地消除了各种误差，特别是消除了美国人为的s a 误差的影响，大大提高了定位 精度。 1 4 论文的研究内容 本论文主要工作是完成g p s g p r s 功能，主要是实现车辆与监控中心之间 数据的交互。所以不需要复杂的任务管理。使用简单方法烧写f l a s h ，系统启动 后直接执行该程序，不需要操作系统参与就能够实现对它们的管理。从事的主要 工作内容如下： ( 1 ) 系统整体方案的设计：摒弃了传统基于单片机的设计方法，系统主体采 用嵌入式设计，c p u 为常用的s a m s u n g 公司的a r m 7 系列s 3 c 4 4 b o x ，数据 的传输采用目前先进的g p r s 模块，并引入g p s 定位技术获取车辆的位置信息。 ( 2 ) 系统的硬件设计与实现：a r m 7 系列s 3 c 4 4 b o x ，s d r a m 内存，f l a s h 存储器，f r a m 存储，液晶显示单元，按键电路，g p r s 模块用于远程无线通讯 和g p s 模块用于车辆位置定位。 ( 3 ) 系统控制软件的设计与实现：引入模块化软件设计思想，并给出各部分 的程序流程图，列出系统中的关键程序。其功能主要是车辆状态信息的接收及存 储、按键处理、信息显示及串口通信。 第二章系统的总体设计 2 1 系统总体方案 第二章系统的总体设计 本系统由g p s 接收单元、g p r s 模块、主处理器、存储器、显示单元和按键 电路等组成，并提供与p c 机通信的接口。系统通过g s m g p r s 网络和监控中 心进行双向的信息传输；它接收g p s 定位信号，并将车辆的位置和状态信息传 送到监控中心，同时接收监控中心的指令数据。系统的结构框图如图2 1 所示。 2 2 主机模块方案设计 2 2 1 主处理器的选择 图2 - 1 系统结构框图 由于记录仪的设计涉及到数据采集、数据传输、数据存储等问题，所以主控 制器的选择对整个系统来说至关重要，根据仔细分析，提供以下三种方案。 方案一：以5 1 系列单片机为主控制芯片，此类单片机应用广泛，价格低廉 发展也较为成熟。但受到5 1 系列单片机的处理速度、体系架构、寻址范围、外 围接口资源等诸多限制，使得5 1 系列的单片机难以胜任记录仪主控制器的要求。 所以在设计本系统时不予考虑5 1 系列的单片机。 方案二：以d s p 芯片为主控制芯片，在芯片外围扩展必要的外围器件和外 围设备。d s p 芯片不仅具有可编程性，而且具有强大的数据处理能力和较高的运 第二章系统的总体设计 行速度，特别适合于对数字信号进行处理运算。但是与通用微控制器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱。结合汽车行驶记录仪自身特点( 实时数据的处理， 多任务的调度，各种f o 口的需求) ，另外记录仪的实时数据处理只是对数据进 行简单、基本的记录和存储，并不需要复杂的数字处理运算，同时记录仪要求主 控制芯片拥有较多的外围功能，在减少外围功能器件、节省成本的要求下，d s p 芯片不适宜作为记录仪的主控芯片。 方案三：以现在流行的a r m 7 芯片为主控制芯片，a r m 7 是一个小型、快 速、低能耗、集成式r i s c 内核，a r m 7 t d m i ( t h u m b ) 将a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调 试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。在外围扩展必要 的外围设备，用a r m 7 内核来控制各种外围接口设备，a r m 7 处理器的通用性、 处理速度高等一系列特点，完全可以用来处理记录仪大量的、结构简单的实时数 据，以及与上位机的通讯功能，同时也可以扩展汽车的导航功能。这样完全符合 记录仪主控制器的各项功能要求。 基于以上特点记录仪主处理器选用s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 作为主控 芯片。 2 2 2 数据存储方案的确定 国内汽车行驶记录仪中的数据应该包括两个部分，一部分为汽车实时数据 ( 存放汽车发生事故前后的数据) ，另一部分为汽车历史数据( 存放汽车过去一段时 间内的行驶状况) 。汽车实时数据主要是用于分析事故发生的原因和事故的责任， 汽车历史数据作为事故分析的参考依据和对汽车和司机的运行状况考核，历史数 据是以当前汽车实时数据为依据。由于行驶记录仪的数据是如此重要，所以对存 储器的要求很高。 汽车行驶记录仪的数据存储通常有以下几种方案： 1 s r a m 静态存储器 s r a m 是指静态随机存取存储器，掉电后会丢失数据。 由于e e p r o m 和f l a s h 的擦写次数的限制，检测的数据不能实时写入其 中，只能存储在s r a m 中，当到一定的时间或检测到掉电后，再把数据写入 e e p r o m 和f l a s h 中，e e p r o m 存储实时数据，f l a s h 存储历史数据，此方案 的特点是：系统价格比较便宜，但是性能却很不可靠，发生事故时整个系统都可 能掉电，当系统检测到掉电时，再把s r a m 的数据写入e e p r o m 和f l a s h 中， 已经没有足够的时间和电量，而且汽车系统的环境比较复杂，强烈的电磁干扰也 会使得这种方案可靠性很差。 第二章系统的总体设计 2 n v - s r a m 非易失性存储器 n vs r a m 有二种，一种为s r a m + 电池型，另一种为s r a m + e e p r o m 型。 不管是哪一种，首先价格都比较贵，不利于市场推广。另外在性能方面，如果 n v - s r a m 是s r a m + 电池型，有电池用完的危险，而电池的寿命一般只有3 5 年时间，存储数据将非常不可靠。如果n v - s r a m 是s r a m + e e p r o m 型，由于 此存储器的原理是在工作时，m c u 操作的是s r a m ，在检测到掉电后再把数据 存储到e e p r o m 中，这样也存在发生事故时数据写不进的危险，所以数据存储 也不是很可靠。 3 f r a m 铁电 f r a m 是美国r a m t r o n 公司的产品，称为铁电存储器，其核心技术是铁电 晶体材料。这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有s r a m 和非易失性存储产 品的特性，f r a m 技术融合了r a m 和r o m 的特性，具有r a m 的读写速度， 又能掉电保持，读写次数从1 0 0 亿次( 5 v ) 提升到无限亿次( 3 v ) ，有强抗干扰 能力，轻松达到汽车应用级别。目前f r a m 主要包括两大类：串行f r a m 和并 行f r a m 。其中串行f r a m 又分1 2c 两线方式的f m 2 4 系列和s p i 三线方式的 f m 2 5 系列。 由于方案l ，2 用于保存实时数据的不可靠性，决定采用f r a m 作为记录仪 存储器。但是，目前市场上出现的f r a m 芯片容量都不够大，所以考虑再使用 一块大容量f l a s h 作为数据存储器，而将f r a m 作为数据转存的中介。当需要 以微秒级速度保存数据的时候，使用可多次擦写的f r a m 暂存。超过一定时间 将f r a m 中的数据转存入f l a s h 中，如果突然掉电，数据将会存在f r a m 中 也不会丢失；这样就能满足存储器容量大且能够多次擦写的要求，而且避免了因 掉电而发生数据丢失的现象。 2 2 3 数据显示方案 车辆仪表的显示器常采用v f d 或l c d 显示屏。v f d ( v a c u u mf l u o r e s c e n t d i s p l a y ) 良p 真空荧光显示屏，它是从真空电子管发展而来的显示器件，它的基础 特性与电子管的工作特点基本相同。由发射电子的阴极、加速控制电子流的栅极、 玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极及栅网和玻盖组成。它利用电子撞击荧光 粉，使荧光粉发光，是一种自身发光显示器件。 v f d 根据结构一般可分为二极管和三极管两种。根据显示内容可分为数字 显示、字符显示、图案显示、点阵显示。根据驱动方式可分为：静态驱动( 直流) 和动态驱动( 脉冲) 。显示发光形式有点阵式、固定图形和文字式等。 由于v f d 可以做多色彩显示，亮度高，视角大，体积小，可以用低电压来 第二章系统的总体设计 驱动，易与集成电路配套，所以被广泛应用在工业仪器仪表和汽车等各种领域。 目前不少汽车行驶记录仪的产品都采用v f d 作为显示器。 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 为液晶显示器，它使用两片薄膜，利用通电与未 通电时中间的液态晶体改变排列方向来造成透光与不透光效果，从而产生图形。 l c d 液晶器具有图像不失真、无闪烁、无辐射等优点。 相比而言，v f d 可显示的图像更加丰富多彩，而且界面图形固定，编程简单 ( 需要显示某图形时只需点亮它的几段灯即可) 。可是另一方面，记录仪需要显示 的数据较多，包括实时车速、实时时间、驾驶员代码、报警信号等，车辆运行的 过程中还需要进行循环显示。这些对于v f d 而言，显示屏上的图形会过多会影 响美观，也不利于驾驶员观察实时数据。另外，v f d 界面图形固定，虽然编程 方便，可是却限制了显示内容，而l c d 可任意描绘显示的图形甚至表格和曲线， 方式更为灵活多样，屏幕也比较清晰。所以在本课题中采用的是s h a r p 公司的 l m 0 5 7 q c l t 0 1 型液晶显示模块。 2 2 4g p s 方案 1 g p s 系统的组成和技术特点 g p s 系统是由美国国防部的陆海空三军在7 0 年代联合研制的新型卫星导航 系统，它的英文名称是“n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ”，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称g p s 全球定位系统。 该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性( 陆地海洋航空和航 天) 、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能，能为各类用 户提供精密的三维坐标速度和时间 1 2 1 。 g p s 系统有三部分组成：g p s 空间部分、地基监控站部分和g p s 用户接收 机部分1 1 3 。 ( 1 ) g p s 空间部分 g p s 空间部分由2 4 颗分布在6 个等间隔轨道上的卫星组成，卫星分布可保 证全球任何地区任何时刻都不少于4 颗卫星供观测，2 4 颗卫星中3 颗作为备份。 这些卫星工作在2 种频率下l 1 = 1 5 7 5 4 2 m h z 和l 2 = 1 2 2 7 6 m h z ，通过测量到达 任意可见4 颗卫星的时间，用户可以确定纬度、经度、高度和时间4 个导航参数。 g p s 卫星采用伪噪声编码( p 码和c a 码) 的形式向广大用户发送的导航电 文。其中，p 码为精确码，美国为了自身的利益，只供美国军方、政府机关及得 到美国政府批准的民用用户使用。c a 码为粗码，其定位和时间精度均低于p 码。 目前，全世界的民用客户均可免费使用c a 码。 ( 2 ) 地基监控站部分 第二章系统的总体设计 地基监控站部分由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5 个监测 站、一个主控站和三个注入站构成。该部分的功能是：对空间卫星部分进行监控、 控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。 地面监控部分各站的主要任务是： 监测站 用g p s 接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测 数据传送给主控点。5 个监控站均为无人值守的数据采集中心。 主控站 主控站接收各检测站的g p s 卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站 和注入站自身的工作状态数据。 注入站 接收主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞跃其上空的每颗卫星。 ( 3 ) g p s 用户接收机 用户接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并 跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换放大和处理，以便测量 出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电 文，实时地计算出用户的三维位置甚至三维速度和时间。 g p s 全球定位系统具有如下的技术特点： ( 1 ) 定位精度高 应用实践己经证明，g p s 相对定位精度在5 0 k m 以内可达1 0 6 m ，1 0 0 5 0 0 k m 可达1 0 7 m ，1 0 0 0 k m 可达1 0 9 m 。在3 0 0 1 5 0 0 mi 程精密定位中，1 小时以上 观测的解其平面位置误差小于l m m ，与m e 5 0 0 0 电磁波测距仪测定得边长相比， 其边长误差最大为0 5 r a m ，校差误差为0 3 m m 。 ( 2 ) 观测时间短 随着g p s 系统的不断完善，软件的不断更新，目前，2 0 k m 以内相对静态定 位，仅需1 5 2 0 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在 1 5 k m 以内时，流动站观测时间只需1 - 2 分钟，然后可随时定位，每站观测只需 几秒钟。 ( 3 ) 测站间无需通视 g p s 测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大 量的建造费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工 作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传输点、过渡点的测量工作。 ( 4 ) 可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。g p s 可同时精确测定测 第二章系统的总体设计 站点的三维坐标。目前g p s 水准可满足四等水准测量的精度。 ( 5 ) 操作简便 随着g p s 接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的己达“傻瓜化”的程 度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张 程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。 ( 6 ) 全天候作业 目前g p s 观测可在一天2 4 小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮 风、下雨下雪等气候的影响。 2 g p s 系统的定位原理 g p s 系统的定位原理实质上就是测量学的空间测距定位。用户通过接收分布 在6 个轨道上的2 4 颗卫星发射的测距信号，通过一系列方程演算，便可知地面 点的位置坐标。 g p s 地面观测点定位的方法较多，有伪距测量定位法、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。现在， 商用g p s 接收机主要采用伪距测量定位法。因此下面只讨论c a 码的伪距观测 量定位法，并对伪距定位原理进行详细说明。 伪距定位原理是基于到达时间( t o a ) 的测距原理。从已知位置上的发射机发 射信号到达接收机所需时间间隔乘以信号传播速度，可得到发射机到接收机的距 离。接收机从多个位置己知的发射机接收信号以确定自身的位置。由于卫星和接 收时间的时钟偏差，传播时延和其它误差，不可能测出实际距离，而是伪距( 卫 星时钟和接收机时钟的读时偏差是常数) 。为了确定接收机位置，接收机需知道 跟踪卫星的伪距和卫星的位置。具体方法如下： 根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交汇 的方法，确定待测点的位置。假设t 时刻在地面待测点上安置g p s 接收机，可 以测定g p s 信号到达接收机的时间a t ，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： 【( x l - x ) 2 + 0 l - ”2 + ( z i - z ) 2 】1 也+ c ( v f l - v 加) - - d l 公式( 2 1 ) 【( x2 - x ) 2 + ( y 2 - y ) 2 + ( z 2 一z ) 2 】2 + c ( v f 2 - v f o ) = d 2 公式( 2 2 ) 【( x 3 - x ) 2 + 3 - y ) 2 + ( z 3 - z ) 2 】2 + c ( v f 3 - v t 0 ) = d 3 公式( 2 - 3 ) 【( x 4 一x ) 2 + 4 一y ) 2 + ( z 4 - z ) 2 】“2 + c ( v ，4 - v ，o ) = d 4 公式( 2 4 ) 上述四个方程式中待测点坐标x 、y 、z 和v ，o 为未知参数，其中试d t = c a t ， ( i - 1 、2 、3 、4 ) 。 d ，( i - l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机之间的距 离。 第二章系统的总体设计 a t ，( i - l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信号到达接收 机所经历的时间。 c 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 四个方程式中各个参数意义如下： x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 j x 卜y ，、z ，( 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。 v 打( i = l 、2 、3 、4 ) 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。 v m 为接收机的钟差。 由以上四个方程即可计算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差v ，。 3 g p s 接收机的选择 目前，国际上通用的民用g p s 接收机均接收来自美国军方全球卫星定位系 统的民用频段，这种接收机的代表厂商及型号有如下几种： ( 1 ) 美国g a r m i n 公司生产的并行1 2 通道接收机g a r m i n 1 5 、g a r m i n 2 5 系列； ( 2 ) 美国m o t o r o l a 公司生产的并行1 2 通道接收机n a vc o r eg t 3 0 ； ( 3 ) 美国c o n e x a n t 公司( 前r o c k w e l l 通信部) 的j u p i t e r 0 2 i 0 3 1 系列产品； ( 4 ) 台湾s i r e 公司生产的g p s 5 0 5 2 接收机等等。 经过对多种g p s 接收板的性能比较后，在本系统中，g p s 接收模块采用美 国c o n e x a n t 公司( 前r o c k w e l l 通信部) 的j u p i t e r 0 2 i 0 31 系列产品。 2 2 5g p r s 方案 1 g p r s 技术特点 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c eg p r s ) t 1 4 】【”】是g s m 承载的 分组型数据业务的一种。它是g s m 数据业务的关键技术，是向第三代移动通信 发展的重要一环。g p r s 采用与g s m 相同的无线调制标准、同样的频带、同样 的突发结构、同样的调频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信 道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 就可提供全面地g p r s 覆盖。g p r s 与g s m 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。g p r s 允许用户在端到端分组转 移模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低成本的无线数据业务。特别 是适用于间断的、突发的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量 传输。 第二章系统的总体设计 g p r s 的传输速率最高可达1 7 1 2 k b p s ，实际应用中的平均速率也高达 5 3 6 k b p s 。g p r s 为移动用户和数据网络之间提供连接，为移动用户提供高速无 线p 和x 2 5 服务。g p r s 采用数据分组交换技术，每个用户可同时占用多个无 线信道，同一无线信道又可以有多个用户共享，因而资源被有效的利用。用户永 远在线，按流量计费，降低了服务成本。 g p r s 是g s mp h a s e2 + 引入的非常重要的内容之一，利用g p r s 进行数据传 输具有如下的优点： ( 1 ) 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以 方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 ( 2 ) 高速传输 传输速率高，数据传输速度最高理论值可达1 7 1 2 k b p s ，是当前g s m 网络中 电路数据交换业务速度的十几倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到 3 8 4 k b p s ，完全可以满足用户应用需求。 ( 3 ) 快捷登陆 g p r s 接入等待时间短、可快速建立连接、平均耗时为两秒。 ( 4 ) 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系， 即使没有数据传送，终端也一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、 快速。 ( 5 ) 按流量计费 用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，计费方式是按照用户接收 和发送数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也不收费。 ( 6 ) 切换自如 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收，数据业务和语音业务的切 换有两种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 2 g p r s 传输模块的选择 在本系统中，短消息的发送、接收是由无线通信模块来负责完成的。目前大 部分的监控系统常常利用无线电台进行数据交换，这种数据传输平台的优点是架 设方便。缺点是体积庞大，传输距离近，功耗大，需要较大的定向天线，只适用 于点对点的传输方式。使用g p r s 模块就可克服无线电台这些缺点。目前，g p r s 模块一般是指带有g p r s 功能的g s m 模块，可以通过g p r s 网络进行数据传输。 现在使用较多的有法国w a v e c o m 公司的w i s m o 系列、西门子公司的m c 3 5 ， 第二章系统的总体设计 m c 4 5 系列、摩托罗拉公司的g 1 8 ，g 2 0 系列、索尼爱立信的g m 4 7 系列等等。 这些模块无论在结构还是功能上都很相似。一般具有以下特点： ( 1 ) 接口简单、使用方便 一般都提供电源接口、s i m 卡接口、r s 2 3 2 数据口，利用a t 指令进行控制。 ( 2 ) 功能非常强大 有两种工作模式： g s mp h a s e2 模式，支持语音服务； g p r s 分组交换模式。 模块本身支持的数据业务包括s m s ，c s d ，h s c s d 和g p r s 。同时也支持语 音、传真服务。有的模块内部集成了t c p i p 协议栈，方便了网络应用程序的开 啦 及。 本系统选择的g p r s 模块是w a v e c o m 公司生产的w i s m oq 2 4 0 6 a 。 2 3 系统最终方案确定 经过合理规划和多次比较，系统最终采用的设计方案如下： 1 主处理器：s a m s u n g 公司的a r m 7 系列芯片s 3 c 4 4 b o x 。 2 存储模块：6 4 m b i ts d r a mh y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，1 6 m b i tf l a s hh y 2 9 l v l 6 0 ， 2 5 6 k b i tf r a mf m 2 4 c 2 5 6 。 3 行驶数据采集：j u p i t e r 0 2 i 0 3 1 系列g p s 模块。 4 数据发送和接收：w i s m oq 2 4 0 6 a 模块。 5 数据显示：l m 0 5 7 q c l t 0 1 型s t n 彩色液晶显示模块。 6 上位机与主机数据传输：r s 2 3 2