（电路与系统专业论文）基于ARM9的智能车载信息系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 研究车载信息系统在提高汽车综合性能、提高行车安全性、减轻驾驶 者员的负担等方面具有很大作用，对解决城市交通问题具有重要意义。本 文对车载信息系统进行了研究，改进了传统的车载信息系统。改进后的系 统具有车辆定位、无线通信、车辆状态采集和信息综合显示等多种功能。 由于采用先进的嵌入式系统设计，使得本文研究的车载信息系统具有功能 强、功耗低、可靠性高等特点。 车载信息系统涉及的方面较广，本文从定位、通信和数据采集这几个 方面进行了以下工作：针对传统车载信息系统系统功能单一、集成度低等 缺陷，采用了基于a r m 9 处理器和嵌入式l i n u x 操作系统的嵌入式系统作为 系统的控制平台，提高系统的性能、集成度以及可扩展性；分析传统车载 信息系统方案在定位导航、无线通信方面存在的不足，提出了g p s 定位技术 和先进的g p r s 无线通信技术相结合的方案，以实现车辆定位以及车辆与控 制中心之间的数据通信；通过设计c a n 总线控制模块完成采集车辆主要部 分的工作状态的工作，从而使车辆具备电路故障的自诊断功能，方便了车 辆电路故障的维修，提高了行车的安全性。通过l c d 模块的设计实现了车 辆各种信息的灵活显示，丰富了人机交互界面，使得系统更加智能化。 本文围绕上述几个方面，对车载信息系统进行了相关讨论及技术实现， 并在实验室进行了测试，成功地实现了系统基本功能。 关键词车载信息系统；a r m 9 ；l i n u x ；g p s ；g p r s ；c a n 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t os t u d yv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mh a sa l li m p o r t a n te f f e c to ni m p r o v i n g p e r f o r m a n c ea n ds e c u r i t yo fv e h i c l e ，r e d u c i n gp r e s s u r eo fd r i v e r s ，s op l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ei ns o l v i n gt r a n s p o r t a t i o np r o b l e m s t h i sp a p e ri sa i m e d a tv e h i c l e i n f o r m a t i o ns y s t e ma n da m e l i o r a t e si t t h es y s t e ma m e l i o r a t e dh a sm a n yf u n c - t i o n s ，s u c ha sp o s i t i o n i n g ，c o m m u n i c a t i o n , c o l l e c t i o no fv e h i c l es t a t u s ，d i s p l a y o fi n f o r m a t i o na n ds oo n b e c a u s eo ft h eu s i n go fa d v a n c e de m b e d d e ds y s t e m ， t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mh a sp o w e r f u lf u n c t i o n s ，l o wp o w e r , h i 曲 r e l i a b i l i t ya n de t c m a n ya s p e c t sa r ec o n c e r n e di n v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m t h i sp a p e r s t u d i e sv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mf r o ms o m ea r e a s ，s u c ha sp o s i t i o n i n g ， c o m m u n i c a t i o na n dd a t ac o l l e c t i o no f v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m t h em a i nt a s k s a l ea sf o l l o w s ：t h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r m 9p r o c e s s o ra n de m b e d d e d l i n u xi sd e s i g n e da sac o n t r o lm o d u l et os o l v et h ew e a k n e s so f t r a d i t i o n a ls y s t e m i na s p e c t so fs i n g l ef u n c t i o na n dl o wi n t e g r a t i o n ；t h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a l p o s i t i o n i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r ea n a l y z e d t h e ng p sa n dg p r sa r e a d o p t e dt os o l v et h e m ；c a nm o d u l ei sd e s i g n e dt oc o l l e c tt h es t a t u si n f o r m a t i o n o ft h em a i np a r to fv e h i c l e ，s ot h ev e h i c l ec a l la f i a g n o s ee l e c t r i cf a u l t sb yi t s e l f , a n dt h e r e f o r eh a sah i g h e rs e c u r i t y l c dm o d u l ei sd e s i g n e dt od i s p l a y8 1 i n f o r m a t i o no fv e h i c l e ，a n di te n r i c h st h ei n t e r f a c eb e t w e e nd r i v e r sa n dv e h i c l e s , s om a k e st h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mm u c hm o r ei n t e l l i g e n t t h i sp a p e rs t u d i e sv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e ma r o u n da s p e c t sm e n t i o n e d a b o v e ，c o m p l e t e st h et e s ti nt h el i b r a r yf i n a l l y , a n dr e a l i z e sb a s ef u n c t i o n so f s y s t e ms u c c e s s f u l l y k e y w o r d sv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m ；a r m 9 ；l i n u x ；g p s ；g p r s ；c a n n 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于删9 的智能车载 信息系统研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明都分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签字糇秀日期：沙旬年牛月l 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于越迅移的智能车载信息系统研究系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全都或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密固。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：沥7 年年月2 日 e l 期：1 明年蝴2 2 日 钦丁 幸勺，f獬蝎 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 研究车载信息系统对解决城市交通控制问题具有重要的现实意义。 二十世纪六、七十年代以来，随着世界各国经济进入了高速增长时期， 加之城市化进程加快和机动车保有量的迅猛增加，已有的道路满足不了人 们不断增加的交通需求。城市交通拥堵、交通事故频发、交通环境恶化等 成为世界各国面临的共同问题，无论是发达国家还是发展中国家都承受着 交通不断恶化所带来的困扰。统计数据说明：现代交通已经对人类生命、 财产和生存环境构成危险。如何有效地解决城市交通问题成为世界各国关 注和研究的焦点。 为了解决城市交通问题，除了改善城市建筑群的合理分布、扩修交通 要道、增强人们的交通意识外，更重要的是要加强城市车辆交通控制。而 车载信息系统是车辆交通控制系统的重要组成部分，因此对其进行研究就 显得十分重要。事实上，造成目前交通问题恶化的原因之一是驾驶员不能 及时得到准确有效的各种信息，而解决该问题的关键是要让路、车、人三 者进行主动积极的统筹与协调，从根本上改变现行汽车的信息采集处理、 信息交换、行车驾驶与定位、车辆控制、汽车安全保障等技术方案与体系 结构，使汽车更加人性化、舒适化和个性化，这样才能在很大程度上减轻 驾驶员的负担和操作的盲目性，减少驾驶员疲劳驾驶的现象，从而提高交 通安全，配合城市交通控制系统，实现合理分配交通流，达到交通顺引”。 本文的研究内容正是基于此而提出的。 通过车载信息系统可以让驾驶员及时了解车辆的位置、运行状态等相 关信息，并能够实现车辆与车辆、车辆与控制中心的实时信息交换。而无 线通信、自动控制、处理器及动态检测等技术的发展和成熟为车载信息系 统提供了技术支持【2 卅，使得车载信息系统的设计与实现成为可能。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 车载信息技术【5 】是无线电技术与处理器技术的汇聚，即利用计算机或处 理器和无线电话来傲一些事情，如i n t e m e t 网上登陆、实时交通信息查询等。 现在人们已经将车载信息技术的定义进行了一定程度的扩展，即将计算机 或处理器驱动的、与驾驶员和乘客有关联的各种数据的采集与控制技术也 收入到车载信息技术的范畴之列。 1 2 1 车载信息系统简介 车载信息系统一般由三部分组成：定姿系统、通信系统和信息采集系 统组成1 6 j 。定姿系统利用全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，g p s ) 、惯性 导航系统( s t r a p d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ，s i n s ) 等装置，单独或组合 使用以一定精度实现车辆定位，包含位置、速度和行车方向等车辆姿态信 息：数据采集系统使用传感器及处理器来获得车辆各部件运行信息；无线 通信系统实现车载信息系统与交通指挥调度系统或其他交通信息系统进行 单向或双向通信，使驾驶员和信息中心都能知道当前信息和其他服务性信 息；信息处理系统处理来自定姿系统和通信系统的数据，并结合地理信息 系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 技术和专门用户程序，给驾驶员 提供良好的人机接口。 随着车载信息系统的发展，目前的车载信息系统除了上述功能外，还 具备电子商务和多媒体娱乐等功能【7 】。 1 2 2 车载信息系统的发展与应用 目前国内外尚无成熟的完整意义上的车载信息系统产品，一般所说的 车载信息产品主要是指车载定位与导航系统。车载定位与导航系统的雏形 起始于二十世纪六七十年代。早期的导航系统使用的是车辆里程表、环形 检测器等。7 0 年代，位置推算系统、车载电子地图和地图匹配技术得到了 一定的发展。这期间，美国e t a k 公司开发出一种自主导航仪，这种系统利用 2 第1 章绪论 航位推算模块d r ( d e a dr e c k o n i n g ) 并借助地图匹配算法进行车辆定位。类似 的系统在欧洲也已被研制出来，如飞利浦公司的“c a b i n ”、英国的 a u t o g u i d e 等。到了8 0 年代末，随着全球定位系统g p s 技术的发展与成熟，再加 上巨大的市场潜力和良好的发展前景，世界各国都进入了车载定位与导航 这一研究领域，美国、日本和欧洲等国家都先后推出了自己的g p s 车载定位 导航系统瞵。 现在车载导航系统己成为中高档车辆的标准设备。日本很多的汽车生 产厂家都参加了这一科技角逐。丰田、松下等公司都已开发出自己的车载 导航产品。其他发达国家如美国、德国也己在该市场占有一席之地。2 0 0 0 年日本的车载g p s 导航仪产量达至u 2 0 0 万套，年增长率为3 3 3 。北美和欧 洲的车载导航仪的销量在2 0 0 0 年内达到或超过1 0 0 万套，近些年来每年都以 翻一番的速度往上增长。 我国g p s 车辆导航系统应用发展曲折而缓恻m 1 2 1 。1 9 9 4 至u 1 9 9 5 年间是 第一阶段，当时上百家公司都来抢占g p s 车辆跟踪市场。但由于当时市场尚 未形成，加上技术上不完善，能实际投入运行并坚持下来的极少。1 9 9 6 到 1 9 9 7 年间是g p s 车辆跟踪系统市场的调整和充实时期。主要是公安、金融等 部门利用其专用无线通信系统和模拟集群系统，在全国三、四十个城市建 成的金融运钞车和公安交警车辆跟踪系统。1 9 9 8 至u 2 0 0 0 年间，随着我国g s m 数字移动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通信网络 通过采用g s m 公众网的短消息服务找到了新的出路。2 0 0 0 年底全国累计有 近3 0 0 个车辆跟踪网络，入网车辆为5 到6 万辆。 将无线技术与定位导航服务联系起来的车辆通信系统的一个典型示例 是m a y d a y 系统，该系统使用手机进行语音和数据传输，使用车载g p s 接收 器进行定位，可按要求在车辆用户与服务中心进行无线传输。其典型的产 品是美国通用汽车公司在1 9 9 7 年推出的o n s t a r 系统和福特公司推出的 v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n 系统b 3 1 ，用户通过头顶控制板上的三个按钮之一激 活系统，多功能显示屏随后显示状态信息，车载电话自动呼叫服务中心。 系统通过车载电话网络的语音通道向主机发送车辆识别码、来自g p s 接收器 的车辆位置信息和其他与用户要求有关的数据。 3 燕山大学工学硕士学位论文 继一些国家之后，我国一些科研院所和高校也开始研究自己的车载信 息系统，有些己经获得成功。但由于这些产品功能单一，可靠性差，并且 网络服务跟不上，难以形成人、车、路的协调统一，所以应用较少，主要 处于研究阶段。 随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越 来越高，特别是处理器进入汽车控制领域后，给汽车发展带来了划时代的 变化，汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性、对环境的友好 性都得到了大幅提升。 电子设备的大量应用，必然导致车身布线愈长愈复杂、运行可靠性降 低、故障维修难度加大，特别是电子控制单元的大量引入，为了提高信号 的利用率，要求大批的数据信息能在不同的电子单元中共享，汽车综合控 制系统中大量的控制信号也需要实时交换，传统线束己远远不能满足这种 需求。针对上述缺陷，人们开发出了各种适用于汽车环境的汽车网络技术。 在多种汽车局域网中，c a n 以其良好的运行特性，即较高的可靠性和 独特的设计，特别适合现代汽车各电子控制单元之间的互联通信。到目前 为止，c a n 网络在国外，特别是在欧、美等国家的汽车上应用己经非常广 泛，显示出了良好的发展前景。在国产车中整车应用c a n 总线还少有先例， 随着我国汽车工业和电子工业的发展，汽车电器的网络化已经成为必然的 趋势。 1 2 3 传统系统存在的问题 车载信息系统是一个综合性系统，其内容涉及很多方面，如车载定位、 车载通信、车载多媒体等，其存在的问题也主要集中在这几个方面 6 , 1 4 , 1 5 。 在定位导航方面，早期的车载信息系统其车载设备为一小功率发射机， 不停地发射信号，或者是需要报警时才发射信号。在行进中被间隔距离比 较小的基站或路口接收机接收，然后通过有线方式传输至管理中心，这种 设备比较简单，但定位误差大，建网基站多，费用高，系统可靠性比较低， 服务功能单一。 为了减少基站数量，又提出了大基站方法。车载装置具有较高的发射 4 第1 章绪论 功率( 5 7 瓦) ，发射机发出的信号同时被四个以上的基站接收，各基站将收 到的信号连同基站收到信号的精确时间传送至管理中心。这种方法车载设 备比较复杂。为了提高精度和抗干扰，只能采用扩频通信技术。但这种方 法需要建专网，费用高，不能通话，服务功能单一。 随着g p s 技术和无线通信的发展，又提出了基于g p s g s m 的方案【。 它解决了大基站方法要建专网且不能通话的问题，车载设备借助g s m 公网， 将g p s 采集到的信息通过具有随时在线功能的短消息业务发送到管理中心， 并且g s m 网络还可以提供话音和数据传输业务，极大的方便了车载设备与 管理中心的信息交换。但是这种方法也有其不足的地方：g p s g s m 定位导 航方案由于采用短消息这种方式传递信息，所以存在通信费用高( 信息发送 频率高所致) 、延时不确定( 需要短消息服务中一已, s m c 转发所致) 、短消息服 务器须向电信公司申请专门的业务服务( 申请专线建立网关) 等缺陷。除了定 位导航功能外，传统车载设备也存在车辆仪表提供的车辆状态信号模糊、 不全、分散等缺陷，例如多数警告信号并不提供准确的数值等等。 随着技术的进步和时代的发展，人们对车载信息系统的需求不再仅限 于传统的定位导航功能，还希望车载信息系集成车辆安全、故障显示与诊 断、车载网络及娱乐设施等方面的功能，因而传统车载信息系统功能单一、 集成度不高的缺陷还需要进一步改进。 1 3 论文的基本思想和主要内容 本节详细阐述了本论文的基本思想和主要内容。 1 3 1 论文基本思想 本文研究的车载信息系统采用了3 2 位a r m 9 处理器和嵌入式l i n u x 操作 系统构成的先进的嵌入式系统，可以将定位、通信、车辆状态信息采集、 信息显示甚至娱乐等功能集于一体，克服了传统系统功能单一、集成度低 等缺陷，使得系统的性能、集成度和可扩展性大大提高。采用g p s 定位技术 和先进的g p r s 无线通信技术克服了定位导航与数据通信方面存在的不足。 燕山大学工学硕士学位论文 采用c a n 总线技术对车辆信息进行采集并采用l c d 模块进行信息的综合显 示，克服了传统的车载分散仪表的缺陷。 本文车载信息系统由以下几部分组成：主控制部分、定位部分、通信 部分、数据采集部分、显示部分。主控制部分采用了基于舢t m 9 和l i n u x 的 嵌入式系统平台，完成整个系统的控制，具有强大的功能、较低的功耗以 及很高的性价比。定位部分采用了集成0 p s 接收模块进行定位，成本低，误 差小；通信部分借助g p r s 网络在车辆之间或车辆与控制中心之间进行无线 数据传输，相对于传统的g s m 短消息传输方式，g p r s 具有永久在线( 只需 一次连接且不占用语音信道) 、计费便宜( 按流量计费) 、易于组网( 可直接连 接i n t e m e t 暖 路) 、高速传输等特点，特别适合突发性、频繁的流量数据传输， 支持的数据传输速率理论峰值达1 7 1 ，2k b p s 1 7 1 。数据采集部分采用通过扩展 c a n 总线模块与其它车载电子控制器的互连，实现了与其它车载电子控制 器的相互通信，做到了全车信息及时共享。c a n 不仅减少了直接线束的连 接，是整车线束布置紧凑，车辆更加安全，同时也确保了整车在行驶过程 中各个部件之间的匹配达到最佳状态。通过c a n 总线实时采集车辆运行状 态，为驾驶员的判断行为和事故处理提供可靠的参考，也为以后车载信息 的综合显示奠定了基础。显示部分采用彩色l c d 模块，其作为当代高新技 术的结晶产品，不但具有超薄平面、显示信息丰富、色彩逼真的特点，而 且还具有体积小、耗电省、寿命长、无辐射、抗震、防爆等优点，因而是 理想显示器件【i 。 1 3 2 论文主要内容 从前面的内容可以看出，车载信息系统对于解决目前交通系统中存在 的诸多问题具有重要的意义，国内外的相关研究机构在这一领域己经做了 很多工作，从而使其得到了飞速的发展。但是随着交通问题的复杂和科学 技术的发展，尤其是处理器技术、无线通信技术和计算机网络技术的发展， 对原有车载信息系统进行优化和改进以克服其缺陷、提高其性能成为大家 研究的热点。本文研究的车载信息系统的主要研究工作可以概括为以下几 个方面： 6 第1 章绪论 ( i ) 研究和分析a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 的内部结构，并且以s 3 c 2 4 1 0 为核 心构建了车载信息系统的硬件平台； ( 2 ) 研究和分析b o o t l o a d e r 代码，并且将其移植到基于$ 3 c 2 4 1 0 的车载信 息系统硬件平台上； ( 3 ) 研究和分析l i n u x 操作系统代码，并且将其移植到基于$ 3 c 2 4 1 0 的车 载信息系统硬件平台上； ( 4 ) 研究和分析了g p s 原理以及g p s 模块，设计车载信息系统中g p s 模块 与主控模块接口电路，并且实现了g p s 数据接收和处理的关键算法； ( 5 ) 研究和分析了g p r s 原理以及g p r s 模块，设计车载信息系统中g p r s 模块与主控模块接口电路，在p p p 协议的基础上，构建系统通过g p r s 接入 网络的实现； ( 6 ) 研究和分析了c a n 总线原理，为车载信息系统搭建了c a n 总线控制 模块电路，实现了c a n 总线在l i n u x 系统的驱动程序。 ( 7 ) 为车载信息系统扩展t l c d 模块作为其显示终端，实现了l i m t x 系统 下l c d 模块的驱动程序； ( 8 ) 研究和分析了基于q t e m b e d d e d 的图形用户界面设计方法，并且基 于q t e m b e d d e d 设计了车载信息系统的界面显示软件。 1 4 本文结构安排 根据本文的研究对象和组织思路，全文内容共分为六章。论文内容的 叙述流程是这样的：首先分析目前城市交通中存在的问题，提出本文设计 的目的性和意义，在国内外研究现状中分析了传统系统存在的问题，从而 引出本文系统的设计思想及其要实现的功能并指出了本文的主要工作；然 后就开始介绍系统具体的实现方法；根据系统的功能指出系统设计的总体 思想并构建系统结构；之后从硬件和软件两方面详细介绍每一部分的设计 思想、具体实现；在硬件设计上主要根据系统要完成的功能以及处理器的 性能来选择器件和搭建电路，在软件设计上主要阐述软件的实现过程和关 键算法；在系统搭建完成之后，介绍了系统的调试过程；最后对系统进行 7 燕山大学工学硕士学位论文 总结并提出了改进和展望。具体章节安排如下： 第1 章介绍目前城市交通系统存在的问题，引出了本文研究的目的和意 义。紧接着介绍了车载信息系统的研究现状，指出传统车载信息系统存在 的问题，引出本文设计系统要解决的问题和本文系统的研究内容。最后简 要说明了本文的结构安排。 第2 章介绍了系统的总体设计思想。从系统要实现的功能出发，给出了 系统的总体设计方案，与传统方案相比具有一定的创新性。然后分别介绍 了系统硬件设计方案及软件设计方案其注意事项。 第3 章详细介绍了本文系统的硬件设计。将硬件分为主控模块、g p s 模 块、g p r s 模块以及c a n 总线模块，并以主控模块为核心，详细介绍了主控 模块的硬件设计、c a n 总线模块设计以及主控模块与g p s 模块、g p r s 模块 的接口设计。 第4 章详细介绍了本文系统的软件设计，它与第4 章的硬件共同实现系 统功能。对应于第3 章各部分硬件，本章介绍了系统各部分的软件设计思想， 给出了相应的软件流程。 第5 章对系统进行了调试，给出了系统调试的注意事项。 结论部分对本文系统做出了总结，并指出了本系统还应该进一步完成 的工作。 s 第2 章系统总体设计 2 1 引言 第2 章系统总体设计 本章作为系统实现的第一部分，将详细介绍系统的总体设计方案及软 硬件的设计方案。在前面通过研究国内外现状分析了传统车载信息系统存 在的问题并针对这些问题提出了本系统要实现的功能。在明确了系统的研 究目的和意义后，结合实际情况，本章给出了系统的框架性方案设计以及 硬软件的方案设计。 2 2 系统总体设计方案 本文研究车载信息系统的目的是为了给驾驶员提供丰富的信息，在驾 驶员和控制中心之间提供通信渠道，改变现行车辆的信息采集、信息交换 等技术方案和体系结构。围绕上述目的，并结合考虑传统系统设计方案存 在的缺陷，本文对车载信息系统进行了改进。改进后的系统以基于a r m 9 处理器和嵌入式l i n u x 操作系统的嵌入式系统作为主控模块，通过g p s 提供 定位信息、通过g p r s 进行车辆与车辆或控制中心的信息交换、通过c a n 总 线采集车辆状态信息以及通过l c d 模块进行信息的综合显示。车载信息系 统总体设计方案示意图如图2 1 所示，其从总体功能上分为嵌入式主控模块、 g p s 定位模块、c a n 总线模块和g p r s 无线通信模块。以下介绍总体设计的 思想和理论依据。 2 2 1 采用a r m 9 处理器和嵌入式l i n u x 操作系统 2 2 1 1 处理器的选择处理器是系统的控制核心，其性能的好坏直接决定 了多协议处理系统性能的优劣。因此处理器的选择是系统设计首先考虑和 重视的问题1 1 9 1 。处理器的选择主要考虑以下几个方面的因素： 9 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 处理器的速度它以时钟周期或机器周期表示，一般以实际应用要 求为准，在本系统中需要对串口、l c d 和s p i 等接口的数据进行及时传输， 对处理器的速度有一定的要求。 嵌入式l i 。卜一 应用程序 斛张b 驱袁序 i l 基于a r m 9 的嵌入式主控模块 l l g p s 模块 l | g p r s 模块i | c a n 总线模块i 图2 1 车载信息系统总体设计方案 f 逸2 - 1g e n e r a ld e s i g ns c h e m eo f v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m ( 2 ) 处理器的位数目前常用的有8 位、1 6 位和3 2 位处理器。8 位处理器 主要为低价应用而设计，通常由集成的内存和输入输出设备组成，性能很 低，只能完成一些基本的任务：1 6 位处理器被用于比较精密的应用，这些 应用通常需要的字长或是独立的内存和输入输出设备；3 2 位产品是目前的 应用主流，能提供较高的性能，各个嵌入式处理器厂商都将它作为重点。 为了保证数据一定的精度，本系统选用3 2 位处理器。 ( 3 ) 指令系统指令系统强意味着指令丰富( 基本指令数多) ，指令功能 强。这给程序设计带来极大的方便，而且可以缩短系统处理数据的时间， 有利于整个系统性能的提高。 ( 4 ) 是否内置调试工具处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周 期，降低调试的难度。 ( 5 ) 电源的种类及功耗大小a r m 9 系列的功耗非常低，而且有休眠模 式和掉电两种更加低功耗的模式。 结合上述各种因素，本系统选择了3 2 位a r m 9 系列处理器，主要是因为： 采用r i s c 架构的a r m 处理器小体积、低功耗、低成本、高性能的特点【2 0 】， 其大约占据了3 2 位r i s c 处理器7 5 以上的市场份额，应用遍及工业控制、 消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，a r m 9 t 是对价格和耗电敏感应用的最佳选择。 1 0 第2 章系统总体设计 2 2 1 2 嵌入式操作系统的选择完成简单功能的嵌入式系统一般不需要 操作系统，只要利用软件实现简单的控制环路即可。但是，当嵌入式系统 应用相对庞大，需要进行多任务处离合调度时，一个嵌入式操作系统是必 不可少的f 2 1 1 。嵌入式操作系统用以管理存储器分配、中断处理、任务间通 信和定时器响应，以及提供多任务处理等1 2 2 1 。在本系统中需要对对串口、 l c d 和s p i 等接口的数据进行及时传输，同时考虑到需要实现协议栈支持， 所以选择操作系统。 随着嵌入式操作系统自身的发展，其稳定性、可靠性及其强大的功能 等特点使其在嵌入式系统领域中应用越来越广泛。目前市场上的嵌入式时 操作系统的提供厂商有1 0 0 多家，品种多达数十种，分类方法也多种多样。 常见的嵌入式操作系统有：p c o s i i 、w i n c e 、v x w o r k s 、o s e 、n u c l e u s 、 e c o s 、嵌入式l i n u x 。 i _ t c o s i i 是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、抢占式的实时多 任务操作系统，是一种专门为处理器设计的操作系统，具有简单易学、可 移植性强、而且源码可以免费得到等优点，但其缺少输入输出管理、网络 等功能，功能相对不足。 w i n c e 是m i c r o s o f t 公司开发的基于掌上型电脑类的电子设备的商用操 作系统，属于非时实性嵌入式操作系统。 v x w o r k s 这是一个非常好的收费的r t o s ，是w i n dr i v e r 公司研制的一 个高实时性可扩展的嵌入式实时操作系统，具有嵌入式实时应用中最新一 代的开发和执行环境，支持多种处理器和开发平台，是目前世界上应用最 广泛的商用嵌入式实时操作系统，但是其价格非常昂贵，用于一般用途会 失去产品的竞争力。 o s e 是由e n e a d a t a a b 下属的e n e a o s es y s t e m s a b 负责开发和技术 支持，其特点是具有高处理能力、适合开发复杂的分布式系统。 n u c l e u s 是a t i ( a c c e l e r a t e dt e c h n o l o g y ) 公司的系列产品，其特点是约 9 5 的代码用c 语言编写，方便移植，同时可提供网络、图形、文件系统等 模块。 e c o s 是r e d h a t 公司开发的源代码开放的嵌入式l 汀o s 产品，是一个可 燕山大学工学硕士学位论文 配置、可移植的嵌入式实时操作系统。其特点是允许开发者定制自己的面 向应用的操作系统。 嵌入式l i n u x 是一个非常好的免费的操作系统内核，具有稳定、良好的 移植性、优秀的网络功能、完备的各种文件系统的支持、以及标准丰富的 a p i 等。因此本课题选用它做为操作系统。 2 2 2 采用g p s 定位 g p s 系统现在已经发展成为高精度的全球导航定位系统。g p s 定位技术 已经成为军用、民用导航、测量定位的主要技术手段之一。目前在智能交 通系统中，对于车辆的定位与导航大都采用了g p s 技术，并取得了很好的效 果i 2 4 1 。g p s 是美国研制的精密卫星定位系统，它利用人造卫星确定测站点 的位置以满足军事及民用部门对连续实时三维导航的需求。其具有功能多、 用途广、定位精度高以及可实时定位的特点【2 5 1 。基于上述原因，本文研究 的车载信息系统采用g p s 进行车辆定位。 2 2 2 1g p s 系统组成g p s 系统主要由三大部分组成，即空间星座部分、 地面监控部分和用户设备部分。 ( 1 ) g p s 空间星座空间星座由2 4 颗卫星组成( 3 颗备用卫星) 。卫星的基 本功能是接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的 控制指令；卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；通过星 载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；向用户发送定位信息；在地 面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 ( 2 ) g p s 地面监控系统g p s 的地面监控部分目前由分布在全球的5 个地 面站组成，其中包括卫星观测站、主控站和信息注入站。监测站是在主控 站直接控制下的数据自动采集中心，目前在全球共有5 个。主控站目前有一 个，设在美国c o l o r a d os p r i n g s 的联合空间执行中心。主控站除协调和管理 地面监控系统工作外，还根据本站和其他监控站的所有观测资料，推算编 制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到 注入站；提供g p s 系统的时间基准；调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道 运行；启用备用卫星以代替失效的工作卫星。注入站目前有三个，主要是 第2 章系统总体设计 在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其 他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。 ( 3 ) g p s 用户接收设备g p s 的用户设备部分主要由g p s 接收机硬件和 数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成；g p s 接收机的硬件一般包 括主机、天线和电源，主要是接收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，并经简单数据处理而实现实时导航和定位；g p s 软件 部分是指各种后台处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以 便获得精密定位结果。 2 2 2 2g p s 卫星信号g p s 卫星发射的信号包含有三部分：导航电文，测 距码和载波1 2 6 1 。从天线发射的信号，是将导航电文经过两级调制后的信号。 第一级调制是将低频的导航电文分别调制到高频的c a 码和p 码，实现对数 据码的伪随机码扩频。第二级调制是将一级调制的组合码再分别调制在两 个载波频率l 1 、l 2 上。最后，卫星向地面发射两种己调波。 ( 1 ) 基带信号g p s 卫星的基带信号是指包含导航信息的导航电文。导 航电文包括卫星星历、卫星工作状态、卫星历书、时间系统、星钟改正参 数、轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、遥测码以及由c a 确定p 码的 交换码等。导航电文是二进制编码文件，按照规定格式组成数据帧，一帧 导航电文由遥测字、转换字和数据块三部分组成，是用户利用g p s 进行导航 定位的数据基础。 ( 2 ) 扩频信号c a 码和p 码c a 码用于分址，搜捕卫星信号和粗测距， 是一种具有一定抗干扰能力的明码，提供给民用。c a 码有两个l o 级反馈移 位寄存器，于每星期六子夜零时，在置l 脉冲作用下全处于l 状态。在 1 0 2 3 m h z 脉冲的驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为10 2 3 ，周期为1 毫秒的m 序列g l ( f ) 和g 2 ( t ) 。它们的特征多项式如式( 2 - 1 ) 所示，其中第二个 移位寄存器的输出不是在该移位寄存器的最后一个存储单元，而是该移位 寄存器中某两个存储单元的输出进行模2 相加再输出并与g 1 ( r ) 模二相加得 到g o l d 码 2 7 1 。 lg 1 = l + ，+ x ”，、 ig = 1 + x 2 + x 3 + x 6 + x 8 + x 9 + 一o 、 燕山大学工学硕士学位论文 由于c a 码的码长很短，只有l0 2 3 比特，易于捕获。在g p s 定位中，为 了捕获c a 码，以测定卫星信号的传播延时，需要对c a 码逐个进行搜索。 通过c a 码捕获卫星后，即可获得导航电文，通过导航电文的信息，可以容 易得捕获p 码。所以，c a 码通常也称为捕获码。c a 码的码元宽度较大， 假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1 o o 到l 坶，则利用c a 码测距， 测距误差为2 9 3m 2 9 3m ，由于精度较低，c a 又称为粗码。 p 码的码元宽度仅为c a 码的1 1 0 ，这时若取码元的对齐精度仍为码元 宽度的1 1 0 0 至1 1 0 ，则由此引起的测距误差为0 2 9 m 2 9 3m ，精度比c ，a 提 高1 0 倍，所以p 码通常称为精码。由于p 码周期长，码率高，码类多，因此 它可用作精测距抗干扰及保密的军用码。美国国防部在p 码上增加一个极度 保密的w 码，形成新的y 码，绝对禁止非特许用户应用。p 码电路结构复杂， 细节保密。 ( 3 ) 广播信号的调制与解调g p s 卫星取l 波段的两个不同频率电磁波 作为载波。l i = i5 7 5 4 2 1m h z ，l 2 = 12 2 7 6m h z 。在l l 上调制c a 码和p 码， 采用b p s k 进行调制，在l 2 上调n c a 码。经过调制后的信号可以表示为： l 渺= a p 只口c o s ( c o i t + t p l ， ( 2 - 2 ) 2 = 廓z d ，c o s ( t + 自0 2 ；， ( 2 - 3 ) g p s 接收机收到卫星广播信号后，一般可以使用同步复制码相乘和平方 解调两种解调技术来恢复载波的相位。同步复制码相乘法必须事先了解卫 星测距码的结构，而平方解调法可以不必知道测距码结构。 2 2 2 3g p s 定位原理g p s 目前主要利用接收到的测距码或载波相位进 行定位【2 引。但由于载波的波长远小于测距码的波长，若接收机对码相位及 载波相位的观测精度均取至o 1 周，则c a 码及载波l l 所相应的距离误差分 别约为2 9 3m 和1 9m 。因此，利用码相位的伪距测量只能用于单点绝对定 位。而载波相位观测量则是目前g p s 钡t 量中精度最高的观测量，它主要的应 用就是进行相对定位。将两台g p s 接收机分别安装在两个不同的点上，同时 观测卫星载波信号，利用载波相位的差分观测值，可以消除或削弱多种误 差的影响，获得两点间高精度的g p s 基线向量。单点定位结果受卫星星历误 差、信号传播误差以及卫星分布影响显著，所以定位精度较低。一般适用 1 4 第2 章系统总体设计 于低精度的测量领域，例如车辆导航、地质调脊和林业调查等。下面就以 简单的单点定位为例说明g p s 的定位原理。 利用g p s 进行单点定位或绝对定位的原理是：以g p s 卫星和用户接收机 天线之问的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接 收天线所对应的位置。g p s 绝对定位的实质是空间距离后方交会。因此，在 一个观测站上，只需3 个独立距离观测量。但是，由于g p s 采用的是单程测 距原理，同时卫星钟与用户接收机钟又难以保持严格同步，实际上观测的 是测站至卫星之间的距离，由于受卫星钟和接收钟同步差的共同影响，故 又称为伪距离测量。这个伪距是由卫星发射的测距码到观测站的传播时间 ( 时间延迟) 乘以光速所碍到的距离。因此这3 个独立距离观测量很容易得到， 但是接收机的钟差，一般难以预先准确测定。所以，就把它作为一个未知 参数与观测站坐标在数据处理中一并解出。这样，在一个观测站上，为了 实时求解4 个未知参数，至少应有4 个同步伪距观测量，即至少必须同步观 测4 颗卫星。 2 2 3 采用g p r s 通信 信息传输通道一直是制约车载信息系统发展的因素之一。目前这类通 信平台有常规通信网、集群通信网、g s m 网、c d p d ( c e l i u l a r d j 【e , i t a lp a c k e t d a t a ) 网以及g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e n ，i c e ) 网等多种方案【2 9 】。前面的四 种通信平台都有各自的特点：常规通信网信道利用率低。通常采用大区制， 覆盖范围小，仅适用于构建小系统：而集群通信网虽然信道利用率有所提 高，但是信道建立需要时间，系统在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) 传输模式下，容量过大时系统的实时性得不到保证，并且误码率 相对较高；g s m 短消息业务的通信方式是目前应用较多的一种，原因是其 覆盖范围大，并且可以全国漫游。但是，时延问题是系统的瓶颈，特别是 网络短信中心负荷过重时，数据传输的实时性得不到保证；而且每条短消 息传送的字节数有限，传送g p s 位置信息还可以，对传输较庞大的车载状态 信息就难以满足；更为关键的是由于短消息发送的频率较高，所以通信费 用较高，难以在大范围推广；另外短消息服务器须向电信公司申请专门的 燕山大学工学硕士学位论文 业务服务。c d p d 虽然传输速度快，但其建网范围相对较小。 综合传输速率、频率利用率、网络时延、覆盖范围及通信费用等多方 面的考虑，本文系统选用g p r s 网络作为通信平台。相对于目前的g s m 短消 息传输方式，g p r s 具有永久在线( 只需一次连接早不占用语音信道) 、计费 便宜( 按流量计费) 、易于组网( 可直接