基于GPS//GGPPRRSS車載終端的設(shè)計與實現(xiàn)

中國電子科技集團公司第二十研究所 李軍煥

一、引言

隨著計算機、信息和通信技術(shù)的發(fā)展，人們致力于利用新技術(shù)來提高車輛的快捷性和安全性，其中車輛監(jiān)控系統(tǒng)作為新技術(shù)的典型應(yīng)用受到更多的重視，在車輛監(jiān)控調(diào)度和汽車安全服務(wù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。車輛監(jiān)控系統(tǒng)通常由車載終端、無線數(shù)據(jù)鏈路和監(jiān)控中心構(gòu)成，車載終端安裝在受控車輛上，是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

本文簡要介紹了車輛監(jiān)控系統(tǒng)的功能和組成，重點描寫了車載監(jiān)控終端的設(shè)計思路，方案采用GPRS與GPS技術(shù)相結(jié)合，安全高效地實現(xiàn)了移動車輛與監(jiān)控中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對受控車輛的監(jiān)控管理。

二、車輛監(jiān)控系統(tǒng)

車輛監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是對移動車輛進行實時定位跟蹤、調(diào)度、安防服務(wù)、遠程狀態(tài)查詢等，通常由車載終端、無線數(shù)據(jù)鏈路和監(jiān)控中心構(gòu)成，車載終端和監(jiān)控中心通過無線數(shù)據(jù)鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸。車載終端設(shè)備安裝在受控車輛上，利用GPS模塊獲取車輛當前位置和速度數(shù)據(jù)，通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送車輛數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心的服務(wù)器。監(jiān)控中心接收到車輛數(shù)據(jù)后，通過數(shù)字化地圖數(shù)據(jù)庫進行車輛位置地圖匹配，在數(shù)字化地圖上顯示出目標車輛的位置和運行軌跡，同時監(jiān)控中心也可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令給車載終端，車載終端解釋并執(zhí)行指令。典型的車輛監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

全球定位系統(tǒng)GPS可以為地面用戶提供精確的位置、速度和時間信息。通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS采用分組交換技術(shù)，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)資源利用率高，使用費用低，具有及時快捷的連接速度。

三、車載終端的設(shè)計

1. 系統(tǒng)設(shè)計

車載終端是車輛監(jiān)控系統(tǒng)中關(guān)鍵的組成部分，是對移動車輛實施監(jiān)控的載體，主要功能包括：實時讀取GPS數(shù)據(jù)，計算當前車輛位置和速度數(shù)據(jù)；通過GPRS模塊實時發(fā)送車輛位置、速度和狀態(tài)數(shù)據(jù)；接收到的短消息內(nèi)容顯示；車輛位置和狀態(tài)顯示；執(zhí)行監(jiān)控中心安防和調(diào)度指令（如對車輛斷電）；緊急情況報警；行車軌跡記錄等。

系統(tǒng)設(shè)計采用32位ARM9核RISC微處理器S3C2410，具有低功耗、高性能和體積小的特點，能滿足車載終端的系統(tǒng)需求。GPS系統(tǒng)模塊選用GARMIN公司的GPS15 L/H模塊，該OEM板為12通道，可同時跟蹤12顆GPS衛(wèi)星，數(shù)據(jù)更新速率為每秒一次，具有低功耗、高靈敏度和高精度特點。GPRS模塊使用Motorola公司的G20模塊，是一款雙頻900/1800MHz高度集成的GSM/GPRS模塊，內(nèi)嵌TCP/IP棧，支持語音和數(shù)據(jù)通信，具有體積小，通信速率快等優(yōu)點，并配置了完善的AT指令。操作系統(tǒng)選用NUCLEUS，其內(nèi)核為實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有穩(wěn)定可靠、實時、多任務(wù)和便于移植的特點，支持的CPU種類豐富，由其負責硬件的初始化和設(shè)備管理，調(diào)度和控制系統(tǒng)功能任務(wù)，提供應(yīng)用功能接口等。

2. 硬件設(shè)計

車載終端硬件主要由控制模塊（CPU）、GPRS模塊、GPS模塊、存儲模塊、顯示模塊、JTAG（聯(lián)合檢測）模塊和電源模塊組成，車載終端硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

控制模塊是車載終端的核心部件，選用三星公司ARM920T核的微處理器S3C2410，該處理器擁有獨立的16KB指令緩存和16KB的數(shù)據(jù)緩存，支持TFT的顯示控制器，提供觸摸屏接口，內(nèi)置外部存儲器控制器，提供3路通用串行端口UART，2通道SPI以及I2C，I2S總線接口，多達117個通用I/O口，56個中斷源，內(nèi)部提供實時時鐘，最高可運行在203MHz，16/32位的RISC體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計用于手持和通用嵌入式系統(tǒng)，支持基于JTAG的系統(tǒng)調(diào)試，完全能滿足車載終端的系統(tǒng)需求，并可根據(jù)不同功能需求進行功能擴展。UART0連接GPS模塊，UART1連接GPRS模塊。

GPS模塊的精度決定了車載終端的工作精度，通過對多種GPS模塊的功能和性能比較，選用GARMIN公司生產(chǎn)的并行12通道GPS模塊——GPS15L/H，可同時跟蹤12顆GPS衛(wèi)星，數(shù)據(jù)更新速率快，DGPS實時差分精度高，通過RS232標準串行口與處理器連接。

GPS15 L/H的特性：

⊙ 12通道衛(wèi)星接收機，接收靈敏度最小可達-165dBm。

⊙ 數(shù)據(jù)更新的速率為1秒一次，丟星后重新捕獲時間在2秒內(nèi)，熱開機時間約為15秒，冷開機約為45秒。

⊙ 定位精度小于15米，差分精度小于5米。

⊙ 低功耗，功耗小于200毫瓦。

⊙ 通過RS232輸出NMEA0183格式的定位數(shù)據(jù)。

⊙ 體積小，重量輕。

⊙ 工作溫度范圍廣，為-30℃～80℃。

GPR S模塊負責車載終端和監(jiān)控中心直接的通信，選擇使用Motorola公司的G20模塊，是一款雙頻900/1800MHz高度集成的GSM/GPRS模塊，內(nèi)嵌TCP/IP棧，支持語音和數(shù)據(jù)通信，體積小，通信速率快，并且具有一定的抗震性，工作溫度最高可達60℃，并配置了完善的AT指令，通過RS232標準串行口與處理器傳輸數(shù)據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)需要，選用型號為K9F2816U0C的16MB FLASH作為存儲空間，用來存儲系統(tǒng)和應(yīng)用程序，選用型號為K4S281632的16MB的SDRAM作為運行內(nèi)存，可以選通用的標準顯示屏，設(shè)計選用了型號為LQ065Y5DG02的SHARP數(shù)字LCD顯示屏，顯示規(guī)格為320×240，JTAG用來開發(fā)和調(diào)試系統(tǒng)。

3. 軟件設(shè)計

車載終端軟件包括啟動引導程序（Bootloader）、操作系統(tǒng)（Nucleus PLUS）和應(yīng)用程序三部分。引導程序存儲在FLASH的低地址空間，設(shè)備加電后首先運行，完成關(guān)鍵硬件設(shè)備的初始化，主要是處理器和SDRAM，建立內(nèi)存空間映射，并從存儲空間加載操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)到運行內(nèi)存。然后把CPU的控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)啟動應(yīng)用程序的運行。應(yīng)用程序完成車載終端應(yīng)用軟件的功能。應(yīng)用程序軟件根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計了三個任務(wù)來實現(xiàn)，三個任務(wù)設(shè)計為非搶先方式，按時間片輪轉(zhuǎn)的FIFO方式運行，各任務(wù)的功能說明如下。

（1）主控任務(wù)。具有最高優(yōu)先級，負責控制和調(diào)度應(yīng)用軟件整體運行，完成車輛位置和狀態(tài)顯示，處理下行指令和系統(tǒng)錯誤。啟動時完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化；調(diào)用驅(qū)動軟件功能接口，給外接設(shè)備上電，完成設(shè)備初始化；啟動其他兩個功能任務(wù)的運行；監(jiān)測軟件系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在出現(xiàn)運行異常時，提供錯誤恢復機制；系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示等功能；讀取系統(tǒng)下行指令數(shù)據(jù)棧，如果有下行指令則執(zhí)行相應(yīng)指令功能。主控任務(wù)運行流程圖如圖3所示。

（2）GPS任務(wù)。具有次高優(yōu)先級，負責通過UART0實時接收GPS數(shù)據(jù)，監(jiān)測串口1是否有數(shù)據(jù)，讀取串口數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)校驗，對正確數(shù)據(jù)幀按照NMEA0183格式解析，并把解析得到的當前車輛位置和速度數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)緩存。

（3）GPRS任務(wù)。具有次高優(yōu)先級，通過UART1和監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)通信，監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)是否更新，包括車輛位置、速度數(shù)據(jù)和車輛工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，如果更新則立即發(fā)送新數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心。監(jiān)測串口1是否有下行數(shù)據(jù)，接收來自監(jiān)控中心的下行數(shù)據(jù)，并按照數(shù)據(jù)協(xié)議解析，把解析結(jié)果寫入下行指令數(shù)據(jù)棧中。

四、結(jié)束語

本文針對當前車輛監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展狀況，簡要介紹了車輛監(jiān)控系統(tǒng)的功能及組成，提出了基于GPS和GPRS技術(shù)的車載監(jiān)控終端的設(shè)計方案，詳細描寫了方案的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計思路，在具體工作中，可在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行完善和擴充，以滿足不同產(chǎn)品的功能需要，隨著第三代移動通信技術(shù)（3G）的發(fā)展，相信該系統(tǒng)將有廣闊的應(yīng)用前景。

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