【正文】 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：自動(dòng)化系 學(xué) 號(hào) 060103010006 學(xué)生 姓名 馬志興 專 業(yè) 班 級(jí) 工業(yè)自 動(dòng)化 1班 題 目 題目名稱 基于 GPS和 GPRS的車 輛定位系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 題目性質(zhì) ： 工程設(shè)計(jì) （ √ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型 （ ）； 理論研究型 （ ）；計(jì)算機(jī)軟件型 （ ）；綜合型 （ ） （ ）； （ ）； （ ） 題目類型 （ √ ） （ ） 題目來(lái)源 科研 課題 （ √ ） 生產(chǎn)實(shí)際 （ ） 自選 題目 （ ） 主 要 內(nèi) 容 學(xué)習(xí) GPS 模塊和 GPRS 模塊的工作原理，接口 ； 學(xué)習(xí) STM32 控制器的工作原理，接口及開發(fā)平臺(tái) ； 設(shè)計(jì)基于 STM32 與 GPS 和 GPRS 模塊的遠(yuǎn)程定位系統(tǒng) ； 學(xué)習(xí) PCB 設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì) PCB； 調(diào)試硬件電路 ； 基 本 要 求 1. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（不少于 60頁(yè)）； 2. 說(shuō)明書要求條理清晰，文筆通暢，字跡工整，圖文符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)； 3. 說(shuō)明書需經(jīng)指導(dǎo)教師審核通過，并經(jīng)專業(yè)教學(xué)主任簽字； 4. 獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)基本的科研能力； 參 考 資 料 1． 李艷晴等 ,《基于 GPRS/GPS 的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》，微計(jì)算機(jī)信息，2020年第 4期 。 北京航空航天大學(xué)出版社 。 撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展給相關(guān)產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了極大的機(jī)遇，尤其是對(duì)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)方面的應(yīng)用。硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)包括：在研究 STM32 處理器的特性、外圍接口的基礎(chǔ)上核心系統(tǒng)的構(gòu)建；針對(duì) GPRS 模塊的實(shí)現(xiàn)公能、數(shù)據(jù)接口、引腳功能，完成了其與 STM32 的接口設(shè)計(jì)；依據(jù) GPS 模塊的特性、基本結(jié)構(gòu)和外部引腳定義，完成了 GPS 模塊與 STM32 處理器接口設(shè)計(jì)；以及 LCD接口、 USART 接口等外圍接口的詳細(xì)設(shè)計(jì)。 以后一定繼續(xù)完善車輛定位系統(tǒng)的功能以滿足未來(lái)發(fā)展的需要。 車載導(dǎo)航和監(jiān)控系統(tǒng)是 ITS 的重要組成部分，它們?cè)诤艽蟮某潭壬弦揽縂PS 定位技術(shù)、 GIS 地圖服務(wù)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。近十年來(lái)車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，開發(fā)了各種智能化車載導(dǎo)航與監(jiān)控電子裝置，并被廣泛應(yīng)用于汽車上。 2020 年日本汽車車載導(dǎo)航設(shè)備安裝率高達(dá) 59％，歐美約在 25％左右。首先從衛(wèi)星導(dǎo)航的整個(gè) 應(yīng)用而言，我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域基本上都是依靠進(jìn)口的 GPS 芯片，國(guó)內(nèi)廠商在這些芯片產(chǎn)品上進(jìn)行二次開發(fā)，生產(chǎn)車載終端、自導(dǎo)航和手持定位儀等產(chǎn)品。隨著嵌入式微處理器的不斷發(fā)展和我國(guó)自主研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的不斷完善，相信我國(guó)的車載監(jiān)控終端會(huì)朝著功能越來(lái)越完善、性能越來(lái)越穩(wěn)定、設(shè)計(jì)越來(lái)越人性化的方向快速發(fā)展。 實(shí)時(shí)連續(xù)地對(duì)車輛的準(zhǔn)確位置，速度，方向以及周圍的詳細(xì)地理環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和查詢，對(duì)最優(yōu)路徑進(jìn)行計(jì)算和規(guī)劃，幫助駕駛員及時(shí)了解車輛目前的位置和第 1 章 緒論 3 狀況，從而快速，安全，準(zhǔn)確地到達(dá)目的地。主要介紹了 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想，然后詳細(xì)介紹了與此相關(guān)的 GPRS 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，全球定位系統(tǒng) GPS 系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式，和 STM32 處理器等關(guān)鍵技術(shù)，為后面的應(yīng)用做準(zhǔn)備； 第 3 章， 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)，詳細(xì) 介紹了 定位 系統(tǒng)的 GPRS 模塊的硬件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)； GPS 模塊的電氣特性和接口設(shè)計(jì)； STM32 處理 器的總線結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)時(shí)鐘、電源等必備硬件結(jié)構(gòu)； LCD 液晶顯示等人機(jī)接口的電路設(shè)計(jì)；電源模塊等輔助電路的設(shè)計(jì)； 第 4 章， 操作系統(tǒng)的移植和軟件的設(shè)計(jì)開發(fā) 。 S T M 3 2 控 制 器G P S 模 塊鍵 盤 輸 入G P R S 模 塊屏 幕 顯 示c 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 整個(gè)系統(tǒng)如 圖 21 所示，采用 STM32 為控制器，使用 GPRS 和 GPS 為功能模塊，外加鍵盤和屏幕顯示為輔助輸入輸出模塊，提供一個(gè)人性化的交互平臺(tái)。 GPRS 和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包?Packet）式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 道，理論上較為便宜。 GPRS 突破了 GSM 網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來(lái)說(shuō)并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。而是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中的信息（如目的地址），臨時(shí)尋找一個(gè)可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。圖 2 和圖 3 從不同的角度上給出了 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的組成示意圖。 GPRS 網(wǎng)絡(luò)框圖如圖 22 所示。 (1) 高速數(shù)據(jù)傳輸 速度 10 倍于 GSM，更可滿足您的理想需求，還可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質(zhì)量音頻與視頻文件，可謂不一般的巨大進(jìn)步。 (4) 相對(duì)低廉的連接費(fèi)用 資源利用 率高在 GSM 網(wǎng)絡(luò)中， GPRS 首先引入了分組交換的傳輸模式，使得原來(lái)采用電路交換模式的 GSM 傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化，這在無(wú)線資源稀缺的情況下顯得尤為重要。這意味著數(shù)年內(nèi)，通過便 攜式電腦 GPRS 用戶能和 ISDN 用戶一樣快速地上網(wǎng)瀏覽，同時(shí)也使一些對(duì)傳輸速率敏感的移動(dòng)多媒體應(yīng)用成為可能。如果把空中接口上的 TDMA 幀中的 8 個(gè)時(shí)隙都用來(lái)傳送數(shù)據(jù)，那么 數(shù)據(jù)速率最高可達(dá) 164kb/s。目前 GPRS 網(wǎng)絡(luò)引入 GSN（ GPRS Surporting Node）節(jié)點(diǎn)。 導(dǎo)航定位技術(shù)現(xiàn)狀 自 1957 年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功以來(lái)，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感、大地測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛的應(yīng)用 [12]。歐盟籌建的 Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在計(jì)劃實(shí)施之中 [13]。在 19961998 年間，由于經(jīng)濟(jì)困難， GLONASS 星座得不到正常的維護(hù)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能衰退。未來(lái) 幾 年將分 別 在軍用、民 用 領(lǐng)域發(fā)揮 作用 。 全 球定位系統(tǒng)是在 子 午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā) 展起來(lái)的，采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)。每一個(gè) 用 戶在任何地方都 能 夠同時(shí)接收到來(lái) 自 4～ 12 顆 GPS 衛(wèi)星 的 定位信號(hào)， 實(shí) 現(xiàn)全球 性全天時(shí) 的連續(xù)不斷的導(dǎo)航定位 [13]。 GPS 是利用測(cè)距交會(huì)原理確定點(diǎn)的位置來(lái)進(jìn)行定位的。 ( =1,2,3,4)idi 分別為衛(wèi)星 l、衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 4 到接收機(jī)之間的距離。 iX 、 iY 、 ( =1,2,3,4)iZi 分別為衛(wèi)星 l、衛(wèi)星 衛(wèi)星 衛(wèi)星 4 在 t 時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。 GPS 的應(yīng)用 全球定位系統(tǒng) GPS 擁有全球性、全能性、全天候性的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速等優(yōu)點(diǎn)。下面就 GPS 在智能交通中的應(yīng)用做一下介紹。 在發(fā)達(dá)國(guó)家， GPS 技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于交通運(yùn)輸和道路工程中。 (2) 觀測(cè)時(shí)間短 ： 采用 GPS 布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在3040min 左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間更短。 (5) 操作簡(jiǎn)單 ： 隨著 GPS 的不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，體積也越來(lái)越小， 重量越來(lái)越輕。隨著 GPS技術(shù)的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的擴(kuò)大。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 Cortex－ M3 處理器采用 ARMv7M 架構(gòu)，它包括所有的 16 位 Thumb指令集和基本的 32 位 Thumb2 指令集架構(gòu)， CortexM3 處理器不能執(zhí)行ARM 指令集 ?；拘秃驮鰪?qiáng)型的區(qū)別在增強(qiáng)型產(chǎn)品有獨(dú)立的 ADC 通道，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1u 秒， 增強(qiáng)型產(chǎn)品還具有 傳輸接口， 并且其功耗也是 32 位微控制器領(lǐng)域內(nèi)最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于。 總線構(gòu)架 主系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成： 四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元： Cortex?M3 內(nèi)核 DCode 總線 (Dbus)，和系統(tǒng)總線(Sbus)、 通用 DMA1 和通用 DMA2。 DCode 總線 ： 該總線將 Cortex?M3 內(nèi)核的 DCode 總線與閃存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接口相連接 (常量加載和調(diào)試訪問 )。此仲裁利用輪換算法。 APB1 操作速度限于 36MHz， APB2 操作于全速 (最高 72MHz)。一個(gè)字里的最低地址字節(jié)被認(rèn)為是該字的最低有效字節(jié)，而最高地址字節(jié)是最高有效字節(jié)。 在 STM32F10xxx 里 ，可以通過 BOOT[1:0]引腳選擇三種 不 同啟動(dòng)模式 ， 如表 21 所示。 通過設(shè)置選擇管腳，對(duì)應(yīng)到各種啟動(dòng)模式的 不 同物 理 地址將被映像到第 0 塊 (啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū) )。在經(jīng)過啟動(dòng)延遲后， CPU 從位于 0x0000 0000 開始的啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū)執(zhí) 行 代碼。通過內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器提供所需的 電源。 (2) 停止模式：調(diào)節(jié)器以低功耗模式提供 電源，以保存寄存器和 SRAM 的內(nèi)容 。通過設(shè)置PVDE 位來(lái)使能 PVD。 電源模塊的系統(tǒng)框圖如圖 25 所示。為系統(tǒng)的正常工作提供必備的條件。 GPRS 模塊硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用的 GPRS 模塊為華為的 EM310 模塊，本節(jié)詳細(xì)分析了EM310 模塊，完成無(wú)線傳輸模塊的電路接口設(shè)計(jì)。 UART 支持可編程的數(shù)據(jù)寬 度、可編程的數(shù)據(jù)停止位、可編程的奇 /偶校驗(yàn)或者沒有校驗(yàn)，該 UART 口最高支持 ， 最低支持 300bit/s 的波特率，默認(rèn)支持 9600bit/s 的速率，支持波特率掉電保存。使用 8 線串口時(shí)，使用 SP3238或 MAX3238 等芯片。 EM310 GSM 模塊支持并能夠自動(dòng)檢測(cè) 和 SIM 卡， SIM 卡接口定義如表 31 所示。兩路音頻輸出均可驅(qū)動(dòng) 32 歐姆 阻抗的 受話 器，如需驅(qū)動(dòng) 8 歐姆 阻抗的揚(yáng)聲器，需要另外增加音頻功放電路。 電路如圖 36 所示 (2) 第二路音頻接口 第二路音頻輸入輸出通道 (MIC MICBIAS、 SPKP、 SPKN)，其中輸出通路為差分信號(hào)，輸入通路為單端信號(hào)。 MIC1LS133pC1233pC1033pC1133pC1833pC1533pC17GNDGNDMIC1_PMIC1_NEAR_PEAR_N 圖 36 第一路音頻接口電路圖 LS233pC2433pC2133pC23GNDMIC233pC351nC34C33GNDMIC2MICBIASSPK_NSPK_P220RR19R20GND 圖 37 第二路音頻接口電路圖 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā) 25 電源接口 EM310 GSM 模塊正常工作需要外部提供供電電源 VBAT 和實(shí)時(shí)時(shí)鐘備用電源 VDDRTC。 當(dāng)模塊以最大功率發(fā)射時(shí)，電源供電電流將達(dá)到瞬時(shí) 左右， VBAT 電壓將會(huì)有跌落，但必須保證供電電壓最小值不能低于 。 (2) VDDRTC 接口 VDDRTC 是 EM310 GSM 模塊 內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘備用電源輸入接口。 USB 總線接口 EM310 GSM 模塊 USB 接口用于升級(jí)模塊程序、調(diào)試軟件時(shí)使用， 及進(jìn)行模塊的 2 次開發(fā)。 VDDRTC 可以使用電池供電（可充電或不可充電），電池電壓范圍是 ～ 5V。推薦使用輸出電流大于 2A 的 LDO 或開關(guān)電源。 21～ 25 GND 地 0V 18 VDDRTC P 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 備用電源輸入 ～ 5V (1) VBAT 接口 EM310 GSM 模塊需要外部提供供電電源，供電電源電壓輸入范圍為 ～ （典型值 ），外部電源通過 B2B 連接器的 VBAT 管腳為模塊供電。對(duì)于差分信號(hào)，需要平行等距離的進(jìn)行 PCB 走線，走線長(zhǎng)度盡量最短，兩邊濾波 電路盡量對(duì)稱，兩差分信號(hào)間盡量靠近，外加包地處理，輸出音頻差分對(duì)信號(hào)與輸入音頻差分對(duì)信號(hào)通過地的方式有效隔開，同時(shí)需要遠(yuǎn)離電源、射頻和天線等電路。如果僅使用一路音頻通道的情況下，建議使用第一路音頻通道。 SIMCLK 和 SIMIO 信號(hào)的走線需要用地線包絡(luò)。波形如 圖 33 所示： 1 s 1 s 1 s4 s4 s 圖 33 收到語(yǔ)音呼叫指示 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 RING 管腳驅(qū)動(dòng) LED 燈時(shí)， 需要根據(jù) LED 的壓降和額定電流選擇合適的限流電阻， 將 RING 管腳經(jīng)過一個(gè)反向器，電路如圖 34 所示。 第