（计算机应用技术专业论文）移动定位终端主控模块的设计及实现.pdf

中文摘要 随着计算机技术和定位技术的快速发展，许多厂商都研制并生产出了适用于 个人或者特殊行业的移动定位产品，这为人们的出行提供了极大的便利，尤其是 一些车辆定位系统，大大提高了交通的管理效率。而本课题所研究的移动定位产 品，是面向中小型用户的，具有定位准确快速，成本低、功能可靠等优点。 本移动定位终端是基于a r m 嵌入式微控制器进行设计的，相比之前的基于 8 0 5 1 单片机终端系统，在多方面性能得到提升。在系统中选用了3 2 位微控制器， 选用了较大容量的存储器，使得终端系统速度更快，在其上可以运行更为复杂的 程序；在系统中选用了g p s 定位技术，从而可以获得精确的定位信息；在系统中 通过g p r s 进行移动通信，得以永久在线，并且更加经济的高速传输g p s 接收到 的地理信息，从而克服了以往g s m 数据业务诸多缺点。本人的设计工作主要包括 如下几个方面：参与系统架构的提出：原有基于8 0 5 1 微控制器的移动终端的完 善，基于a r m 移动定位终端在器件上的选择；移动定位终端的主控模块电路板的 设计和实现。 本系统所使用的硬件、技术，都是基于性价比的考虑，使得本系统成本低、 功能可靠，并且通过软件的升级，可以轻松地扩展系统的功能。 关键词： g p sg p r sa r m 移动定位终端 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y , ag r e a t n u m b e ro fm a n u f a c t u r e sd e v e l o pt h e i rp r o d u c t sf o rm o b i l ep o s i t i o n i n g a l lo ft h e s e g i v eu sm o r ec o n v e n i e n c ed u r i n gt r a v e la n di m p r o v et h et r a f f i cm a n a g e m e n t t h i s p a p e rp r o p o s e sam o b i l ep o s i t i o n i n gs y s t e md e s i g n e df o rs p e c i f i cu s e r s t h i ss y s t e m f e a t u r e si nl o wc o s t ，h i g hs t a b i l i t ya n da c c u r a t ef a s tp o s i t i o n i n g t h i ss y s t e mi sp o w e r e db ya r m ，w h i l et h ef o r m e rs y s t e mi sp o w e r e db y m c s 8 0 51 a st h er e p l a c e m e n to ft h em c u ，t h es y s t e mp e r f o r m sm u c hb e t t e r w j m 3 2 b i tm i c r o c o n t r o l l e ra n dl a r g e rr o m ，a l lt h e s ei m p r o v e m e n t sp e r m i th i g h e rs p e e d a n df e a s i b i l i t yo fc o m p l i c a t e ds o f t w a r e t h i ss y s t e mi sb a s e do ng p st e c h n i q u e ， w h i c hc a no f f e rr o u n d - t h e - c l o c kp o s i t i o n i n gf u n c t i o n , i sa l s ob a s e do ng p r s t e c h n i q u e ，w h i c hc a no f f e rh i g h s p e e dw i r e l e s st r a n s p o r t a t i o ni nal o w e rc o s ta n d e v e r l a s t i n gc o n n e c t i o n ，a n do v e r c o m et h ew e a k n e s so fg s m a td i g i t a ls e r v i c ea s p e c t m yr e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e s ：s y s t e ms t r u c t u r ep r o p o s a l ；h a r d w a r ep r o d u c t ss e l e c t i o n ； g p sr e c e i v e ra n dg p r sm o d u l ep e r i p h e r a lc i r c u i t si m p r o v e m e n t , a n da r m b a s e d m a i nc o n t r o l l e rm o d u l ec i r c u i td e s i g n t h i ss y s t e mi ss u i t a b l ef o rm o s to fu s e r sb e c a u s et h ec o s tw a sc a r e f e u l l y c o n s i d e r e da n dt h ef a c t i o nw a sa sm o r ea sw ec a np r o v i d e w i t h 删t e c h i n i q u e ，t h e s y s t e mi sp r o m i s i n ga n dr e w a r d i n g t h es u r et h i n gi st h ep u p o l a t i o no fo u rs y s t e m a f t e ras h o r tt i m e k e y w o i m i s ：g p s ，g p r s ，m o b i l ep o s i t i o n i n gt e r m i n a l ，a r m 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，也不包含为获得墨垄叁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： 张目；坠、 签字日期： 易司年乙月乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗苤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) 学位论文作者签名： 披目；星、 导师签名： 签字日期：2 。， 年z 月乙日 签字日期： 口7 年z 月z 日 天津大学硕士学位论文移动定位终端主控模块的设计及实现 1 1 研究背景及意义 1 1 1 智能交通系统概述 第一章绪论 随着社会经济建设的飞速发展和城市规模的不断扩大，城市公路交通系统变 得越来越复杂，特别是近年来车辆增长的速度已经远远高于道路和其它交通设施 的增长速度，由此而带来的道路堵塞、交通事故、环境污染以及能源浪费等现象 在世界范围内也变得越来越严重。因此，交通管理部门已经越来越多地借助于当 今快速发展的新技术来保障交通疏畅，改善道路安全，减少交通拥挤和空气污染 对生态环境所造成的恶劣影响，这一新兴领域被称为智能交通系统( i t s ) 【1 1 。i t s 是将先进的信息处理技术、数据通信技术、电子控制技术以及计算机处理技术等 有效地综合运用于整个运输管理体系，从而建立起大范围、全方位发挥作用的实 时、准确、高效的运输综合管理系统。 智能交通系统是采用信息技术、计算机技术、控制技术等手段对传统交通运 输系统进行改造，从而达到增强系统运行效率，提高系统的可靠性和安全性，减 少能源消耗和对自然界的污染等方面的目的。智能交通系统将对未来世界产生深 刻的影响，同时也对交通运输工程学科的研究人员提出了新的挑战。智能交通系 统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术及计算机处理技术等综 合运用于整个交通运输管理体系，通过对交通信息的实时采集、传输和处理，借 助各种科技手段和设备，对各种交通情况进行协调和处理，建立起一种实时、准 确、高效的综合运输管理体系，从而使交通设施得以充分利用并能够提高交通效 率和安全，最终使交通运输服务和管理智能化，实现交通运输的集约式发展。i t s 不是单纯依靠建设更多的基础设施、消耗大量资源来实现以上目标和功能，而是 在现有或较完善的基础设施上，将先进的通信技术、信息技术、控制技术有机地 结合，综合运用于整个交通运输系统，实现其目标和功能。 1 1 2 智能交通系统中的车载系统 车载系统( 或称为车辆导航系统) 是i t s 实施中涉及的一个主要应用系统， 第一章绪论 它可采取相对低级或高级的形式，具备简单或复杂的功能【2 】。低级的如依靠人工 计算在纸质的地图上确定车辆位置；高级的则是一个复杂的大系统，配有车载计 算机、g p s 接收机和各类传感器等车载设备，充分运用各种现代高新技术，能引 导车辆高效、安全地通过道路网络。就目前人们的研究兴趣而言，车载系统( 或 称为车辆导航系统) 皆指这种高级形式。 最早期的车辆导航系统可追溯至公元前2 6 0 0 年的中国。当时人们在手推车 上装了一个人形的指南针，从而不管手推车在哪条道路上行进，该人的手指始终 指着南方。这种指南车的仿制器可在中国历史博物馆见到。 现代车辆定位导航技术始于2 0 世纪6 0 年代晚期。当时美国联邦公路局启动 了一个被称为电子路径诱导系统的项目。该系统采用短距b e a c o n 技术，用于双 向通信，一个小型的车内控制盒允许司机输入目的地代码。当到达交叉口时，该 代码通过车内收发器发出b e a c o n 信号传送到用于处理交通数据的中心控制室。 在收到目的地代码后，控制器会解码并计算出一条最优路径。而有关路径诱导指 令则会通过b e a c o n 信号送回车辆。由于资金的限制，该项目没有被完整地实施， 但初步的实验还是很成功的。 2 0 世纪7 0 年代以后，特别是8 0 年代后期，车辆导航系统进入了一个迅猛发 展时期【3 1 。这主要是由于有关i t s 的相关技术日趋成熟，而有关i t s 的组织如欧洲 的e r t i c o 、日本的v e r t i s 和美国的i t sa m e r i c a 等也竞相成立，i t s 的会议和刊 物大量涌现，从而形成了一个所谓的“i t s ”运动。1 9 7 3 年日本进行c a c s - v 程项 目，该项目类似于e r g s 项目的概念。2 0 世纪7 0 年代后期，欧洲启动了a c i 工程 项目，进入8 0 年代又先后启动了c a r i n 和e v a 两个项目，随后是p r o m e t e v s 和d r i v e 等，美国实施 n a v i g a t o rg u i d e s t a r 项目，9 0 年代后期有p a t h f i n d e r 、 t r a v t e k 和a d 、，a n c e 。 现代车载定位系统是智能交通系统( i t s ) 中车辆部分的应用内容，是智能 交通系统的一个关键子系统，其内部的无线传输模块是智能交通系统移动终端与 信息服务中心进行数据交换的通信平台，因此关系到整个系统的稳定性、安全性、 实时性与运作成本。车载定位系统在i t s 中居于极为重要的地位，各种功能的实 现都要以获取车辆当前所在地理位置的信息为前提条件。 1 2 以a r m 为代表的3 2 位处理器的应用现状 由于具备简洁、高效等特点，在最近几年来，嵌入式系统表现出了强劲的发 展势头，随着二十一世纪的到来，i t 业迎来了一个崭新的、以嵌入式系统为核心 的“后p c 时代 。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件 天津大学硕士学位论文移动定位终端主控模块的设计及实现 可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计 算机系统。嵌入式系统是集软、硬件于一体的可独立工作的器件，一般由嵌入式 微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及运行在嵌入式操作系统上的执行 特定功能的各种应用软件四个部分组成，如图1 1 所示。一个嵌入式系统通常涉 及对硬件的直接控制，并限于某些特定的功制4 0 。 嵌入式系统具有系统内核小、专用性强、系统精简、高实时性、支持多任务 等几个重要特征，且其开发需要专门的开发工具和环境。 广一一一一一一一一一一一一一一1 骢勰崔积 骢搬借睦 机械装置 骢抽崔曲 图1 1 嵌入式系统框架 在嵌入式产品开发时，作为系统核心部件的嵌入式处理器，可采用的种类、 系列繁多，如单片机、d s p 、a r m 、p o w c r p c 等。其中，a r m 微处理器以其高 性能、低功耗及低成本的特点，成为许多全球性的r i s c 标准，适用于多种领域， 比如嵌入控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。 第一章绪论 1 3 本课题的主要工作 本文主要研究移动定位终端的整体架构以及基于a r m 的终端定位设备的硬 件设计和实现。 本文的主要工作如下； 1 对传统的移动定位终端及监控中心的整体架构、以及传统的定位导航技 术进行了介绍，指出其并不适合我们的系统需求，并在此基础上提出了基于g p s 技术的移动定位终端及监控中心系统的整体架构。区别于以往基于8 0 5 1 方案， 提出了基于a r m 的新一套方案。 2 设计了移动定位终端的硬件架构。选择了合适的硬件产品，并进行硬件 电路的设计工作以及安装、调试工作。这部分比较重要的是硬件的的选择，它影 响到能否实现预定的低成本、功能可靠的目标，我们选择了i t r a x 0 2g p s 接收器， 西门子的m c 3 5 ig p r s 手机模块，以及a r m 7s 3 c 4 4 b o x 处理器。同时，本文 指出了系统接口设计过程中所要注意的一系列问题。 3 移动定位终端的硬件实现。 1 4 本文结构 第一章，阐明本文课题的选题背景和研究意义，并说明本文的主要内容和 创新点。i 第二章，介绍了传统的移动定位终端的架构，指出其为什么不适合我们的 需求，特别指出以往基于8 0 5 1 的移动定位终端的局限性，并在此基础上提出了 本文基于a r m 定位技术的系统架构。 第三章， 对移动终端o p s g p r s 模块进行了分析，对两个模块的器件进行 了选择，设计了接口电路。 第四章，对移动终端基于a r m 的主控板进行了分析，选择所需硬件，给 出了接口电路的详细设计。 第五章，对本文的工作进行了总结，并指出了没有完成和有待进一步提高 的部分。 天津大学硕士学位论文移动定位终端主控模块的设计及实现 第二章系统的总体架构及关键技术 2 1g p s 全球卫星定位系统 2 1 1 传统移动定位技术 传统的移动定位技术有天文导航技术，无线电导航，惯性导航技术等技术。 天文导航是比较早的导航定位技术，天体相对地球的运动规律是完全确定 的，这是其定位依据的原理，因此可以利用观测天体的位置来解决导航问题。但 是其有较大的局限性，具有精度较差的缺点，而且受天气影响较大，比如阴天的 时候无法进行测量，所以无法提供全天候的定位功能。 无线电导航是通过测定无线电波从发射台到接收机的传播时间、或相位、相 角来进行导航定位的方法，这是定位技术的一大发展，现在还在广泛地使用着。 但是其缺点是覆盖的工作区域小、电波传播容易受大气影响、定位精度不高。 惯性导航系统( i n s ) 是一个自主式的空间基准保持系统，由惯性测量装置、 控制显示装置、状态选择装置、导航计算机和电源等组成。惯性测量装置包括3 个加速度计和3 个陀螺仪。前者用来测量运载器的3 个平移运动的加速度，指示 当地地垂线的方向；后者用来测量运载器的3 个转动运动的角位移，指示地球自 转轴的方向。对测出的加速度进行两次积分，可算出运载器在所选择的导航参考 坐标系的位置。对准后良好的短期精度和稳定性，高度的抗干扰性是其优点，但 是其结构复杂，造价较高，导航误差随时间积累而增大，加温和对准时间较长。 这些传统的移动定位技术对各种交通导航的发展起到了巨大的推动作用， 但是各有其局限性，都不适合应用在便携式的移动定位终端上。 2 1 2g p s 概述 g p s 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 ) 是美国从本世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，继阿波 罗登月计划、航天飞机之后发展的美国三大航天工程，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。早期仅限于军方使 用，由美国国防部所计划发展，其目的针对军事用途，例如战机、船舰、车辆、 人员、攻击目标的精确定位等。 时至今日， g p s 早已开放给民间使用，这项 结合太空卫星与通讯技术的科技，在民间市场己正在蓬勃的展开，除了能提供精 第二章系统的总体架构及关键技术 确的定位之外，对于速度、时间、方向及距离亦能准确的提供讯息，运用的范围 相当广泛。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在 不断地开拓，目前己遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 【7 ，8 ，9 1 g p s 系统的特点： 呤定位精度很高，单机定位精度优于1 0 米，采用差分定位，精度可达厘米 级 夺由于整个卫星系统可以覆盖全球，所以可以为全球的用户提供连续、实 时的三维位置、三维速度，不受天气的影响，实现了全天候定位功能 抗电磁干扰能力强，系统更加可靠 随着g p s 接收机的不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“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 随着g p s 系统的不断完善，软件的不断更新，所需的观测时间越来越短， 可以即时地提供定位信息。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 夺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 省大量的造标费用。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算点、过渡点的 测量工作 应用范围很广泛，随着人们对g p s 认识的加深，g p s 不仅在测量、导航、 测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 2 1 3g p s 系统的组成 g p s 系统包括三大部分：空间部分书p s 卫星星座；地面控制部分 地面监控系统：用户设备部分川p s 信号接收机。 g p s 卫星星座。g p s 工作卫星及其星座由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫 星组成g p s 卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道 平面内，轨道倾角为5 5 度，各个轨道平面之间相距6 0 度，即轨道的升交点赤 经各相差6 0 度。在两万公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时， 它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。这样，对于地面观测 者来说，每天将提前4 分钟见到同一颗g p s 卫星。位于地平线以上的卫星颗数 天津大学硕士学位论文移动定位终端主控模块的设计及实现 随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可见到1 1 颗。在用g p s 信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称为定 位星座。 地面监控系统。对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点。卫星的位 置是依据卫星发射的星历( 用来描述卫星运动及其轨道的参数) 算得的。每颗g p s 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作， 以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监 控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准呻s 时间系统。g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 g p s 信号接收机。g p s 信号接收机的任务是：能够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，实时地计算出测站的三维位置、方 向、甚至三维速度和时间。 静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接 收机高精度地测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨的已知位置，解算 出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用g p s 接收机测定一个运 动物体的运行轨迹。g p s 信号接收机所位于的运动物体叫做载体( 如航行中的船 舰，空中的飞机，行走的车辆等) 。载体上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星 的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时地测得运动载体的状态参数 ( 瞬间三维位置和三维速度) 。 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型 接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站 上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有 的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。 近几年，国内引进了许多种类型的g p s 测地型接收机。各种类型的g p s 测 地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5 m m + i p p m d ，单频 接收机在一定距离内精度可达1 0 m m + 2 p p m d 。使用差分定位其精度可达厘米 级。目前，各种类型的g p s 接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观 测。 2 1 4g p s 的定位原理，定位的精度及其提高手段 g p s 的定位是利用卫星基本三角定位原理，g p s 接收装置以测量无线电信 第二章系统的总体架构及关键技术 号的传输时间来测量距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，这是一种高轨道 与精密定位的观测方式。假设卫星在1 1 , 0 0 0 英哩高处，测量我们的距离，首先 以1 1 , 0 0 0 英哩为半径，以此卫星为圆心画一球体，而我们位置正处于球面上。 再假设第二颗卫星距离我们1 2 ，0 0 0 英哩，而我们正处于这二颗球所交集的圆周 上。现在我们再以第三颗卫星做精密定位，假设高度1 3 ，0 0 0 英哩，我们即可进 一步缩小范围到二点位置上，但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中 的某一点，因此，我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。 如果要获得更精确的定位，则必定要再测量第四个颗卫星，从基本物理的观 念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得的 距离称为虚拟距离，在g p s 的测量上，我们测的是无线信号，速度几乎达1 8 万 6 千英哩s e c 的光速，而时间却短的惊人，甚至只要o 0 6 秒，时间的测量需要二 个不同的时表，一个时表装置于卫星上以记录无线电信号传送的时间，另一个时 表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接 收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们， 我们会听到二种不同的声音，这是因为卫星信号从1 1 , 0 0 0 英哩远的地方传来， 所以会有延迟的时间，因此，我们可以延迟接收器的时间，而延迟的时间x 速度， 就是接收器到卫星的距离，此即为g p s 的基本定位原理。 卫星讯号在传送过程中，会受到自然界中各物质媒介的干扰，因此，我们在 计算精度时，必须考虑这些干扰因素，这些干扰误差包括：选择可用性( s a ) 误差， 卫星时钟误差( e p h e m e r i se r r o r ) ，星历误差，电离层滞后，对流层滞后，几何精 度稀释( g e o m e t r i cd i l u t i o no fp r e c i s i o n ，简称g d o p ) ，多路径讯号传送误差 ( m u l t i p a t he r r o r ) 。 目前g p s 系统提供的定位精度是优于1 0 米，而为得到更高的定位精度，我 们通常采用差分g p s 技术：将一台g p s 接收机安置在基准站上进行观测。根据基 准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一 数据发送出去。用户接收机在进行g p s 观测的同时，也接收到基准站发出的改正 数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。差分g p s 分为四大类：伪距 差分、载波相位差分、广域差分法和位置差分【1 0 】。 2 2g s m 和g p r s 的对比 2 2 1g s m 概述 g s m 的历史可以追溯到1 9 8 2 年，当时，北欧四国i 句c e p t ( c o n f e r e n c ee u r o p e 天津大学硕士学位论文 移动定位终端主控模块的设计及实现 o f p o s ta n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 提交了一份建议书，要求制定9 0 0 m h z 频段的欧 洲公共电信业务规范，以建立全欧洲统一的蜂窝系统。同年，成立了移动通信特 别小组( g s m - g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) 。在1 9 8 2 年一- - 1 9 8 5 年期间，讨论焦点是制 定模拟蜂窝网标准还是制定数字蜂窝网标准问题，直到1 9 8 6 年决定为制定数字 蜂窝网标准。1 9 8 6 年，在巴黎对不同公司、不同方案的系统( 8 个) 进行了比较， 包括现场试验。1 9 8 7 年5 月选定窄带t d m a 方案。与此同时，1 8 个国家签署了 谅解备忘录，相互达成履行规范的协议。1 9 8 8 年颁布了g s m 标准，也称泛欧数 字蜂窝通信标准l l 。在现阶段，g s m 包括两个并行的系统：g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 ， 这两个系统功能相同，主要是频率不同。g s m 9 0 0 工作在9 0 0 m h z ，d c s l 8 0 0 工作在1 8 0 0 m h z 。我国最早使用的是g s m 9 0 0 ，随着通信网络规模和用户数量 的迅速发展，原有的g s m 9 0 0 网络频率变得日益紧张，为更好地满足用户增长的 需求，我国近期引入了d c s l 8 0 0 ，并采用以g s m 9 0 0 网络为依托，d c s l 8 0 0 网络 为补充的组网方式，构成g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 双频网，以缓和高话务密集区无线 信道日趋紧张的状况。只要用户使用的是双频手机，就可在g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 两者之间自由切换，自动选择最佳信道进行通话，在通话中手机也可在两个网络 之间自动切换用户都毫无察觉，选择了最佳信道，接通率得到了提高。 2 2 2g s m 信令信道广播信道上的数据业务s m s g s m 技术是第一个在信令信道和广播信道上提供数据业务的技术。这些业 务就是熟知的s m s 。s m s 是s h o r tm e s s a g es e r v i c e 的缩写，即短消息业务。有 两种不同类型的s m s ：点到点s m s 和广播s m s 。 s m s 是一种用于以存储转发方式发送短字符( 达到1 6 0 字符) 消息的双向 业务。对于点到点的s m s 来说，该项服务能够将消息传递给另一个用户，并将 接收方的应答信息提供给发送方。s m s 也可以在小区广播模式中用来发送消息， 如最新交通状况、最新新闻等。消息可被储存于用户识别模块( s i m ) 卡中以便 日后查询。s m s 业务已被广为接受，目前每月所发送的短消息超过1 0 亿条。增 强功能也包括用于点对点及点对多点通信的更好的s m s 信息流。s m s 消息业务 最终采用1 6 0 字符并且以完全的存储转发方式运行。 根据g s m 协会的规定，每一个短信用拉丁字母表示时最长不超过1 6 0 个字 符，而用非拉丁字母，比如阿拉伯字母和汉字表示时最长不超过7 0 个字符。短 信可以由文本字符组成，这样，它就可以被人们阅读和书写。在欧洲和亚太地区， s m s 文本信息已经成为人们常用的一种无线通信方式，在北美也正逐渐受到人们 的欢迎。短信也可以内任意8 位的字节序列组成，这种情况下，它可能是在一端 由计算机生成并在另一端由计算机程序处理【1 2 1 。 第二章系统的总体架构及关键技术 2 2 3g p r s 的应用以及特点 g p r s 的英文全称为g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，即通用分组无线业务，是 在g s m 系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。它使用分组交 换技术，能兼容g s m 并在网络上更加有效地传输高速数据和信令。在移动用户 和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线p 和x 2 5 分组数据接 入服务。g p r s 允许用户在端到端分组传输模式下发送和接收数据，而不需要利 用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务， 它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。g p l 峪特别适用于间断的、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，具有“实时在线 ， “按量计费，“快捷登录”，“高速传输，“自如切换”的优点。 一般是把移动通信的发展分为二个阶段，简称为三代。第一代就是模拟的 无线网络；第二代是数字无线通信网络，如g s m 和c d m a ；第三代是分组型无 线通信网络，也就是3 ( 2 我们所说的g p r s 是介于第二和第三代技术之间的一种 技术，欧洲一般称其为2 5 g 。但这并不意味着g p r s 仅仅是一个过渡产品，相 反g p r s 是第二代向第三代网络演进的一个非常重要、不可或缺的一个步骤和里 程碑。因为g p r s 较之g s m 在数据的传输上产生了由电路交换到分组交换这样 一个质的飞跃相对于移动互联网和数据业务有了一个很大的促进，在现阶段3 g 的道路尚不是很清晰，技术发展与市场需求都不是很成熟的情况下，g p r s 在未 来4 5 年将成为移动数据业务的最重要的承载方式。g p r s 的引入将可以大大延 长g s m 系统的生存周期，同时为3 g 的发展奠定基础。 g s m 系统发展到现在，已成为全球最大的移动通信系统，能基本满足当前 移动通信中话音通信的需求，应用相当广泛。但g s m 系统存在其固有的问题： 夺容量不足和频谱利用率不高，造成频率资源紧张 夺只能提供9 6 k b s 的数据传输速率，对高速数据传输无能为力，无法满 足日益增长的对移动多媒体通信( 特别是无线因特网接入) 的巨大社会 需求 g p r s 系统的引入，很大程度上解决了g s m 系统存在的问题。 g p r s 的主要特点是： 覆盖范围广，可以移动，接入地点无限制，能满足跨地区的接入需求 令g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对 网络资源和无线资源的利用。数据传输速率高，理论传输速率1 7 1 k b p s ， 实际传输速率4 0 k b p s 令系统的传输容量大，扩容无限制 天津大学硕士学位论文 移动定位终端主控模块的设计及实现 夺通信费用低。租用专线或电话线进行连接。实现基于数据流量、业务类 型及服务质量等级( q o s ) 的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更 加方便 夺实时性好。与短消息服务比较，系统无时延，可很好的满足系统对数据 采集和传输实时性的要求 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。g p r s 网本身就 是一个分组型数据网，支持t c p i p , x 2 5 协议，无需经过p s t n 等网络的转接， 直接与分组数据网( e p 网或x 2 5 网) 互通，接入速度仅几秒，快于电路型数据业 务。 2 2 4g p r s 数据传输基础 g p r s 网络是在g s m 网络基础之上，新增两个节点s g s n 和g g s n 而 形成的移动分组数据网络。因此，g p r s 的基本功能是在移动终端与计算机通信 网络的路由器之间提供分组传递业务。g p r s 网络分成两个部分：无线接入和核 心网络。无线接入部分在移动台和基站子系统b s s 之间传递数据；核心网络在 b s s 和标准数据通信网络边缘路由器之间中继传递数据。 一个需要使用g p r s 业务的移动台，首先需要通过一个信令过程，使自己附 着到g p r s 网络。这一情形是在移动台打开电源，或者是用户希望传递分组数据 的时候完成的。在无线接入部分，符合发送条件的移动终端的数量由无线接入系 统统一控制。 g p r s 的前向信道和反向信道上的复用与g s m 一样，也是在频域中完成的。 在前向和反向的传输则是建立在统计时分复用的基础之上的。用于数据传输的反 向信道接入，是通过竞争过程预留传输能力而达到的。 在无线传输信道上的时间轴按照复帧序列来组织，每一个复帧包含5 2 个 t d m a 帧，组织成1 2 个无线块，每一个无线块包含4 个t d m a 帧。因此，一 个复帧内的无线块序列共占用4 8 个t d m a 帧，剩余4 个t d m a 帧用于空闲帧 和上下行链路定时提前量的传输。每一个t d m a 帧有8 个时隙，每一个时隙传 输一个单元数据，称为突发，一个突发是1 1 4 比特。一个预约分组能够在一个时 隙内发送，但是传输一个基本数据单元，也就是一个r l c 块，需要4 个突发， 即在4 个连续的t d m a 帧内，分别占用1 个时隙。 在移动台内，分组从网络层协议，例如互联网协议( i p ) 到达g p r s 系统。 i p 数据包包含2 0 字节i p 包头，这些i p 数据包首先在子网数据汇聚协议( s n d c p ) 层转换成逻辑链路控制( l l c ) 帧。在一个l l c 帧内用户数据最大限制在1 5 2 0 个字节中，每一个l l c 帧包含4 0 字节头开销，因此，一个l l c 帧一共1 5 6 0 个 第二章系统的总体架构及关键技术 字节。这些l l c 帧进一步在r l c m a c 子层分解成无线链路控制( r l c ) 块。 一个r l c 块包含来自一个l l c 帧内的大约2 0 个字节，具体字节数取决于所采 用的无线信道编码方案。r l c 块经过编码后通过空中接口采用4 个时隙传送。 2 2 5g p r s 协议基础 g p r s 是面向分组的，是对g s m 扩展的结果。扩展的含义是指重复使用g s m 的无线基础设施，只在核心网络内引入两个新的网络节点，以便提供所需要的分 组交换功能。与现在的g s m 电路交换相比，g p r s 的主要目的是为互联网应用 提供更好的服务。t d m a 帧的一些时隙能够统计地或动态地安排给g p r s 。这些 时隙称为分组数据信道( p d c h ) 。通过在一条p d c h 上复用若干个用户，一个 用户也可以在若干条p d c h 上传送，g p r s 提供有效地共享这些无线资源的机制。 除了其他操作模式，g p r s 还提供一个可靠的r l c 模式，它特别适应于非实 时应用。建立在前向纠错( f e c ) 的基础之上，从而可以确保适当的块错误率， r l c 的a r q 机制可以恢复接收的错误分组。 根据g s m 的t d m a 概念，一个r l c 块是用4 个连接突发传送的。r l c 块 形成g p r s 重传单元。为了使延迟最小，交织也只在4 个突发内执行，而不像电 路交换数据是在2 2 个突发内执行。为了应对不同的信道条件，g p l 峪标准规定 了4 种不同的信道编码方案，如表2 1 所示。表2 1 中列出了1 个时隙的数据 速率。如果用户能够在若干个p d c h 并行传送，其数据速率等于单时隙数据速 率乘上时隙数。 表2 - - 1 信道编码方案 每个r l c 编码编码块的有1 个时隙数2 个时隙数4 个时隙数8 个时隙数 方案速率效载荷 据速率 据速率 据速率 据速率 比特 c s - 1 1 21 6 08 0 k b i t s1 6 0 k b i t s3 2 0 k b i t s6 4 0 k b i t s c s - 2 约2 3 2 4 0 1 2 0 k b i t s2 4 0 k b i t s4 8 0 k b i t s9 6 0 k b i t s c s - 3约3 42 8 8 1 4 4 k b i t s2 8 8 k b i t s5 7 6 k b i t s 1 1 5 2 k b i t s c s - 4 1 4 0 0 2 0 0 k b i t s4 0 0 k b i t s6 0 0 k b i t s1 6 0 0 k b i t s r l c 数据块的传递由a r q 机制控制，r l c 数据块采用模1 2 8 编号方式。发送 方可以是移动台或网络，在6 4 个块的窗口内发送块，接收方周期地发送 a c k n a c k 消息。每一条消息对所有正确接收的r l c 数据块进行应答，一直到所 天津大学硕士学位论文移动定位终端主控模块的设计及实现 指示的块序列号( b s n ) 。这样，可以移动发送方发送窗口的起始位置。此外， 接收方采用比特映射，选择请求重传错误接收的r l c 数据块。然后，发送方重新 发送错误的r l c 数据块，最终导致一步一步地滑动发送窗口。图2 1 说明了 g p r s 协议栈【1 3 , 1 4 , 1 5 】。 j 照用l j 睨，i j t c p u d p t c r u d p ! i p i pi pl p 坠至 s n d c p s ，吼x 甲 g t p g t p l 2l 2 l l c u _ cu d p ? ：2 ， l m h t f f p l u c - b 黛g p l p0一i p j u c b s s ( ；p m a cm a cl 崎终受备h 祭蹙舞dll 2 l l l l g s mr fg s mr fl l h bl i 螨bl -一l l 淞 恤 瞻s 伍 s g s k 佃 g g 球 伍 t 帆 图2 1g p r s 协议栈 2 3 从8 0 5 1 到a r m ! 滚鹃 6 陬s i n t e l 公司从1 9 8 0 年推出8 位5 1 系列单片机，发展到今天已经形成了一个 应用广泛，门类齐全的庞大家族。我们一般把5 1 系列成为单片机，其中的8 0 5 1 就是代表，单片机就是把中央处理器，存储器和输入输出设备集成在一个芯片 内的芯片，它具有微型计算机的最基本功能，是一个可以独立运行的最小的智能 设备，也成为微控制器。在8 位单片机上一般不能移植操作系统，只能基于它编 写简单的控制程序。 而9 0 年代随着a r m 公司的出现，3 2 位微处理器的浪潮席卷而来。首先，a r m 不是单片机，只相当于单片机的处理内核，目前，世界上很多芯片厂商都利用 a r m 处理器来设计自己的微控制器，这种有a r m 公司创新的i p ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) 迅速成为当前最热门和最令人觊觎的新经济产品，获得巨大成功，主 要原因如下：利用成功的内核开发自己的产品，可以极大的缩短产品的开发展期一 并且降低开发风险；a r m 只负责开发a r m 核，专注于内核技术，使得技术趋于完 善，产品成熟；不同厂家用同一种内核，指令集相同，这样的话对应用工程师十 第二章系统的总体架构及关键技术 分有利。 我们来对比一下8 0 5 1 单片机内核和a r m 7 内核，如表2 2 ： 表2 28 位和3 2 位处理器内核对比 5 1 系列单片机内核a r m 7 内核 8 位指令代码3 2 位指令代码( 兼容1 6 位指令代码) 8 位数据总线3 2 位数据总线 1 6 位地址总线 3 2 位地址总线 6 个中断源7 个中断源( 复位) 工作寄存器r 0 一r 73 7 个寄存器 程序计数器 程序计数器 状态寄存器状态寄存器 累加器a 和b3 7 个都可以用作累加器 寻址范围1 6 位地址宽度寻址范围3 2 位地址宽度 不能预取指 三级流水线预取指 1 种工作模式7 种工作模式 不支持协处理器 支持协处理器 不支持j t a g 调试 支持j t a g 调试 虽然8 0 5 1 一直也有发展，但是功能上仍然受到8 位数据总线的限制，相比 之下，由各个厂家推出的面向各种应用的基于3 2 位a r m 核的