【導(dǎo)讀】智能車輛定位追蹤系統(tǒng)是智能交通的重要組成部分。隨著社會的不斷進步，系統(tǒng)能夠利用現(xiàn)有的道路設(shè)施，減少交通擁擠，加強對車輛的集中管理和調(diào)度，舒適性，改善環(huán)保質(zhì)量，提高能源的利用率。另外，由于本系統(tǒng)采用GSM通信網(wǎng)。成本和運行費用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　

【正文】 一次定位數(shù)據(jù)。它的精度指標(biāo)如表 1 所示： 定位精度 小于 15 米（ 95%） 速度精度 米 /秒 RMS（穩(wěn)定狀態(tài)） 差分精度 小于 5 米（ 95%） PPS 精度 177。 1 微秒（ GPS15 無秒脈沖輸出） 速度上限 1850 公里 /小時 加速度上限 6G 高度上限 18000 米 表 1 GPS15L 的精度指標(biāo) 由表 1 可以看出 GPS15L 的精度指標(biāo)和動態(tài)性能完全可以滿足車輛定位的需求。GPS15L 的接口為 RS232 接口，可以很方便的通過計算機進行調(diào)試與配置。 GPS15L的輸出為 NMEA0183 版本 或 （可選）的 ASCII 碼語句，包括 ： GPALM，GPGGA， GPGLL， GPGSA， GPGSV， GPRMC， GPVTG（ NMEA 標(biāo)準(zhǔn)語句）； PGRMB，PGRME， PGRMF， PGRMM， PGRMT， PGRMV（ GARMIN 定義的語句）；輸入為初始位置、時間、秒脈沖狀態(tài)、差分模式、 NMEA 輸出間隔等設(shè)置信息。各語句的意義如表 2 所示： 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 22 表 2 NMEA0183 語句的含義 GPALM 歷書信息 GPGGA GPS 定位信息 GPGLL 定位地理信息 GPGSA 當(dāng)前衛(wèi)星信息 GPGSV 可見衛(wèi)星信息 GPRMC 推薦定位信息 GPVTG 地面速度信息 PGRMB 信標(biāo)差分信息 PGRME 估計誤差信息 PGRMF GPS 定位信息 PGRMM 坐標(biāo)系統(tǒng)信息 PGRMT 工作狀態(tài)信息 PGRMV 三維速度信息 GPS模塊部分的硬件設(shè)計與調(diào)試 GPS15L 對電壓的適應(yīng)范圍比較廣，輸入電壓的范圍在 － 之間即可，所以可以與單片機使用同一電源。它的對外異步串行接口為 RS232 電平，而且波特率可選為 300， 600， 1200， 2400， 4800， 9600， 19200， 38400，默認(rèn)值為 4800。與其進行通信和控制的單片機的接口為 TTL 電平，所以需要對其進行電平轉(zhuǎn)換。對這部分的硬件的設(shè)計如圖 1 所示： 圖 1 GPS 模塊部分的電路設(shè)計 由于 GPS15L 的接口電平為 RS232 電平，所以它可以很方便的與計算機串口相連，也就方便了調(diào)試和對其進行配置。在調(diào)試時，應(yīng)用了自己編寫的 VB 程序。 單 片 機 電 源 部 分 GPS15L 模塊 電平轉(zhuǎn)換 GPS天 線 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 23 圖 2 VB 串口程序框圖 圖 2 出示了 VB 串口程序框圖。 為了觀察 GPS 模塊發(fā)回的定位信息的數(shù)據(jù)格式和調(diào)試 GPS 的配置命令，這里應(yīng)用 VB 編寫 COM 口數(shù)據(jù)收發(fā)程序。在調(diào)試和配置時，需要通過計算機串口來進行。這里先將計算機的 COM 口引出 線來，然后將 GPS 模塊的串口接到計算機 COM 口的相應(yīng)的輸入輸出引腳的位置上，這樣調(diào)試的硬件準(zhǔn)備就完成了。通過上述的 VB 串口程序，既可以清晰的顯示從計算機串口輸入的數(shù)據(jù)，也可以很方便的通過計算機串口向外發(fā)送指定的數(shù)據(jù)。 通過利用上述 VB 串口程序和 GPS 模塊自帶的配置軟件進行調(diào)試，熟悉了 GPS命令的格式并且驗證了 GPS 數(shù)據(jù)信息的格式，為接下來軟件的設(shè)計提供了良好的前提。在完成對 GPS 的命令及數(shù)據(jù)信息格式的熟悉之后，用 GPS 模塊自帶的配置軟件對 GPS 模塊進行配置，使其工作在指定的工作狀態(tài)上，發(fā)回指定的定位信息，并 設(shè)定其每一秒發(fā)回一次定位數(shù)據(jù)。 車載終端移動通信系統(tǒng)的基本原理與硬件設(shè)計 GSM模塊的選擇 本項目采用的是短消息的通信方式，可供選擇的 GSM 模塊種類很多，它們都有短消息功能，但是考慮到系統(tǒng)的可升級性，我們選用了有 GPRS 功能的 GSM 模塊。 GPRS（ General Packet Radio Service, 通用分組無線業(yè)務(wù) ） 是一種新的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線 IP或 服務(wù)。 GPRS 采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道 ，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用，數(shù)據(jù)傳輸速率高達 160Kbps，實際應(yīng)用帶寬大約在 40－ 100Kbps，在此信道上提供 TCP/IP 連接，可以用于INTERNET 連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。使用 GPRS 技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計費，迅速降低了服務(wù)成本。 現(xiàn)在市場上的有 GPRS 功能的 GSM 模塊主要有以下三種，分別為西門子公司否 是 開 始 COM 口是否已開 開 COM 口 發(fā)送程序 結(jié) 束 定時器中斷 接收程序 結(jié) 束 接收子程序 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 24 MC35，摩托羅拉公司的 G18 與索尼愛立信公司的 GM47。 這三種模塊的 特點 分別 如下 所示 ： （ 1） GPRS 模塊在發(fā)射時的瞬間電流一般都在 2A 水平，因此在 選擇電源時，一定要留有余量 ,以免電壓波動太大，影響 GPRS 模塊工作的穩(wěn)定性。 在 GPRS 模塊工作時 ，一旦電源跌落到它的下限，模塊 就會自動關(guān)機，在這里也可以加入大電容來穩(wěn)壓 。 （ 2） G18 可直接 +5V 供電，在供電方面是最方便的一款。 MC35 的供電電壓為，可采用簡單的在 +5V 電源串接二極管的方式來降壓供電。 GM47 的供電范圍較窄，僅為 ，如果仍采用串接二極管的供電方式的話，主電源需調(diào)低在。 （ 3）在尺寸方面 GM47 和 MC35 差不多， G18 的外形尺寸比 GM47 和 MC35 大，但集成了一個 SIM 卡座， 所以 總的使用面積三種 GPRS 模塊類似。 由于在試驗中多次使用了西門子的手機，而且三種模塊的具體差別并不是特別明顯，本項目選擇了西門子公司的 MC35 模塊。 GSM模塊部分的硬件設(shè)計與調(diào)試 GSM 模塊是車載終端與監(jiān)控中心聯(lián)系的紐帶， GPS 定位信息要通它傳送到監(jiān)控中心，是系統(tǒng)硬件設(shè)計的重要部分。本項目中應(yīng)用的 MC35 模塊在硬件連接方面電源是很重要的一環(huán)，因為電源波動太大容易使 GSM 模塊自動關(guān)機，而且不易被系統(tǒng)察覺。 MC35 的供電電壓為 ，可以采用二極管進行 分壓來提供電源，為了保證電壓的穩(wěn)定可以在電壓的輸入端并聯(lián)一個大電容來進行穩(wěn)壓。 MC35 的串口采用的是CMOS 電平，為了與單片機進行通信需要另加電平轉(zhuǎn)換模塊，將 CMOS 電平與 TTL電平相互轉(zhuǎn)換。不過在串口的通信方面 MC35 模塊有一個比較方便的內(nèi)在條件，它的串口可以自適應(yīng) 1200， 2400， 4800， 9600， 19200， 38400， 57600， 115200bps 的波特率。在軟件設(shè)計時，就不用擔(dān)心兩邊波特率的協(xié)調(diào)問題了。 另外， MC35 模塊在啟動時需要一個啟動時序，所以還需要添加一個啟動電路。對 于 MC35 模塊 的 控制 ,IGT 啟動 信號非常 的 重要 ,只有正確的 IGT 信號才可以使MC35 模塊正常 的啟動 運行。 IGT 的下降沿啟動 MC35,并且 IGT 的低電平應(yīng)該至少保持 100ms， MC35 正常工作 后 PD 引腳會有方波輸出，可以通過檢測 PD 引腳來判斷MC35 是否啟動 。 由于 MC35 模塊不包含 SIM 卡插座， SIM 卡插座部分需要自己安裝連接，具體的聯(lián)接方式可查找相關(guān)的資料或 MC35 的手冊。綜合上述的已知條件，可將 MC35 模塊部分的硬件連接設(shè)計如下，具體的設(shè)計框圖如圖 3 所示： 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 25 圖 3 MC35 模塊部分的電路原理圖 在對 MC35 模塊進行調(diào)試時，為了調(diào)試方便，安裝了一個工作狀態(tài)指示燈，每當(dāng)MC35 模塊掃描網(wǎng)絡(luò)或收發(fā)短消息時，指示燈都會閃爍。當(dāng)車載終端工作時，可以通過觀察指示燈來判斷 MC35 模塊是否向監(jiān)控中心發(fā)送短消息。電路連接完畢后，先對MC35 模塊的啟動情況進行測試，通過單片機運行啟動時序使 MC35 模塊啟動，然后通過撥打 SIM 卡的電話號碼來判斷 MC35 模塊是否啟動。如果 MC35 模塊正常啟動，電話可以打通，而且指示燈會不停的閃爍。當(dāng)確定硬件連接沒有問題，而且 MC35模塊也可以正常啟動后 ，就可以對它進行 AT 命令的調(diào)試了。 由于 MC35 模塊采用的是 CMOS 電平，而計算機串口采用的是 RS232 電平，所以無法直接與計算機進行通信，這就給調(diào)試帶來了難度。但是考慮到可以利用現(xiàn)有的電路板作為 MC35 模塊的開發(fā)調(diào)試板，簡化 MC35 模塊的調(diào)試步驟。 通信路徑如圖 4所示： 圖 4 通信路徑原理圖 車載終端的電路板上有為 GPS 模塊留出的 RS232 接口， GPS 模塊與單片機的接口是經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換的，而且 MC35 模塊和單片機的接口也是經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換的，所以考慮到 可以利用為 GPS 模塊留出的接口收發(fā)數(shù)據(jù)并通過單片機中轉(zhuǎn)來實現(xiàn)與 MC35 模塊的通信，對 MC35 模塊進行調(diào)試。 這里采用和調(diào)試 GPS 模塊相似的方法，仍然采GPS串口 計 算 機 電平轉(zhuǎn)換 單 片 機 電平轉(zhuǎn)換 GSM模塊 單 片 機 電源 模塊 MC35 模塊 SIM 卡 電平轉(zhuǎn)換 控制啟動電路 降壓穩(wěn)壓電路 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 26 用上面用過的 VB 計算機串口收發(fā)程序，向 MC35 模塊發(fā)送命令，并觀察 MC35 模塊串口的回應(yīng)。 在這里，單片機的作用是將從 GPS 串口輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送到 GSM 的輸入口，并將GSM 串口輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，使其從 GPS 串口輸出，發(fā)回到計算機。單片機在這里起的是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用，并利用數(shù)據(jù)收發(fā)隊列模擬緩沖區(qū)來管理輸入輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)程序框圖如下： 圖 5 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)程序框圖 在 AT 命令還不熟悉時，為了觀察 AT 命令的格式以及短消息發(fā)送的工作流程，我們通過現(xiàn)成的手機短消息收發(fā)軟件，控制配有西門子手機模塊的手機發(fā)送短消息，手機通過專用的手機數(shù)據(jù)線與電腦相連，并且通過計算機串口將發(fā)送命令的格式接收回來并保存，然后通過 VB 串口發(fā)送程序發(fā)送給 MC35，通過這種方法驗證了 MC35工作正常，并可以發(fā)送短消息，而且也熟悉了短消息發(fā)送的工作流程。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 27 單片機系統(tǒng)的整體設(shè)計 AVR 單片機簡介 本項目的單片機選用了 Atmel 公司生產(chǎn)的 ATmega128，它是一種高性能的 RISC微控制器 。它備有兩個串行口，可以分別用來控制 GPS15L 模塊和 MC35 模塊，與它們進行通信，而且片內(nèi)有 4k 的 EEPROM，可以用來存儲歷史數(shù)據(jù)和監(jiān)控中心的指令等。 ATmega128 具有如下特點： 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有在寫的過程中還可以讀的能力，即 RWW)、 4K 字節(jié)的 EEPROM ， 4K 字節(jié)的 SRAM 、 53 個通用 I/O 口線、 32 個通用工作寄存器、實時時鐘 RTC 、 4 個靈活的具有比較模式和PWM 功能的定時器 /計數(shù)器 (T/C)、兩個 USART 、面向字節(jié)的兩線接口 TWI 、 8 通道 10 位 ADC(具有可選的可編程增益 )、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、 SPI 串行端口、與 IEEE 規(guī)范兼容的 JTAG 測試接口 (此接口同時還可以用于片上調(diào)試 )，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式?？臻e模式時 CPU 停止工作，而SRAM 、 T/C 、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基準(zhǔn)，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ADC 噪聲抑制模式時 CPU 和所有的 I/O 模塊停止運行，而異步定時器和 ADC 繼續(xù)工作，以減少 ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲； Standby 模式時振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展 Standby 模式則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。 器件是以 Atmel 的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) ISP Flash 可以通過SPI 接口、通用編程器，或引導(dǎo)程序多次編程。引導(dǎo)程序可以使用任何接口來下載應(yīng)用程序到應(yīng)用 Flash 存儲器。在更新應(yīng)用 Flash 存儲器時引導(dǎo) Flash 區(qū)的程序繼續(xù)運行，實 現(xiàn) RWW 操作。通過將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個芯片內(nèi)， ATmega128 為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案 AVR單片機的體系結(jié)構(gòu) AVR 單片機的體系結(jié)構(gòu)具有如下特點： （ 1）在指令方面，它是 RISC 指令的單片機，并且指令系統(tǒng)的向上兼容性做的很好。 指令 采用采用了兩級 流水線結(jié)構(gòu)可以在一個周期內(nèi)同時完成一條指令的執(zhí)行和下一條指令的取指。最大限度地提高了每一個內(nèi)部時鐘周期的效率。 具有 高速的指令執(zhí)行時間， 16 MHz 時鐘情況下達到 160 ns，即四個時 鐘周期執(zhí)行一條指令， 在單周期內(nèi)可以對 I/O 口的任一位直接進行位操作。 （ 2）在硬件結(jié)構(gòu)方面，它采用的是 哈佛 (Harvard)雙總線結(jié)構(gòu) 。 其存儲結(jié)構(gòu)是基于哈佛雙總線概念，數(shù)據(jù)和指令傳輸總線完全分開以避免出現(xiàn)典型的普通 總線流量限制的瓶頸問題， 圖 6 顯示了兩種總線 結(jié)構(gòu) 不同。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 28 C P U數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器程 序與 數(shù)據(jù) 存儲 器C P U哈 佛 結(jié) 構(gòu)普 林 斯 頓 結(jié) 構(gòu) 圖 6 兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖 傳統(tǒng)的馮．諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機是在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù) (即普林斯頓結(jié)構(gòu) )，兩者不能同時進行，故限制了工作帶寬。而在哈佛結(jié)構(gòu)的計算機中，指令和數(shù)據(jù)空間是 完全分開的，一個用于指令，另一個用于數(shù)據(jù)。由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進行訪問，所以提高了數(shù)據(jù) 吞吐率。而且，數(shù)據(jù)總線與程序總線的獨立也使得總線的寬度可以不一樣，程序總線和數(shù)據(jù)總線具有不同的寬度。 單片機系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計 在進行電路的總體設(shè)計時，主要考慮到各個部件的擺放，空間的節(jié)省等問題。在電源方面強調(diào)了電壓的穩(wěn)定性，著重減小電壓的波動，以避免 MC35 模塊錯誤的關(guān)機。為了增加串口通信的穩(wěn)定性，單片機選擇了 的晶振，這樣在串口設(shè)置波特率時不會產(chǎn)生波特率的誤差。單片機系統(tǒng)的總體電路設(shè)計 如圖 7 所示： 圖 7 系統(tǒng)的總體電路圖 經(jīng)過實際電路的調(diào)試與完善， GPS 模塊與 MC35 模塊均工作正常，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的功能。 單 片 機 電源模塊 GPS15L 模塊 GSM 模塊 SIM 卡 電平轉(zhuǎn)換 電平轉(zhuǎn)換 控制啟動電路 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 29 本章小結(jié) 本章主要介紹了車載終端的硬件設(shè)計和各部分的工作原理和特點。在整個系統(tǒng)硬件的設(shè)計過程中，整體的掌握了系統(tǒng)的各個部分的功能以及它們在工作中各自的工作情況 ，并初步熟悉了各部分的指令格式 。在系統(tǒng)的調(diào)試過程中，把一個大系統(tǒng)分成若干的小系統(tǒng)，并分別對其調(diào)試和熟悉，以模塊化設(shè)計的思想進行設(shè)計和調(diào)試。結(jié)果證明，這 種設(shè)計和調(diào)試方法有助于熟悉和了解系統(tǒng)的各部分的工作原理和工作情況，提高了設(shè)計效率，最后完成了項目整體的硬件設(shè)計。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文 30 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件設(shè)計關(guān)系到系統(tǒng)運行效率和系統(tǒng)的使用壽命，也是非常重要和關(guān)鍵的一部分，系統(tǒng)軟件的正確設(shè)計才能保證系統(tǒng)的正確運行。本項目的軟件設(shè)計主要由下面幾部分組成， GPS15L模塊定位信息的接收程序， MC35模塊的短消息收發(fā)程序，單片機系統(tǒng)的主程序以及 EEPROM的歷史定位信息和監(jiān)控中心命令的讀寫程序。保證程序各個部分的正確運行，不相互沖 突，是本系統(tǒng)設(shè)計要保證的一個前提。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)各部分軟件的設(shè)計。 GPS模塊部分的軟件設(shè)計 GPS15L模塊的配置 GPS模塊在工作之前應(yīng)對其先進行配置，使其按期望的工作方式進行工作。首先，先將 GPS模塊的坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置為 WGS84坐標(biāo)系，因為這個坐標(biāo)系是比較通用的一個坐標(biāo)系，而且和我國的坐標(biāo)系統(tǒng)間的誤差也較小。然后，設(shè)置 GPS15L模塊的 NMEA0183信息的更新率為一秒鐘，即每一秒輸出一次定位信息。最后，將 GPS15L的輸出語句設(shè)為推薦的定位信息，即 $GPRMC語句，并將波特率設(shè)置 為 19200。需要注意的是如果設(shè)置的輸出語句過多，波特率就不能設(shè)置的太低，否則將不能保證 NMEA0183信息每秒一次的刷新率，可能會出現(xiàn)設(shè)置為 NMEA0183信息每秒一次的刷新率，而實際輸出卻是NMEA01