（模式识别与智能系统专业论文）车载高精度gps定位装置的研究与实现.pdf

摘要 摘要 车载高精度g p s 定位装置是应用于工程机械上的，集差分g p s 定位、c a n 通信等车 上通信、g s m g p r s 无线通信等多种技术于一体的终端设备。系统一方面将工程机械实时 数据采集打包发送到远程中心站，并接收中心站的控制信息实施控制，另一方面连接差 分g p s 网络实现差分g p s 数据的收发，得到差分g p s 定位信息。 首先，本文分析了差分g p s 技术及相关技术在国内外研究和发展现状，接着对课题 所需实现系统的各方面环境和需求进行了详细的分析，并在此基础上，完成了系统方案 的总体设计。 接着，本文进行了系统硬件的设计与实现。首先在整体分析的基础上对硬件的整体 需求和结构做了分析，接着进行了硬件系统模块划分、各部分实现方案选择以及具体电 路的设计和实现。硬件系统以内置丰富资源的a t 9 0 c a n l 2 8 微处理器为核心，外围电路 包括输入采集模块、输出控制模块、车上通信接口模块、g p s 接口模块、g p r s 接口模块 等在内的多种模块部分。 在硬件设计的基础上，本文进行了系统软件的设计与实现。首先根据功能需求设计 软件的总体结构，划分了系统的各个软件实现模块，接着详细介绍各个功能子系统的实 现，包括系统输入输出部分、车上通信部分、车上c a n 通信部分等等。 作为系统设计实现的最主要的手段，本文对系统的远程数据连接做了设计实现，包 括g s m 短消息通信方式的设计实现和g p r s 网络数据通信方式的详细设计实现。在详细 分析g p r s 连接通信的基础上，进行了系统和控制中心站以及差分g p s 参考站网络连接 的设计实现。 最后，对课题项目的工作做了一个总结，并对后续的研发工作做了相关展望。 关键词：工程机械，高精度g p s ，c a n ，g s m ，g p r s t c p i p a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fa na u t o m o t i v eh i g h - p r e c i s i o ng p sp o s i t i o n i n g d e v i c e ，w h i c hi su s e di nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya r e a ，h a sb e e ni n t r o d u c e d a sat e r m i n a ld e v i c ew i t ht h e t e c h n o l o g yo fd i f f e r e n t i a lg p sp o s i t i o n i n g c a nc o m m u n i c a t i o na n dg s m g p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，t h i ss y s t e ma c q u i r e sa n dp a c k sr e a l - t i m es t a t u sd a t ao ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e , a n d t r a n s f e r st h es t a t u sa n dc o n t r o ld a t aw i t ht h er e m o t ec e n t r a ls t a t i o n a n dt h e nu n p a c k st h ec o n t r o ld a t at o c o n t r o lt h em a c h i n e o t h e rt h a nt h a t , b yc o n n e c t i n gt ot h ed i f f e r e n t i a lg p sn e t w o r k , d i f f e r e n t i a lg p sd a t a a r et r a n s f e r r e df o rt h i ss y s t e mt of i n a l l ya c q u i r et h eh i g h - p r e c i s i o ng p sp o s i t i o n f i r s t l y , t h er e l a t e dr e s e a r c hw o r ko nd i f f e r e n t i a lg p sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e d t h e nt h e e n v i r o n m e n ta n dr e q u i r e m e n t so ft l l i ss y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a f t e r w a r d s t h ef u n c t i o n a l i t y r e q u i r e m e n t sa n do v e r a l ld e s i g no ft h i ss y s t e ma r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n tw o r ko fh a r d w a r ei sd i s c u s s e di nd e t a i l b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h er e q u i r e m e n t sa n ds t r u c t u r e so ft h ew h o l es y s t e m ，t h eh a r d w a r ed e s i g ni sd i v i d e di n t od e s i g n so f m o d u l e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tf u n c t i o n s ，a n dt h e nt h ec h o i c e so fc h i p sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o n so f c i r c u i t si ne a c hp a r ta r ep r e s e n t e d w i t ha na t 9 0 c a n12 8m i c r o c o n t r o l l e ra st h ec p uo ft h i ss y s t e m t h e c i r c u i td e s i g ni n c l u d e st h e d e s i g n o fi n p u ts a m p l i n gm o d u l e ，o u t p u tc o n t r o l l i n gm o d u l e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s ，g p sm o d u l e ，g p r sm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e t h i r d l y , t h ed e s i g nw o r ka n dr e a l i z a t i o no fs o f t w a r ea r ep r e s e n t e d i nt h i sp a r t ，a tf i r s t ，t h ef r a m e w o r k o ft h es o f t w a r es y s t e mi si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t t h e nt h er e a l i z a t i o no f e a c hf u n c t i o n a l l y c h i l ds y s t e mo fs o f t w a r ei sd i s c u s s e di nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d i n gm a i np r o g r a m ，i n p u ts y s t e m , o u t p u ts y s t e m a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l es y s t e m ，t h er e m o t ed a t ac o m m u n i c a t i o ni sd i s c u s s e d a f t e r w a r d s ，i n c l u d i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fg s m s h o r tm e s s a g ea n dg p r s w a y s b a s e do nt h e d e t a i l e dd i s c u s s i o no ng p r sc o n n e c t i o n sa n dc o m m u n i c a t i o i l s t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd a t a c o m m u n i c a t i o nw i t ht h er e m o t ec e n t e ra n dg p sr e f e r e n c es t a t i o n sn e t w o r ki sd i s c u s s e d f i n a l l y , ab r i e fs u r m a a a r yi sd e s c r i b e da n dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ki sd i s c u s s e di na d d i t i o n k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e , p o s i t i o n i n gd e v i c e ，h i g h - p r e c i s i o ng p s ，g p s ，c a n ，g s m ，g p r s ， 飞c p 嗯 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： 也擎日期：群型 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。 研究生躲蓝车新虢半啦日期：删 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论帚一早珀下匕 工程机械是用于_ t 程建设的施工机械的总称，包括起重机、挖掘机等多种机犁。广泛应用于建 筑、水利、电力、道路、矿山、港口利国防等工程领域。工程机械的施工环境复杂多变，而且往往 条件恶劣。工程机械在户外施工时，如能实现定位，就可以较好地对路面施t 等进行全方位掌控， 保证在偏僻地区施j ：的工程机械能随时掌握其位置信息。如果同时再结合通过外部传感器等方式得 到的运行状态等相关其它信息，并根据具体情况给出相应的控制命令，可以在工程上实现更为全面 的检测控制。 g p s 系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 是随着现代科学技术发展而建立起来 的一种能够定时和测距的空间交互定位导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维 位置、三维速度和时间信息。 广义的g p s 是所有在轨工作的卫星导航定位系统的总称，目前主要包括美国的g p s 卫星全球定 位系统、俄罗斯的g l o n a s s 全球导航卫星系统、中国的北斗卫星导航系统、美国的w a a s 广域增强系 统、欧洲的e g n o s 欧洲静地卫星导航重叠系统、法国的d o r i s 星载多普勒无线电定轨定位系统、德 国的p r a r e 精确距离及其变率测量系统、日本的q z s s 准天顶卫星系统和印度的g a g a ng p s 静地卫星 增强系统，以及正在建设之中的欧盟的g a lil e o 卫星导航定位系统等。 狭义的g p s 是特指美国所建立的卫星全球定位系统，它由美国从2 0 世纪7 0 年代开始研制，于 1 9 9 5 年初达到全运行能力( f o c ) 。g p s 系统的标准定位服务( s p s ) 对全世界的所有用户均是可用的， 可以直接供民用。一般意义上的g p s 都是指的狭义的g p s 系统。 g p s 系统包括三大部分：空间卫星部分、地面控制部分、用户设备部分。 空间卫星部分的星座由2 4 颗在轨卫犀组成，均匀分布在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，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比1 。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。 目前只用一台单频s p sg p s 接收机进行单点绝对定位时，其在世界范围内通常可以获得优于l o m ( 9 5 ) 的定位精度和2 0 n s ( 9 5 ) 的授时精度。但l o m 左右的定位精度往往不能满足要求较高的需 要，包括最为普遍的车辆行驶定位导航应用，由于路面宽度影响，在较好的导航要求下，也需要较 高的定位精度。除精度外，g p s 的民用系统在可用性、完好性等方面也不能完全满足应用需要。 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 差米获得较高的精度。 本课题所要研究实现的就是将具有高精度的差分g p s 定位技术和工程机械的实际应用相结合的 实现工程机械车载定位并且结合远程服务器实现远程监控功能的装置设备。 1 东南火学硕上学位论文 1 2 相关技术和研究现状 1 2 1 定位技术与g p s 定位 位置信息是一个物体在空间的基本信息，而定位技术就是确定某一事物在一定环境中的位置的 技术。定位技术有不同形式，通常意义上的定位都是利用非接触方式来实现可移动物体的位置信息 定位。由于非接触的方式有多种实现手段，所以在定位技术的实现上，常见的也有多种方式，包括 卫星定位、超声波定位、激光定位、无线短距离定位( 如z i g b e e 等) 、利用通信基站的定位等。各 种方式有应片j 范围人小的不同，也有定位精度的不同。 针对t 程机械的位置定位，由于其要求能够实现人范围位置定位，所以在定位实现上，可行的 方式一种是利用移动运营商网络的通信基站，采用t d o a 等技术实现定位，这需要运营商提供相关 服务支持，同时其定位精度受基站密度等因素影响，由于运营商网络通信基站的覆盖半径从儿十米 至几十公里不等，相应定位精度也有人幅波动。目前，运营商也只是部分提供了这种定位服务，普 遍性不足，而且这种定位误差对于工程机械本体来说过大，无法很好地实际应用。 另一种可行的方式就是g p s 定位，其利用卫星定位，是各种定位方式中定位范围最广泛的一种。 g p s 定位的基本原理是以g p s 卫犀和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬 时坐标米确定用户接收机天线所对应的三维地理位置。作为一个全球性、全天候的连续实时定位系 统，其可用性是得到有效保障的。尽管其单台设备的定位精度是在世界范围内可以优于1 0 m ( 9 5 ) ， 定位误差上用于实用略为大了些，但对于定位误差，有多种途径可以进行提高，包括有效的技术校 正( 如差分g p s 等) 或者结合其它技术实现较高定位精度。所以g p s 定位依然是t 程机械定位的最 佳选择。 1 2 2 差分g p s 技术 由于g p s 定位系统的全球可用，出于自身安全性考虑，上世纪9 0 年代中期美国在信号上实施了 s a 政策，令接收机的误差增大到1 0 0 米左右。而到了2 0 0 0 年5 月，s a 政策取消。 差分g p s ( d i f f e r e n t i a lg p s ) 就是在s a 技术影响实时定位时，为了提高g p s 定位精度发展起 来的一种g p s 增强技术。除了改善g p s 定位精度外，差分g p s 还可以改善其完好性，即当系统不可 用时，提供对丧失规定精度的故障检测报警的能力。 g p s 定位中，存在着三类误差：第一类是多台接收机共有的与卫星有关的误差，如卫星钟差、 星历误差；第二类是与信号传播有关的误差，如电离层误差、对流层误差；第三类是接收机固有的 误差，如内部噪声、通道时延、多路径效应。 如果地面的两个接收机的距离在一定范围内时，由于相同的大气层条件，可以认为到达两个接 收机的卫星信号在通过大气层时具有相同的信号传播误差( 第二类误差) 。这样采用差分定位实行修 正，可以完全消除第一类误差，且可消除人部分第二类误差( 消除能力与两台接收机之间的距离有 关) ，而第一类和第二类误差是g p s 误差的主要来源，消除第一类和第二类误差就可以有效提高系统 的定位精度。 差分g p s 的实现需要两台接收机，一台是同定的接收机，也称为参考站，一台用于流动定位的 接收机，也称为流动站。这样，固定的参考站g p s 接收机将这个改正数信息传送给流动站接收机， 流动站就可以根据参考站的信息来修正测量结果，得到更高的精度h 1 。 根据差分g p s 参考站发送信息方式不同，可以将差分g p s 定位分为三种：位置差分、伪距差分 和载波相位差分。位置差分是参考站的坐标位置信息固定已知，从固定位置信息和实时位置信息得 到位置改正数。伪距差分是同定参考站的坐标位置信息已知，这样参考站至可见卫星的距离也已知， 将含有误差的测量值与已知距离值加以比较，得到伪距改正数用于差分校正。载波相位差分则由载 波相位差得到改止数，流动站接收g p s 卫星的载波相位与来自参考站的载波相位，并组成相位差分 观测值进行实时处理。由于发送差分改正数的内容不同，三种定位方式的差分定位精度也不同，其 中位置差分的定位精度最低，载波相位差分的定位精度最高。 2 第一章绪论 三种差分定位方式中，伪距差分是目前用途最广的一种技术，几乎所有的商用差分g p s 接收机 均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的r t c ms c 一1 0 4 标准也采用了这种技术。 根据g p s 定位所选取的坐标系的不同，差分g p s 的定位可以分为绝对差分定位和相对差分定位。 其中绝对差分定位需要一个位置精确己知的参考点来产生修正量，从而提高g p s 的绝对定位精度。 而相对差分定位是用差分方法获得两个接收机之间的相对定位位置，在不需要位置精确已知的参考 站的基础上，提高g p s 的相对定位精度。相对差分定位多应用用于航空航大等对地球的定位是不敏 感，而更关注两个物体之间相对位置的领域。系统选用了绝对差分定位，因为系统需要关注工程机 械在地理上的位置信息来实现应用。 1 2 3 差分g p s 技术国内外发展现状 单个差分g p s 参考站系统中用户和参考站之间的距离对定位精度有决定性影响，而且随着用户 到参考站距离的增加会出现系统误差，这种误差是用任何差分法都不能消除的。因此，如果要在大 范围内提高g p s 精度就需要多个参考站形成参考站网，构成一个广域差分g p s 系统，并对各种误差 源模型化得到更加准确的g p s 定位。 广域增强系统需要利用全球导航卫星系统、计算机、数据通信和互联网络等技术，在一个城市、 一个地区或一个国家范围内，根据需求按一定距离间隔，建立长年连续运行的若干个固定参考站组 成网络系统。 国外的广域g p s 增强系统有：美国的由联邦铁路管理局、美国海岸警卫队和联邦公路管理局经 营和维护的全国范嗣差分g p s 系统( n d g p s ) ；美国的由美国联邦航空管理局经营的广域增强系统 ( w a a s ) ：美国的由国家海洋大气管理局管理的持续运行参考站系统( c o r s ) ；世界性的由来自8 0 个 国家的2 0 0 个组织提供的3 5 0 个g p s 监控站所组成的国际g n s s 服务( i g s ) 等等。在世界范围内还 有其他的增强系统，包括政府的和商业的。这些系统使用差分的、静态的或实时的技术。 其中，美国的w a a s 广域增强系统是一个由约2 5 个地面参考站所组成的，横跨整个美国的广域 差分g p s 网，由一两个地球同步卫星或是轨道固定在赤道上空的卫星提供差分信号，提供了优于3 米的定位精度。 近几年来，我国g p s 技术的应用系统发展很快。但目前国内g p s 的应用主要是在车载终端以及 个人手持终端上的导航定位，以及车辆管理、城市交通管理等方面。在将差分g p s 用于改进g p s 接 收精度方面，由于其技术较为复杂，目前仍以国外设备为主。 我国已初步建立了北京、拉萨、乌鲁木齐、上海4 个永久性g p s 监测站，还计划增设武汉、哈 尔滨2 站，拟定在北京或武汉建立数据中心和数据通信中心h ，。 我国第一个实用化的实时动态的连续运行参考站系统( c o r s ，c o n t i n u o u s l yo p e r a t i n g r e f e r e n c es t a t i o n s ) 系统由深圳建立，包括5 个g p s 参考站。此外，北京、上海、广东、江苏等 省市都建立了相应的广域增强系统网。 江苏省的连续运行参考站系统全省覆盖网络包括6 2 个参考站，参考站间平均间距4 8 9 6 k m ，且 分布较为平均。应用中，如果采用伪距差分可以达到亚米级的定位精度，如果采用载波相位差分可 以达到厘米级的定位精度。该系统提供的差分数据格式为r t c m2 x ，c m r ，r t c m3 0 等，在应用中， 实时动态差分g p s 支持的连接通信方式为网络连接通信。 1 2 4g p s 技术在工程机械中的应用现状 由于g p s 系统中的c a 码是直接开放提供民用的，加上g p s 定位技术的各种应用发展迅速，使 用非常方便。因此目前利用较为成熟的g p s 技术实现机车定位的车载终端并不少见。但是，一方面， g p s 技术在工程中的应用以徕卡公司等国外厂商的仪器设备为主；另一方面，工程机械施工环境具 有其复杂性和特殊性，在将g p s 技术应用于工程机械中的同时，还有其对车况信息实施监测以及对 工程机械实施控制等一些特殊的具体需求。在这种情况下，为工程机械应用量身定制的车载终端数 量并不多。 3 东南人学硕上学位论文 1 2 5 移动通信技术在工程机械中的应用现状 随着蜂窝移动通信技术的飞速发展以及移动运营商的g s w c d m a 等网络在中国的广泛普及，移动 通信技术也广泛地被应用到工业领域，由于运营商网络是一个大范围的通信网，可以有效地利用该 完备的通信网络实现控制中心和现场设备的远程通信，完成对现场设备的远程监控。通过运营商网 络与远程监控中心的通讯，配备带有移动通信功能的终端装置的工程机械可以得剑更多有效的远程 监控保障。 1 2 6c a n 总线技术在工程机械中的应用现状 工业现场总线标准c a n 由于其高性能、高可靠性及独立的设计被广泛应用于工业现场控制系统 中。较先进的工程机械在车内进行车况数据交换时，就是利用c a n 总线技术进行。由于众多车载设 备带有c a n 通信技术，配备带有c a n 通信功能的终端装置的工程机械可以有效地完成和现场各个设 备之间的通信。连接时使用总线传输的c a n 技术，终端装置可以和总线上多台设备通信，得到更多 车况数据，为更有效合理的监控提供了保障。 1 3 本课题的研究内容 本课题的高精度g p s 定位装置安装在- t 程机械上，综合了g s m g p r s 的无线通信技术、差分g p s 定位技术、c a n 总线技术等先进技术，主要实现定位信息的采集、与工程机械车上其它设备的通信、 与监控中心的通信以及和参考站网络的通信等内容。 1 3 1定位终端装置的软硬件系统实现 应用于工程机械的车载定位终端装置是一个以微处理器为核心的硬件电路系统，主要功能模块 有：( 1 ) g p s 模块：接收卫星导航电文以及差分g p s 信息等定位信息，获得工程机械的地理位置坐 标；( 2 ) 开关量采集模块：采集开机、工作等状态开关量，获得上程机械的一些重要运行状态信息； ( 3 ) 输出控制模块：利用各方面有效信息，包括采集的状态量和中心站的命令等对_ 下程机械实施相 应控制；( 4 ) 和车载其它装置间的通信模块：为了和工程机械上其它装置进行工况等信息交互，根 据其它装置的通信方式，终端装置也需要集成有相应的通信模块。如基于2 3 2 4 8 5 串口的通信模块 和基于c a n 口的通信模块等；( 5 ) 和中心站及参考站网络的通信模块：由于应用需求，定位装置需 要通过该模块向控制中心站上传车况统计信息，中心站的部分控制命令也需要通过该模块下传给定 位装置。此外，定位装置需要通过该模块和参考站网络建立连接，并实时传递相关定位信息，解析 获取工程机械当前g p s 位置坐标。 1 3 2 工程机械系统的提高g p s 定位精度技术实现 差分g p s 是提高g p s 精度的一个有效方法。根据差分g p s 参考站发送的信息方式可以将差分g p s 定位分为：位置差分、伪距差分和相位差分等。不同的差分实现又可以有多种实现方法。位置差分 可以由参考站将校正量发送给流动站，由流动站解算修正值，也可以由流动站将原始粗略定位数据 发送给参考站，由参考站解算修正值，后者也称为棠总差分方法。常用的伪距差分方法由于网络的 互通性，除去直接和参考站联系外，还可以由别的网络( 如控制中心站网络) 中转等。由于差分g p s 技术较为成熟，在设计实现上的主要内容就是系统方案的设计实现。 1 3 3 系统和中心站及参考站网络通信技术实现 采用差分g p s 提高g p s 精度时，需要参考站和流动站进行信息通信。由于流动站的移动性，可 以使用射频链路以至互联网来实现。一般工程机械和参考站的通信距离较远，采用移动运营商的网 络是参考站和流动站间数据通信合适的方式。 g s m 网络中短消息业务是直接利用信令信道传输的数据传输方式，该方式通信受单条短信息的 4 第一章绪论 长度为1 4 0 字节限制。而在g s m 通信网络的升级网络中，被称为2 5 g 的g p r s 也是一种较为普遍的 数据传输方式。由于g p r s 支持t c p i p 协议，在中心站和参考站网络都在i n t e r n e t 网络内时，终端 装置只需要连接g p r s 就可以与之建立连接实现通信，是一种较为方便的数据通信方式。 这样工程机械终端装置和中心站及参考站网络的通信，可以根据需要有所选择。 1 4 本文的章节安排 本课题的任务是设计实现一个在工程机械中应用的高精度g p s 定位装置，介绍了该系统的设计 思路、方案比较、方法实现。 第一章是引言，介绍该课题的背景和意义，目前国家和行业的相关标准和发展现状，课题需要 研究的内容，同时简要介绍了课题所需要涉及的主要理论和技术。 第二章是系统总体需求分析及设计，在系统应用环境分析和需求分析的基础上，给出系统的总 体设计方案。 第三章是系统硬件设计。从系统的需求出发，在系统总体设计的基础上，进行系统硬件设计， 并依此对系统的硬件各个组成部分进行详细设计与实现。 第四章是系统软件设计。在系统总体设计和硬件设计的基础上，进行系统的软件设计，并依此 对系统的软件各个组成部分进行详细设计与实现。 第五章是远程数据连接和通信的设计实现。为了实现功能，在系统软件设计实现中，和远程数 据连接和通信部分是系统的重点所在，因此，在系统其它软件部分完备的基础上，对这一部分进行 详细分析设计与实现。 最后对系统的开发过程做了一个总结，介绍作者在其中所承担的工作，研究心得和收获，以及 仍然存在、可以进步研究解决的问题。 5 东南大学硕士学位论文 第二章系统总体需求及设计 2 1 系统的应用环境 2 1 1 工程机械环境 大部分工程机械规模较大，质量较重，工程机械设备在恶劣环境中施工时如果不加保护和监控， 可能因重量大、剧烈振动等原因，造成设备不必要的故障损坏和经济损失。因此，工程机械在使用 中，往往需要根据实际情况对设备的一些参数进行必要的调整。 工程机械包括挖掘机、起重机、摊铺机等多种机型。由于机械的移动性，其内部设备供电应用 的是车载蓄电池。一台工程机械内部包含有多种车上设备，包括电子开关、传感器、控制器以及一 些车上控制系统等等。设备间的电信号数据交换有电平量、脉冲量、通信协议信号等多种方式。 2 1 2 中心站环境 安装在工程机械内的车载定位终端装置是和中心站连接通信的。终端装置采集车况数据以及定 位信息，与中心站进行交互，实现绝人部分控制操作。 中心站由多台服务器构成，负责安装了终端装置的工程机械的监控工作。由于目前安装终端装 置的工程机械有数百台之多，所以中心站服务器以数据库的形式对工程机械的数据进行管理。在工 程机械出厂时，对j ：程机械进行登记注册管理；在接收到终端装置上传的信息时，按数据格式对数 据进行解析和处理并写入数据库；在对r 丁程机械进行监控查看时，从数据库读取数据信息并进行解 析显示；在需要对工程机械进行参数修改控制操作时，对相应信息进行修改并发送给终端装置，由 终端装置对可改车况数据进行实时修正。 除此之外，由于在数据库中保存有大量车况数据，中心站能够对工程机械的历史工况信息进行 统计分析，也能够结合电子地图实时显示工程机械当前位置及行走轨迹等等。 2 1 3 参考站网络环境 安装在工程机械内的车载定位终端装置实现差分g p s 定位是要和参考站网络连接通信的。 参考站网络由分布在各处的多台参考站加上网络设备等构成，负责安装了差分g p s 定位的流动 站的差分数据交换。在需要差分g p s 定位时，终端装置向参考站网络发送粗略的定位信息，参考站 根据该信息给出具体的差分格式信息发送给终端装置，由终端装置根据该信息对所定位信息进行修 正，得到高精度的差分g p s 定位信息。 参考站网络给用户提供的数据访问和获取方式为网络方式接口，所以用户使用时，需要连接该 网络接口获取相应服务。 2 2 系统的功能需求 本系统的终端装置是安装在工程机械上连接车载其它设备器件和中心站的终端装置。所以其主 要任务是针对不同的上程机械采用不同的数据交换接口方式和车载其它设备器件交换数据，对读取 的数据进行打包统计，对需要发送的数据进行处理响应；通过与中心站及参考站网络的连接进行远 程指定格式的数据交换。具体而言，工程机械车载定位终端装置有如下功能需求： 1 、定位信息采集 实现对工程机械施工所在地的坐标位置的实时采集，以交给监控中心实施监控。 2 、工程机械状态采集 6 第二章系统总体需求及设计 实现对= 程机械运行状态的实时采集检测，包括工程机械的各种工况数据的采集，部分直接采 集量的读取等。 3 、工程机械相关控制 实现对工程机械相关设备器件的控制执行，包括工程机械的各种工作参数的设置，部分直接控 制量的控制等。 4 、远程通信功能 实现与中心站的远程连接通信，包括工程机械下况数据等数据的打包上传，中心站对工程机械 和终端装置本身的控制信息的处理响应等。实现与参考站网络的连接通信，包括较粗略定位信息的 上传和给定格式数据的下载等。 5 、数据存储功能 实现一定量的非易失性数据存储功能，包括一些配置信息，诸如中心站的号码，i p 地址和端口 号等数据，参考站的i p 地址和端口号等数据，终端自身配置数据，以及其它一些需要非易失性保存 的数据的存储。 2 3 系统的性能需求 作为一个应用在工程机械上的定位终端装置，系统最主要的性能要求是要有较高的稳定性和可 靠性。表现在具体应用上，包括以下方面： 终端装置应能够在系统供电不断开的条件下不间断工作。 终端装置的硬件系统应具有良好的绝缘性能，与其它车载设备间保持足够的电气隔离等级。 终端装置的硬件系统应具有可靠接地，并有抵抗消除噪声干扰的能力。 终端装置的硬件系统应具有足够的抗疲劳、抗振动能力。 终端装置的软件系统应具有足够的容错能力，除正常有效工作，执行装置所需功能外，不能因 人为误操作而导致系统故障。 终端装置应具有一定的自检测和自恢复能力。 2 4 系统方案总体设计 2 4 1 系统的外部数据交换 终端装置系统的应用环境主要涉及到的外部设备器件及网络如图2 - 1 所示。 、 ， 车载蓄电池) -一 ， ，、nc 1 1 1 日 、一一 车 、 载 ( 参考站网络一 车上传感器卜_ 一定 位 上被控设毒、卜 终 ，- 、。，_ ，- 端 一，：g 。s m g p r s 俩j 装 、一。一- 。7 。 车上控制器、b 置 t ( 中心站一 图2 - 1 系统和外部设备器件及网络的连接图 根据系统实际需求，在上述连接图中，终端装置系统和各个设备器件及网络间的关联如表2 1 7 东南人学硕上学位论文 所示。 表2 1 系统和外部设备器件及网络的关联对应表 终端装置系统相关设备等该设备和终端装置系统的关联 工程机械车载蓄电池提供系统电源 工程机械车上传感器提供系统输入信号 工程机械车上被控设备，如继 电器、计频器等 接收系统输出信号 工程机械车上控制器，如串口 控制器、c a n 控制器等 提供详细工况信息，接收终端装置设置信息 g p s 卫星 提供卫星导航电文，用以实现基本定位 参考站网络 差分g p s 数据交换以提供高精度定位信息 g s m g p r s 网络 联网实现远程数据交换的中介 中心站交换车载： 况信息，定位信息，控制信息和配置信息等数据 2 4 2 通信方式的选择 在终端装置的远程数据交换设备中，中心站是可配置的，这样终端装置和中心站的通信方式是 可以自行选择设计的。中心站主要用作对所有终端的集总控制，同时中心站和终端装置之间的通信 也可以在一定程度上用以辅助对g p s 信息进行差分。 中心站是定点放置在机房的一台固定服务器。而安装在工程机械上的定位装置由于t 程机械的 施工，有较大范围的移动性。在两者通信方式的选择上，由于工程机械的移动性，有线通信又需要 布线且无法移动，所以通信方式只能采用无线方式实现。 无线通信的通信方式有多种分类。按连接方式，包括最普通的直接点点收发连接以及通过中继 设备连接。不同地形和复杂地物将极大地对信号产生干扰影响。在自由空间中，电波损耗与距离的 平方成正比，而在实际应用中损耗更多，当电波能量损耗到低于接收机的接收灵敏度值时，信号便 不可接收恢复。 自由空间下，电波传输的损耗公式为：l o s = 3 2 4 + 2 0 1 9 d + 2 0 l g f 式中：l o s 是传播损耗，单位d b ，d 是传输距离，单位l 【l l l ，f 是工作频率，单位m h z 。 因此，自由空间中电波损耗只于工作频率和传输距离有关。可以根据发射功率、接收灵敏度以 及发射频率，由上式得到理想传输距离。但上式只是理想状况下的传输距离，实际应用中的传输距 离会远远低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成 的损耗。 由于无线电频率为一种有限的自然资源，国家对无线电频率的使用有管理规定，可供终端设备 使用的频段不多，同时对所有频率的发射功率有限制( 多为m w 级) 。例如最常片j 的2 4 g h z 的i s m 频 段，即8 0 2 1l b g 设备所使用的频段，在现有技术下，所能传输的距离也仅为几十米，而且还是依 靠中继设备的。即使在应用中，采用可使用的较低载波频段，适当提高接收频率，采用更好的接收 灵敏度，在不依靠中继设备时，开阔地无干扰传输时能达到数百米( 如讯通科技的p t r 2 0 3 0 等) 。但 是，几百米的传输距离远远达不到终端装置和中心站间的通信应用所需。而如果不是直接点对点传 输而要依靠中转，自行添置设备的话，由于工程机械运动范围广大，是种极高成本投入而且不切 实际的方案。 相比之下，通信运营商的网络覆盖范围广泛，服务完善，系统可靠性高。因此利用运营商网络 来实现定位装置与中心站间的通信成为了首选。 采用运营商网络时，常用的数据通信方式有g s m 网络的点对点短消息方式、g p r s 方式和利用c d m a 网络的c d 姒方式等。 车载终端装置和中心站之间常用的三种传输方式比较如表2 - 2 所示： 8 第二章系统总体需求及设计 表2 2 终端装置和中心站间三种数据传输方式的比较 网络覆盖范围 实时性 单次数据量费用 短消息 g s m大 差小较多 g p r sg s m较大 好大较少 c d m ag s m较小 好大较少 因此在和中心站之间，选取最优的g p r s 进行数据传输。另外，由于正常应用时，中心站对状态 数据的变化要求不高，以统计数据的处理为主，这样的小时统计量，需求的g p r s 连接时间较少。因 此，同时也设计了短消息方式作为辅助连接方式，一方面用于中心站更改终端装置的设置，例如g p r s 的i p 地址和端e l 号等；另一方面，方便在终端装置不需要g p r s 长期在线时，即使终端装置断开g p r s 连接，中心站依然可以直接控制工程机械。 2 4 3 系统的总体结构设计 和终端装置系统连接的外部设备较多，相应的终端装置的接1 ：3 类型也较多，根据具体接口结合 系统的具体需求进行相应总体设计，得到的终端装置系统的总体结构图如图2 2 所示。 、 ( g 蛐星 车载蓄电池1电源部分 j r 车上传感器、卜一一- 1 部分r 集卜，lg 瞅块| ( 参考站网络 微 ，f ：- ：_ ：j 一喜i - 耳 处 - | g 吣模块卜 - o s m j o i , r s 彤 、 一i鬈募出卜 理 吣心“：f ：- 奴王 车上被控设备卜一 器 车上控制器、k 一 j 串口c a n l s i m 卡 ( 中心站一 一纠 一h i 收发器i 。部分 工程机械车载定位终端装置 图2 2 系统的总体结构图 1 、电源部分 工程机械上应用的车载设备的直接电源提供方为相应工程机械的车载蓄电池，定位终端装置也 不例外。具体而言，根据车型的不同，有1 2 v 和2 4 v 两种直流供电电源。电源部分将车载蓄电池电 源转换为系统各个模块芯片可以直接利用的供电电源。 2 、微控制器部分 根据实际需要，选取相应微控制器进行系统的核心处理，终端装置中选用了集成功能多，性能 优良的a t 9 0 c a n l 2 8 芯片进行整体设计。微控制器的选择是系统的基础所在。 3 、数据采集部分 终端装置对应工程机械车上传感器输入信号的采集接口。应用中用到了6 路输入，包括工程机 械整机状态，工程机械发动机工作状态，工程机械有效工作状态，机械水温超温报警，机械油温超 温报警，机械油压超压报警等输入量。设计采用8 路输入，预留两路备用。在已有的6 路输入量中， 前三种高电平有效，后三种低电平有效( 即低电平报警) 。 4 、数据输出部分 9 东南人学硕上学位论文 终端装置对应工程机械车上被控设备输出信号的输出接口。包括继电器、计频器等输出方式， 实现相应机械控制。对继电器输出为开关量，对计频器输出为频率量等等。另外，重要的系统状态 的相应状态指示灯显示也是一种数据输出。 5 、串口c a n 通信收发器 终端装置与工程机械车上串口控制器及c a n 控制器间的通信接口。包括2 3 2 4 8 5 c a n 等多种通 信方式。通过器件间物理连接的实现，上层协议的制定和实现等，最终实现两者数据交换。 6 、g p s 模块 终端装置与g p s 卫星的通信接口。主要实现g p s 卫星所发的导航电文数据接收。模块和微控制 器间的通信还包括一些配置信息以及差分定位相关数据的交换。 7 、g p r s 模块 终端装置与g s m g p r s 网络的通信接口。无线通信的实现包括无线物理接口连接的实现，上层协 议的实现等，最终实现与所需网