（信号与信息处理专业论文）基于fpga的gpsgsm车辆监控系统车载台设计.pdf

中文摘要 摘要 随着社会的进步和经济的发展，传统的机动车辆监控方式已不能满足对车辆 安防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、被劫，物 流和特种车辆缺乏有效监控和调度，城市交通管理系统复杂臃肿等，人们花费了 大量精力和资源寻求一种有效的解决方式。g p s ( 全球卫星定位系统) 提供了一种 可靠有效的车辆定位方法，而利用g s m ( 全球移动通信系统) 无线通信技术可将 定位数据信息迅速传递到接收端，两者结合形成g p s g s m 车辆监控系统，为解决 以上问题找到了一个很好的解决办法。 论文在对g p s g s m 车辆监控系统中车载监控平台的系统构成进行分析，以及 对系统功能和关键技术进行研究的基础上，提出了一个基于f p g a 的g p s g s m 车 辆监控系统车载台设计方案。其主要功能是将安装有该车载台的车辆的位置、时 间、状态等信息实时地通过无线网络传送到用户手机或者指挥控制中心，从而能 够随时定位、跟踪车辆，并可对车辆运行情况进行有效的监控。 车载台系统采用嵌入c o r e 8 0 5 1 核的f p g a 作为信息处理和控制核心，用于完 成对g p s 数据、短消息等数据的处理以及对车载台各模块的控制功能，其开发效 率与可靠性很高，结构紧凑、资源占用少；通信模块采用了成熟的工业级s i e m e n s t c 3 5 模块，采用a t 指令进行控制，实现短消息的收发以及短消息内容提取等功 能；采用了具有高可靠性和定位精度的m o t o r o l ao n c o r e 系列m 1 2 模块采集g p s 数据，在恶劣的天气条件和复杂交通环境下都能够保证有良好的观测信号。此外， 在f p g a 上还扩展了温度检测、数据存储器等功能模块，以及其他外部模块接口， 使得车载台系统功能更为丰富。软件开发过程中采用模块化方法，分别设计了g p s 数据采集、短消息收发等应用软件模块；并对系统功能进行细化，由各软件模块 搭建系统功能模块，完成系统软件工程设计。 所设计的车载台系统通过了在重庆市沙坪坝区部分城区环境下的整体系统测 试。测试结果表明，系统设计方案正确，符合实际要求。基于f p g a 的g p s g s m 车辆监控系统车载台具有开发周期短，易于扩展、升级等特点，可广泛地应用于 车辆监控、安防、调度、交通管理和控制指挥系统等领域。 关键字：g p s ，g s m ，f p g a ，c o r e 8 0 5 1 ，车载台 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a lp r o g r e s sa n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h et r a d i t i o n a lw a yt om o n i t o r m o t o rv e h i c l e sc a l ln o tm e e tt h eu r g e n tn e e d so fv e h i c l e ss e c u f i t y ，m a n a g e m e n ta s p e c t a n ds oo n ，r e s u l t i n gi nt h es u r g eo fs o c i a lp r o b l e m s f o re x a m p l e ，t h ev e h i c l ei ss t o l e n ， r o b b e d ，l o g i s t i c sa n ds p e c i a lv e h i c l e sa r el a c ko fe f f e c t i v em o n i t o r i n ga n ds c h e d u l i n g ， t h eu r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e mi sc o m p l i c a t e da n db l o a t e da n ds oo n ，o nt h e s e i s s u e s ，p e o p l es p e n dag r e a td e a lo fe n e r g ya n dr e s o u r c e st os e e ka l le f f e c t i v es o l u t i o n g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) p r o v i d e sar e l i a b l ea n de f f e c t i v em e t h o do fv e h i c l e l o c a t i o n ，a n dt h eu s eo fg s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sc a nd e l i v e rt h ep o s i t i o n i n gd a t at ot h er e c e i v i n gt e r m i n a l q u i c k l y , t h e r e f o r et h et w oc a nb ec o m b i n e dt of o r mag p s g s mm o n i t o r i n gs y s t e m ，i n o r d e rt of i n dag o o ds o l u t i o nt os o l v et h ep r o b l e ma b o v e o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fv e h i c l eg p s g s mm o n i t o r i n gp l a t f o r m ss y s t e m c o n s t i t u t e s ，a n dt h es t u d yo fs y s t e mf u n c t i o na n dk e yt e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa d e s i g no fg p s g s mv e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e m sp l a t f o r mb a s e do nf p g a i t sm a i n f u n c t i o ni st os e n dt h el o c a t i o n , t i m e ，s t a t u sa n do t h e ri n f o r m a t i o no fav e h i c l ew h i c hi s i n s t a l l e dt h em o n i t o r i n gp l a t f o r m ，t h r o u g haw i r e l e s sn e t w o r kt ot h eu s e r sm o b i l e p h o n eo rc o m m a n da n dc o n t r o lc e n t e ri nr e a lt i m e ，t h e r e b y , t h ev e h i c l e c a l lb e p o s i t i o n i n g , t r a c k i n ga ta n yt i m e ，a n dt h eo p e r a t i o no fv e h i c l ec a nb ee f f e c t i v e l y m o n i t o r e d t h i sm o n i t o r i n gp l a t f o r ms y s t e mu s e sf p g ae m b e d d e dw i t hc o r e 8 0 51a s i n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n dc o n t r o lc e n t e r , t oc o m p l e t et h ed a t ap r o c e s s i n gs u c ha sg p s d a t a , s h o r tm e s s a g ea n ds oo n ，a sw e l la st h ec o n t r o lo fo t h e rm o d u l eo ft h ep l a t f o r m ；i t s d e v e l o p m e n ti sh i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , a n di t ss t r u c t u r ei sc o m p a c t a n do c c u p i e s l e s sr e s o u r c e s ；c o m m u n i c a t i o nm o d u l eu t i l i z i n gam a t u r ei n d u s t r i a ls i e m e n st c 3 5 m o d u l e ，w h i c hi sc o n t r o l l e db ya ti n s t r u c t i o ns e t ，t or e a l i z et h ef u n c t i o no fs h o r t m e s s a g es e n d i n ga n dr e c e i v i n ga n ds h o r tm e s s a g ec o n t e n tr e a d i n g ，a n dm 12m o d u l eo f t h em o t o r o l ao n c o r ef a m i l yt oc o l l e c tg p sd a t aw i ml l i g l lr e l i a b i l i t ya n dp o s i t i o n i n g a c c u r a c y , c a l le n s u r eo b s e r v i n gs i g n a l so nt h ec o n d i t i o no fi n c l e m e n tw e a t h e ro r c o m p l e x i t yt r a f f i ce n v i r o n m e n t i na d d i t i o n , t h ef p g a a l s ob ee x t e n d e dt e m p e r a t u r e t e s t i n g , d a t am e m o r ya n do t h e rf u n c t i o nm o d u l e s ，a sw e l la so t h e rp e r i p h e r a lm o d u l e i n t e r f a c e s ，t om a k et h ep l a t f o r ms y s t e mh a sm o r ef u n c t i o n i nt h ep r o c e s so fs o f t w a r e i i i 重庆大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t ，m o d u l a ra p p r o a c hi su s e d ，s u c ha sg p sd a t ac o l l e c t i o n ，s h o r tm e s s a g e s e n d i n ga n dr e c e i v i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r em o d u l e se r e a r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y ；t h e n t h es y s t e mf u n c t i o n sa r er e f i n e d ，s y s t e mf u n c t i o nm o d u l e sa r eb u i l tb yt h es o f t w a r e m o d u l e s ，a n dt h e nc o m p l e t es y s t e ms o f t w a r ee n g i n e e r i n gd e s i g n t h em o n i t o r i n gp l a t f o r mp a s s e st h es y s t e mt e s t i n gi np a r to fs h a p i n g b ad i s t r i c to f c h o n g q i n gc i t y t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e md e s i g ni sc o r r e c t ，a n dc o r r e s p o n d s w i t ht h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s t h eg p s g s mv e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e m sp l a t f o r m s y s t e mb a s e do nf p g ah a sf e a t u r e so fs h o r td e v e l o p m e n tc y c l e ，e a s yt oe x p a n d ， u p g r a d e ，e t c ，c a nb ew i d e l yu s e di nv e h i c l em o n i t o r i n g ，s e c u r i t y , s c h e d u l i n g , t r a f f i c m a n a g e m e n ta n dc o m m a n da n dc o n t r o ls y s t e m s k e yw o r d s ：g p s ，g s m ，f p g a ，p l a t f o r m i v 学位论文独创性声明 文 研究 ，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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。 签字日期：砂口7 步、甲 签字日期：加d 7 莎7 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人的童呈蠡生学位论文墨墅砸丛血绚墼丛军氇堑丝蹯冼聋张着甜 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 f 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：导师签 删弓 口红么日，矗口 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明。本声明及授权书堂纽装订在提交的学位论文最后一页。 恻 和咋 各砀 签丫 者作 ： 文 名 论 签 位 师 学 导 1 引言 l引言 1 1 课题背景 汽车是现代文明的标志，随着现代都市建设与交通运输的快速发展，城市机动 车数量飞速增长，人们在享受更高的生活品质的同时，却也在为解决由此带来的 各种社会问题上花费大量精力和资源。例如，私人车辆被盗事件频繁发生，车辆 的寻找以及案件的侦破存在很大困难；在城市公共交通方面，道路拥挤不堪，超 速行驶、违规、违章驾驶导致的事故频发；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；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；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，传统的车辆监控方式的局限性日趋明显。 如何对运行车辆进行有效的管理和控制，提高有限资源的有效利用率，已经 成为政府和公众所关注的热点问题之一。一种覆盖地域广泛、机动性强、成本低 廉，并且能够为数量众多的移动目标提供有效监控、紧急救援和各种信息服务的 监控系统将是社会所需，也是客运、公安、银行、消防、物流等行业的所求。 随着g s m 网络通信技术的飞速发展以及g p s 技术在全球范围内的普及和更 大规模、更深层次的应用，使人们找到了解决以上问题的重要方向：将g p s 、g s m 技术与车辆联系起来，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 m 车辆监控系统。它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问题，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资源，提高道路 通行能力，减少交通事故【l 】。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 自上世纪8 0 年代中期开始，美、英、以色列以及日本相继在车辆监控、定位、 导航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，我 国研究车辆监控调度系统也有了十几年【2 1 。下面就从两个方面进行阐述。 发展历程 1 ) 国外发展情况 重庆大学硕士学位论文 1 9 9 4 年，n a v s y s 把g p s 和蜂窝移动通信结合起来，设计了t i d g e t 系统， 装载该系统的车辆在街区上行驶时可以把它们的位置发往中心控制站请求援助。 随后t r i m b l e 和m o t o r o l a 公司也加入了这个行列：t r i m b l e 在1 9 9 5 年将公司的6 通道g p s 接收机和公用蜂窝网连接起来，即m e s s e n g e r 系统，在船只管理市场中 占据领导者地位；m o t o r o l a 公司推出的蜂窝定位系统是将其8 通道o n c o r e 接收机 和m o t o r o l a 的一种无线电收发两用机结合起来，在当时的移动目标监控市场占据 半壁江山，成为了该行业的先驱者【3 】。随着市场对于g p s 开发应用的进一步扩大， 尤其是对车辆g p s 监控、导航、定位应用的需求越来越强烈，自那时候起，各发 达国家的主要生产商都加快了汽车定位导航系统的研制开发速度。 在国外，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 e r h e n s i v e a u t o m o b i l et r a f f i cc o n t r o ls 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式引导系统。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【4 】。1 9 9 9 年底，日本国内装有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 【5 】。 在欧洲，2 0 世纪8 0 年代名为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 i n 是第一种使用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 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。 2 0 世纪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 r ae u r o p e a nt r a f f i cw i t hh i 曲e s t e f 6 c i e n c ya n d u 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 d r o a di n f r a s t r u ef 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，主要开发电信技术在交通系统及坏境中的应用 项目【6 1 。 在美国，汽车的导航服务则表现为另外一种特色，即结合救助服务系统的辅 助导航占有优势。所谓辅助导航是建设专门的服务监控中心，监控中心一般有较 为完善且功能强大的计算机管理系统并配有电子地图及通信连接设备，为装有 g p s 设备的车辆提供定位跟踪管理、报警服务受理、救助服务受理、紧急救援提 供，在线语音导航等【7 】。 以上这些系统的特点是：采用现代信息技术、通信技术、定位技术、控制技 术，能够提供精确、连续的车辆定位和监控服务，系统的稳定性和可靠性也较高， 2 1 引 言 大大提高了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。 2 ) 国内发展情况 与国外的迅猛发展相比，限于g p s 技术障碍和交通条件的落后，从九十年代 初期开始至今，我国g p s 车辆监控系统的开发和应用在十几年中走过了一条曲折 起伏的发展道路。 在经历了1 9 9 4 - 1 9 9 5 年大起大落的新兴阶段阶段后，国内车辆监控系统市 场在1 9 9 6 1 9 9 8 年期间进行了整顿、巩固、充实、提高，在对原有不良系统进行 改造的同时，还建立了一些新的系统，如河南天网、广东天网等，以及多个具有 水平的集群系统出现，从而在三四十个城市建成了金融车辆和公安车辆监控系统。 随着作为系统瓶颈问题的通信网络通过采用g s m 移动通信系统公众网的短消息服 务找到了新的出路，并且我国的g p s 车辆监控系统技术有了较大的提高和发展， 1 9 9 9 年起g p s 车辆监控系统市场又出现了新一波快速增长的势头。原先的常规网 和集群网经过多年的发展和历炼，系统与车载台产品日趋成熟，系统容量达到上 千辆，甚至数千辆的规模。至2 0 0 0 年底全国累计有近3 0 0 个左右车辆监控网络， 入网车辆为5 6 万辆【8 j 。 从2 0 0 6 年开始，北京市奥运及物流配送有力的推动了g p s g s m 车辆监控市 场的发展，同时几家大公司进入这一行业，若干更为成熟的产品推向市场。北京 市在2 0 0 8 年之前给全市的出租车以及7 0 0 多条线路，数万台公共汽车安装了 g p s g s m 车辆监控系统，使得交通部门能够实时监控整个北京公共交通的运行， 为北京奥运期间巨大的交通流量所需的充足运力提供了有力的保障：奥运期间近3 亿吨的物流总量能够及时安全的送抵目的地，也离不开车辆监控系统的大力支持 【9 】 o 与此同时，全国各城市的公交车和出租车项目有所启动，特别是长途运输车 辆的监控应用项目的实施，车辆监控市场将有可能出现爆发性增长的势头。在长 途运输市场，我国有超过4 3 0 万辆货运车和1 7 0 万辆客运车，这是g p s g s m 车辆 监控系统在物流运输管理上能发挥重大作用的领域，其应用市场需求迫切，潜力 巨大。从实际情况来看，近年来我国运输市场持续升温，各种物流系统均显示出 对g p s g s m 车辆监控管理系统的明显需求。 技术应用方面 国内有许多公司和科研机构参与车辆监控系统的研制，各家正在研制和己推 出的系统之间，应该说各有优缺点。由于现在可用于系统的技术选择比较多，每 个公司都在根据自己最熟悉的技术，或依据自己对市场和现有以及未来技术发展 方向的理解，构建自己的系纠1 0 】。目前市场上流通的大多数g p s g s m 车辆监控系 重庆大学硕士学位论文 统都是面向特定用户群，往往具有很强烈的地域特色，不能适应跨城区、跨地区 的大范围应用，并且功能比较单一、系统容量小。比如说面向一般个人用户的车 辆防盗，特种车辆监控、以及面向城市公共交通的调度管理等。实际上在市场需 求强大的推动作用下，对g p s g s m 车辆监控系统设备的深层次开发的呼声日趋响 亮。 目前车载电子设备的发展面临着两大难题：第一，由于上市时间和成本的压 力，传统上为了应对不断扩展的应用需求，例如在g p s g s m 车辆监控系统车载台 上，第三方供应商不得不为每一不同的o e m 订单生产不同型号的系统。这导致多 种不同类型的p c b 、新的前端显示系统和模具，以及不同的连接器和线缆，还有 专用的软件。这样一来，产品成本越来越高。第二，在当前的汽车行业中，g p s g s m 车辆监控系统产品与消费类产品一样，面对着标准和协议变化迅速的压力，产品 更新和升级换代非常频繁，因此采用的器件很可能会迅速过时。而一辆车的标准 寿命是十年，因此面临的一个重大挑战是如何使得车载g p s g s m 设备的工作寿命 与汽车寿命相匹配。造成以上这些弊端的最主要的原因就是由于功能单一的微处 理器和微控制器的局限性以及微处理器和微控制器的过时j 。 而随着f p g a 的研发技术日益成熟，f p g a 技术在汽车电子领域的优势日渐 明显。通过比较目前提出的几种方案，采用软处理器内核并将其嵌入在f p g a 的 构造中不失为一种很好的解决方案。利用一个通用的f p g a 平台生产每一种型号 的产品，就可以通过尽可能小的变化来适应不断变化的设计要求。同时，f p g a 不 仅可用于原型系统，还可以用于支持更高的系统个性化能力，如扩展车载多媒体 设备等。这样一来设计人员不仅受益于f p g a 提供的灵活性、高集成度以及可升 级能力，而且还可以拥有一个永不过时的针对设计需求而优化的处理器。同时还 可以保护多年的代码和开发投资从而打造一个可扩展可重配置的车载g p s g s m 系统平台，以适应较长的汽车寿命。 由此可见，f p g a 技术在汽车电子产品领域正在发挥巨大优势，并将牢牢把 握汽车核心电子系统设计的巨大机遇【1 2 1 。基于这种背景下越来越多的厂商、科研 机构开始转向依靠f p g a 技术完成g p s g s m 车辆监控系统车载台核心控制部分甚 至整个车载台系统的设计。因此，基于f p g a 的嵌入式系统在车载电子设备上有 着极为广阔的应用空间，其与车载g p s g s m 监控系统的结合将引导车载电子产品 和g p s g s m 应用市场的潮流。 1 3 课题研究的目的和意义 本课题主要研究目的是：设计一个基于f p g a 的g p s g s m 车辆监控系统车载 监控平台。其主要功能是将安装该车载监控平台的车辆的相对位置、时间、状态 4 1 引言 等信息通过g s m 模块经无线网络实时地传送到用户手机或者指挥控制中心，从而 能够对车辆进行有效的监控，随时定位、跟踪汽车。整个系统应具有定位准确、 实时性强、低成本、低功耗，并且能够根据用户的不同需求升级、扩展等特点。 g p s g s m 车辆监控产品的应用在某些行业和部门以及部分地区获得了成功， 取得了深远的社会和经济效益：车辆安全得到了更高程度的保障，减少了车辆被 盗被劫的情况，带动了各式野外观光旅游考察、测绘和现代物流管理等的蓬勃发 展，令大家惊奇其所带来的便利与强大功能。与此同时，g p s g s m 车辆监控技术 逐渐发展成为i t s ( 智能交通系统) 的重要组成部分，它集卫星定位技术( g p s ) 、地理 信息系统( g i s ) 以及现代通信技术于一身，已经广泛地应用于车辆监控、安全、导 航、调度、交通管理和控制指挥系统等领域【1 3 】，在车辆被盗、被劫、发生意外交 通事故、遭遇紧急情况等情况下可利用无线通信网络随时向车主或公安、消防、 医疗等部门发送车辆的g p s 位置信息，加快事件处理速度，也为事后的原因调查、 事故鉴定等提供材料依据。 本课题所设计的车载台采用嵌入软核处理器的a f s 6 0 0 系列f p g a 作为控制核 心，基于f p g a 的设计符合目前车载电子设备发展潮流。而且这种车载台产品开 发周期短，高性能，可升级，功能多样化，成本越来越低，寿命越来越长，较好 地克服了先前类似产品的不足，更适合市场需求，具有很好的发展前景。 1 4 论文的主要内容和章节安排 本文重点讨论了基于f p g a 的g p s g s m 车辆监控系统中车载台的设计及实现 方法。 论文中首先介绍了基于f p g a 的g p s g s m 车辆监控系统车载台的相关原理； 其次，根据实际需求分析系统实现方案，将车载台分为g p s 模块、g s m 模块、温 度采集模块、l c d 显示模块、串口转接模块、信息处理和控制模块以及各外围接 口几个部分，并详细论述了个模块的硬件设计方法和测试过程；然后按不同需求 分别设计各软件模块，完成系统软件工程；最后进行车载台系统测试并得出结论。 论文章节安排如下： 第一章：引言。 第二章：系统组成及工作原理。本章介绍了车载台系统组成、工作原理和主要 采用到的g p s 定位技术、g s m 网络技术、短消息业务等。 第三章：车载台系统总体设计方案和硬件实现。介绍了车载台系统各硬件模块 和外围电路、接口的设计以及测试过程。 第四章：车载台系统软件设计。介绍系统各模块的应用软件设计和所设计功能 模块的工作流程。 5 重庆人学硕士学位论文 第五章：系统测试。介绍了在实际环境中对所设计的车载台系统的测试方法和 结果，检验车载台系统设计是否符合预期要求。 第六章：总结与展望。 6 2 系统组成及i t 作原理 2 系统组成及工作原理 2 1g p s g s m 车辆监控系统组成 g p s g s m 车辆监控系统分为三大部分。安装在移动车辆上的车载部分一车 载台、监控中心、g s m 通信网络( 见图2 1 ) 。车载台是整个系统中唯一安装在车 辆上的设备，它的主要功能是不断获取移动车辆的位置、状态信息，并把这些信 息通过g s m 通信网络发送到监控中心或用户手机，随时接收来自监控中心的监控 调度命令并指导车辆做出相应的反应。监控中心是整个系统的核心，它是基于g i s 的智能化的监控管理中心，它的主要功能是能够随时接收车载台的位置状态等信 息并通过大屏幕显示出来，再把有关监控调度命令发送到车载台。通信网络是用 来完成车载台与监控调度中心之间的信息传输，它采用现有的g s m 移动通信系统 的短消息业务，这可以充分利用g s m 移动通信系统的覆盖范围广、漫游等优点。 图2 1g p s g s m 车辆监控系统组成 f i g 2 1g p s g s mv e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e m 2 2 系统工作原理 利用车载台的g p s 接收机接收卫星发来的定位数据，并根据至少4 颗不同卫 星发来的数据计算出自身所处地理位置【1 4 】；通过g s m 标准无线m o d e r n ，用短消 息的形式将车辆的位置、状态、报警等综合信息打包发送至g s m 移动网，g s m 移动网的短消息中心再将接收到的定位信息传送到监控中心；定位信息经过计算 机处理后与监控中心上的电子地图匹配，并在地图上显示车辆的正确位置，从而 使监控中心能清楚和直观地掌握车辆的动态位置及状态信息，实现对车辆的定位、 7 重庆大学硕士学位论文 跟踪、远程管理与调度。以下结合几个主要应用方向对系统工作原理进行介绍。 车辆安防 当车辆驻停，对其进行防盗监控。一旦车辆位置脱离了事先设定好的“电子围 栏”，既可确认车辆非法驶离，此时g s m 模块向车主或监控中心发送报警信息， 提示车辆被盗，之后以一定的时间间隔发送车辆位置信息；同时接收车主或监控 中心发送的控制命令，控制车载台启动车辆远程控制，监听、声光报警等功能。 对于易遭不法侵害的出租车、运钞车、以及押运贵重货物的车辆，当遭遇突发事 件时，采用自动或手动报警，通过车载台将车辆所在位置、报警信息等发送至监 控中心寻求紧急救援；经计算机处理后，及时将事发车辆的精确位置和告警信息 显示在电子地图上，同时可打开用户数据库，查询事故用户的原始档案，并报告 相关部门及时处理。 此后车载台将持续发送车辆位置信息，直至司机或监控中心将其恢复为正常 状态。在所有情况下，车辆的运行状态，接收的指令信息都可以存储于附设的存 储单元内，便于事后路线回放、案件侦破等。 车辆监查调度 通过对城市公共交通车辆如轻轨、公交车辆等进行有效监控，在车辆超速、 违规行驶等情况下给与提示或警告，从而能够有效遏制交通事故的发生。针对城 市公交车按站点运营的特点，在车载台里设定各站点的位置信息，当公交车辆到 达站点后，控制核心将解析出的g p s 数据与车载台内预设信息进行核对，从而实 现自动报站功能，并将到站情况向监控中心发送。通过在车辆的水箱，油箱、液 压设备等处设置传感器，对各部分工作情况进行实时监控。从而对车辆油耗等情 况进行有效统计，加强对车辆安全运行的监管，杜绝车辆“带病”运行的情况发生， 为车辆安全行驶创造一个良好的条件。 车辆查询监控 现代化的运输必须辅以现代化管理手段，方能实现科学合理的调度，充分发 挥现代化运输工具的作用和效率。以查询一应答方式，监控中心发送短消息命令 查询车辆运行情况，被查询车辆车载台在接收到查询要求后向监控中心返回车辆 位置和状态信息，只要将收到的信息输入监控中心的p c 机，便可得出车辆位置、 行驶速度等情况。 2 3g p s 全球卫星定位系统 2 3 1g p s 概述 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 ) 是庄t 美国国防部及陆海空三军 联合研制的新型卫星导航系统。该系统自上世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年， 2 系统组成及r 作原理 耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成具有在海、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。该系统以卫星为基础，使用无线电导航 定位，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、速度和时间信 息【。 2 3 2g p s 系统组成 g p s 系统由三部分组成：g p s 空间部分、地基监控站和g p s 用户接收机部分。 如图2 2 所示。 酎2 2 g p s 系统组成 f i 9 22 g p ss y s t e m g p s 空问部分由2 4 颗分布在6 个距离地面约20 2 万公里的等间隔轨道上的卫 星组成，卫星分布可保证全球任何地区任何时刻都有不少于4 颗卫星供观测。2 4 颗卫星中3 颗作为备份，每个轨道平面上有4 颗卫星，他们按与地球成5 5 度的相 同方向运行，空间间隔约为9 0 度。这些卫星工作在2 种频率下：1 5 7 54 2 m h z 和1 2 2 7 6 m h z 【】“。通过测量这些卫星信号到达的时问，用户可以用4 颗卫星确定4 个 导航参数：纬度、经度、高度和时间。每个g p s 卫星都对应一组编号它们有多 种编号，一般采用p r n 卫星所采用的伪随机噪声编码号。g p s 定位精度高低关键 在于高稳定度的频率标准，为此每颗g p s 卫星都设有两台铷原子钟和两台铯原子 钟【m 。 地面监控系统由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。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制， 并向每颗卫星注入更新的导航电文。地面监控系统包括监测站、主控站和注入站。 重庆大学硕士学位论文 监测站的任务主要是利用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 个监控站点均为无人守值的数据采集中心。 主控站的任务是接收各监测站的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。并且根据上述各类数据，完成以下几项工作： 及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。 控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正 确以及卫星是否将导航电文发给了g p s 用户系统。 诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代 失效卫星。 注入站接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入其上空的每颗g p s 卫星 【l8 】 o g p s 用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置以实现定位和 导航。g p s 接收机按使用环境可分为中低动态接收机和高动态接收机。按所收信 号可分为单频c a 码接收机和双频p 码和y 码接收机。g p s 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，实时地计算出测站的三维位置 甚至三维速度和时间【1 9 】【2 0 1 。 2 3 3g p s 系统原理及应用 g p s 定位的基本原理【2 l 】是卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用 户接收到这些信息后，利用几何与物理的一些基本原理，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等信息。假定卫星的位置为已知，通过一定 的方法，并且又准确测定出地面点a 至卫星间的距离，那么a 点一定位于以卫星 为中心、以所测的距离为半径的圆球上。若能同时测得点a 至另两颗卫星的距离， 则该点一定处在三圆球相交的两个点上。根据地理知识，很容易确定其中一个点 是所需要的点。在以上假设下，即已知卫星位置又可同时测定到三颗卫星的距离， 即可进行定位但由于g p s 卫星是分布在2 万多公里高空的运动载体，只能是在 同一时间测定三个距离才可定位，要实现同步必须具有统一的时间基准，从解析 几何角度出发，g p s 定位包括确定一个点的三维坐标与实现同步四个未知参数， 因此必须通过测定到至少4 颗卫星的距离才能定位。如图2 3 所示。 1 0 2 系统组成及】作原理 ， x y _ z 图2 3 g p s 定位原理 f i 9 23p r i n c i p l eo f g p sp o s i t i o n i n g g p s 地面观测点定位的方法鞍多，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， 伪距定位原理是基于到达时日j ( t o a ) 的测距原理。从己知位置上的发射机 ( 卫星) 发射信号到达接收机所需时问间隔乘以信号传播速度，可得到发射机到 接收机的距离。接收机从多个已知位置的发射机接收多个信号用于确定接收机的 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瞄】。因此，测出每颗可视g p s 卫星的 导航信号从卫星到用户接收设备天线的传播时间乘上电磁波传播速度，即可计 算出卫星到用户天线之间的伪距。信号传播时间由将接收的卫星码和内部产生的 复制码相匹配的测量时间偏差决定，这称之为“修正”。 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1 2 4 ( 一j ) 2 + ( “一y ) 2 + 0 i s ) 2 ”2 十c ( 一i 一一o ) = d i ( 2 1 ) 【( 恐- x ) 2 + ( 儿，) 2 + 0 2 5 ) 2 ，2 + c ( k 2 - r , o ) = 吐 ( 22 ) 【( 而一砷2 + ( 儿- y ) 2 + ( 屯- s ) 2 r + c ( - r , o ) = d ， ( 2 3 ) 【( - x ) 2 + ( 几，) 2 + ( j 4 一j ) 2 p + c ( - v , o ) ；以 ( 24 ) 上述四个方程式中的待测点坐标x 、y 、z 和r 。为未知数，其中 吣尸 ，r 蚤漤弋弋 漤弋 重庆大学硕士学位论文 d ，= c a t ，o = 1 , 2 ，3 ，4 ) d ，( 江1 , 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。 a t ；“= 1 , 2 ，3 ，4 ) 分别为卫星l ，、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信号达接收机之间的 距离所