【文章內(nèi)容簡介】 要任務(wù)是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位功能。GPS是利用測距交會(huì)原理確定點(diǎn)的位置來進(jìn)行定位的。它采用多星高軌測距體制，以接收機(jī)到GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。當(dāng)?shù)孛嬗脩舻腉PS接收機(jī)同時(shí)接收到3顆以上衛(wèi)星的信號(hào)后，通過使用偽距測量或載波相位測量，測算出衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)所需要的時(shí)間、距離，再結(jié)合各衛(wèi)星所處的位置信息，將衛(wèi)星至用戶的多個(gè)等距離球面相交后，即可確定用戶的三維(經(jīng)度、緯度、高度)坐標(biāo)位置以及速度、時(shí)間等相關(guān)參數(shù)。定位原理圖如圖23所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式： (21) (22) (23) (24)圖23 GPS定位原理上述四個(gè)方程式中待測點(diǎn)坐標(biāo)X，Y，Z和為未知參數(shù)，其中。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。分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。C為GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：X，Y，Z為待測點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。、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。分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。為接收機(jī)的鐘差。由以上四個(gè)方程即可解算出待測點(diǎn)的坐標(biāo)X，Y，Z和接收機(jī)的鐘差。 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)、測速等優(yōu)點(diǎn)。在諸多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用，最早應(yīng)用于軍用定位和導(dǎo)航。隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，目前全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS已逐步從軍用擴(kuò)展到民用，主要涉及海、陸、空的導(dǎo)航和定位，使世界交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)生了深刻變革，推動(dòng)了航天事業(yè)的發(fā)展。同時(shí)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、測繪、氣象等領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用[14]。下面就GPS在智能交通中的應(yīng)用做一下介紹。GPS在ITS中主要應(yīng)用于車輛定位、導(dǎo)航和交通管理，是ITS的重要組成部分。在任一時(shí)刻任一目標(biāo)能通過GPS系統(tǒng)得知汽車的經(jīng)緯度、速度和準(zhǔn)確時(shí)聞，然后把這些信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)提供給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)在電子地圖上顯示出車輛運(yùn)行軌跡；同時(shí)，監(jiān)控中心可根據(jù)路況信息，發(fā)出調(diào)度指令，來完成對車輛的集中監(jiān)控。國外早已進(jìn)行研究，并已取得了一定得成果，已廣泛地應(yīng)用于公共醫(yī)療事業(yè)、公共服務(wù)事業(yè)、銀行、消防、公安等行業(yè)。在發(fā)達(dá)國家，GPS技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于交通運(yùn)輸和道路工程中。目前，GPS技術(shù)在我國道路工程和交通管理中的應(yīng)用還剛剛起步，相信隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、高等級(jí)公路的快速修建和GPS技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，其在道路工程中的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用[15]。GPS與其它導(dǎo)航系統(tǒng)相比，具有的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：(1) 定位精度高：通過很多應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)1，100500km可達(dá)，1000km以上可達(dá)，在3001500m工程精密定位中，1小時(shí)以上觀測的解算，其平面位置誤差小于1 mm。基線邊長越長越能突顯其定位精度高的優(yōu)勢。(2) 觀測時(shí)間短：采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測站上的觀測時(shí)間一般在3040min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時(shí)間更短。目前20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需1520分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15km以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站只需觀測12分鐘；動(dòng)態(tài)相對定位測量時(shí)，流動(dòng)站出發(fā)時(shí)觀測12分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測僅需幾秒鐘。(3) 測站間無需通視：GPS測量不要求站點(diǎn)間相互通視，只需測站上空開闊即可。(4) 可提供三維坐標(biāo)：經(jīng)典大地測量將平面與高度采用不同方法分別測量，而GPS可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，目前GPS水準(zhǔn)可達(dá)到四等水準(zhǔn)測量的精度。(5) 操作簡單：隨著GPS的不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來越高，體積也越來越小，重量越來越輕。(6) 全天候作業(yè)：目前GPS觀測可在一天24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等天氣狀況的影響。功能多、應(yīng)用廣：GPS系統(tǒng)不僅可以用于定位測量，還可用于測速、測時(shí)。，測時(shí)精度可達(dá)幾十毫秒，精度都比較高。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。 STM32處理器目前市場上流行的32 位微控制器多采用ARM 處理器核心。采用ARM 處理器核心的32 位微控制器在手機(jī)、PDA等產(chǎn)品中有著大量的應(yīng)用，隨著采用ARM核心的32 位微控制器新品的層出不窮以及價(jià)格的不斷下降，也為其應(yīng)用的下移提供了機(jī)會(huì)。ARM公司于2006年推出了一款針對價(jià)格敏感但又需具備高效能需求的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的微處理器核心—CortexM3[16]。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。Thumb2在Thumb指令集架構(gòu)（ISA）上進(jìn)行了大量的改進(jìn)，它與Thumb相比，具有更高的代碼密度并提供16/32位指令的更高性能。 STM32有兩個(gè)系列的產(chǎn)品，分別是基本型和增強(qiáng)型，基本型和增強(qiáng)型都在片上有5 路的串口，2路的SPI和2路的I2C，片上具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，2個(gè)獨(dú)立的看門狗，片上集成了上電復(fù)位和掉電復(fù)位。最多11 路的DMA 通道，所有芯片的管腳有80% 是GPIO。基本型和增強(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， ， 并且其功耗也是32位微控制器領(lǐng)域內(nèi)最低的產(chǎn)品。基本型產(chǎn)品的最高運(yùn)行時(shí)鐘為36MHz，增強(qiáng)型產(chǎn)品的最高運(yùn)行時(shí)鐘為72MHz。此外，對于電機(jī)的矢量控制，STM32 還具有特別的優(yōu)勢：2 路獨(dú)立的A/D采樣，定時(shí)器可產(chǎn)生6 路的PWM輸出，具有硬件上的乘法和除法指令，具有死區(qū)控制。意法半導(dǎo)體公司為基于STM32系列微控制器提供了完全的免費(fèi)的底層外設(shè)的驅(qū)動(dòng)庫文件，這使得系統(tǒng)的開發(fā)變得非常容易[18]。 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。四個(gè)被動(dòng)單元：內(nèi)部 SRAM、內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器、FSMC、AHB到 APB的橋(AHB2APBx)，它連接所有的 APB設(shè)備。這些都是通過一個(gè)多級(jí)的AHB總線構(gòu)架相互連接的[19]，如圖24所示： 圖24 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ICode總線 :該總線將Cortex?M3內(nèi)核的指令總線與閃存指令接口相連接。指令預(yù)取在此總線上完成。 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)。 系統(tǒng)總線：此總線連接Cortex?M3內(nèi)核的系統(tǒng)總線(外設(shè)總線)到總線矩陣，總線矩陣協(xié)調(diào)著內(nèi)核和DMA間的訪問。DMA總線：此總線將DMA的AHB主控接口與總線矩陣相聯(lián)，總線矩陣協(xié)調(diào)著CPU的DCode和DMA到 SRAM、閃存和外設(shè)的訪問。總線矩陣：此總線矩陣協(xié)調(diào)內(nèi)核系統(tǒng)總線和DMA主控總線之間的訪問仲裁。此仲裁利用輪換算法。此總線矩陣由四個(gè)驅(qū)動(dòng)部件(CPU的DCode、系統(tǒng)總線、DMA1總線和DMA2總線)和四個(gè)被動(dòng)部件(閃存存儲(chǔ)器接口(FLITF)、SRAM、FSMC和AHB2APB橋)構(gòu)成。 AHB外設(shè)通過總線矩陣與系統(tǒng)總線相連，允許DMA訪問。AHB/APB橋(APB)：兩個(gè)AHB/APB橋在AHB和2個(gè)APB總線間提供同步連接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。當(dāng)對APB寄存器進(jìn)行8位或者16位訪問時(shí)，該訪問會(huì)被自動(dòng)轉(zhuǎn)換成32位的訪問：橋會(huì)自動(dòng)將8位或者32位的數(shù)據(jù)擴(kuò)展以配合32位的向量[18]。 存儲(chǔ)器組織 STM32系列處理器的程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個(gè)4GB的線性地址空間內(nèi)。數(shù)據(jù)字節(jié)以小端格式存放在存儲(chǔ)器中。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)。外設(shè)寄存器的映像請參考相關(guān)章節(jié)?？稍L問的存儲(chǔ)器空間被分成8個(gè)主要塊，每個(gè)塊為512MB。其他所有沒有分配給片上存儲(chǔ)器和外設(shè)的存儲(chǔ)器空間都是保留的地址空間。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。 表21 啟動(dòng)模式啟動(dòng)模式選擇管腳啟動(dòng)模式說明BOOT1BOOT0X0用戶閃存存儲(chǔ)器用戶閃存存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域01系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域11內(nèi)嵌SRAM內(nèi)嵌SRAM被選為啟動(dòng)區(qū)域在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK的第4個(gè)上升沿，BOOT管腳的值將被鎖存。用戶可以通過設(shè)置BOOT1和BOOT0引腳的狀態(tài)，來選擇在復(fù)位后的啟動(dòng)模式。根據(jù)選定的啟動(dòng)模式，主閃存存儲(chǔ)器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器或SRAM可以按照以下方式訪問： (1)從主閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng), (2)從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng), (3)從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)。通過設(shè)置選擇管腳，對應(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))。在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK的第 4個(gè)上升沿，BOOT管腳的值將被鎖存。用戶可以通過設(shè)置 BOOT1和 BOOT0引腳的狀態(tài)，來選擇在復(fù)位后的啟動(dòng)模式。 即使被映像到啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū)，仍然可以在它原先的存儲(chǔ)器空間內(nèi)訪問相關(guān)的存儲(chǔ)器。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。內(nèi)嵌的自舉程序用于通過 USART1串行接口對閃存存儲(chǔ)器進(jìn)行重新編程。這個(gè)程序位于系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，由 ST在生產(chǎn)線上寫入。 電源 STM32的工作電壓(VDD)～。當(dāng)主電源VDD掉電后，通過VBAT腳為實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和備份寄存器提供電源。復(fù)位后調(diào)節(jié)器總是使能的。根據(jù)應(yīng)用方式它以3種不同的模式工作：(1) 運(yùn)轉(zhuǎn)模式：（內(nèi)核，內(nèi)存和外設(shè)）。(2) 停止模式：，以保存寄存器和SRAM的內(nèi)容。(3) 待機(jī)模式：調(diào)節(jié)器停止供電。除了備用電路和備份域外，寄存器和SRAM的內(nèi)容全部丟失。用戶可以利用PVD對VDD電壓與電源控制寄存器(PWR_CR)中的PLS[2:0]位進(jìn)行比較來監(jiān)控電源，這幾位選擇監(jiān)控電壓的閥值。通過設(shè)置PVDE位來使能PVD。電源控制/狀態(tài)寄存器(PWR_CSR)中的PVDO標(biāo)志用來表明VDD是高于還是低于PVD的電壓閥值。該事件在內(nèi)部連接到外部中斷的第16線，如果該中斷在外部中斷寄存器中是使能的，該事件就會(huì)產(chǎn)生中斷。當(dāng)VDD下降到PVD閥值以下和(或)當(dāng)VDD上升到PVD閥值之上時(shí)，根據(jù)外部中斷第16線的上升/下降邊沿觸發(fā)設(shè)置，就會(huì)產(chǎn)生PVD中斷。電源模塊的系統(tǒng)框圖如圖25所示。圖25 電源框圖 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想和框架結(jié)構(gòu)，然后在介紹總體的基礎(chǔ)上分別介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的關(guān)鍵技術(shù)，如GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信原理，GPS的定位原理和所工作做得環(huán)境與要求，最后介紹了所用到的STM32處理器的的主要功能外設(shè)和工作模式等知識(shí)，為下面的軟件和硬件設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā) 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)需要，采用性價(jià)比高的STM32處理器為控制核心，采用UART接口讀取車輛的GPS定位信息，經(jīng)過信息處理把信息顯示在屏幕上，利用AT指令通過串口和GPRS模塊進(jìn)行通訊，通過GPRS模塊把采集到的信息通過TCP/IP協(xié)議送到Internet網(wǎng)絡(luò)或通過短信發(fā)送到指定的手機(jī)上，在遠(yuǎn)程收到定位信息后通過已有的數(shù)據(jù)庫確定路況，路線等信息。根據(jù)此設(shè)計(jì)功能要求嵌入式硬件平臺(tái)需要下面幾個(gè)模塊電路：GPRS模塊、GPS模塊、STM32處理器模塊、LCD顯示模塊、串口模塊、電源模塊、輔助電路等模塊；(1)GPRS模塊：針對所選用的GPRS模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，GPRS模塊通過串口與STM32處理器的USART 2相連，通過SPI接口與SIM卡相連，并把GPRS模塊的語音接口連出來，組成一個(gè)功能齊全的電路；(2)GPS模塊：針對所選用的GPS模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，GPS模塊通過串口與STM32的USART 3相連，完成定位信息的傳輸；(3) STM32模塊：完成STM32處理器必備的復(fù)位電路、電源濾波電路、晶振電路、電池供電電路等。為系統(tǒng)的正常工作提供必備的條件。(4) LCD顯示模塊：主要涉及LCD液晶顯示器和觸摸屏接口的設(shè)計(jì)，并具有電阻式觸摸屏，為系統(tǒng)的軟件升級(jí)提供支持，提供了一個(gè)友好的人際接口，更加人性化，(5) 串口模塊：本系統(tǒng)把USART 1通過max3232引到DB9接口上，提供了一個(gè)調(diào)試程序、檢測系統(tǒng)運(yùn)行情況的手段，還可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，進(jìn)而完成更加復(fù)雜的功能，也為以后的軟件升級(jí)提供接口。(6) 電源模塊：各個(gè)模塊的核心器件都有自己的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，而這些電壓卻不盡相同，所以要針對各種電壓設(shè)計(jì)相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換電路；采用LM2596開關(guān)電源芯片，為整個(gè)系統(tǒng)供電，可以提供3A穩(wěn)定的電源，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。(7) 輔助電路：包括一個(gè)LED指示燈、兩個(gè)鍵盤和一個(gè)擴(kuò)展的AT24C128存儲(chǔ)器，用于終端開發(fā)和調(diào)試用的JTAG接口，配合系統(tǒng)的正常工作。 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，完成無線傳輸模塊的電路接口設(shè)計(jì)。EM310是一款小體積即插即用兼容型GSM/GPRS通信模塊，模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，硬件兼容MC55，可工作在EGSM900和GSM1800兩個(gè)頻率，該模塊特性如下[17]：工作頻段：EGSM900/GSM1800雙頻最大發(fā)射功率：EGSM900/GT800 Class4(2W) GSM1800 Class1(1W)接收靈敏度：=106dBm協(xié)議：兼容GSM/GPRS Phase2/2+標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口（）：兩路模擬音頻接口GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：GPRS CLASS 10編碼方式：CS1，CS2，CS3，CS4最大下行速率：最大上行速率：EM310 GS