基于ＧＳＭ網絡的公交導航系統設計

[摘要]本文主要基于GPS的車載信息系統終端涉及GPS定位技術、計算機科學技術、GSM/GPRS無線通信技術和電子技術，在汽車上實現GPS數據的接收和記錄，利用GSM/GPRS網絡的數據傳輸功能，實現移動車輛與監控中心的雙向數據傳輸，對車輛進行跟蹤和遠程監控。

[關鍵詞]GPS GSM/GPRS 公交定位 ARM處理器

一、引言

近幾年來，隨著城市中車輛的增多，以及由此產生的交通堵塞、環境污染等問題日趨嚴重，各國都相繼出臺了相關政策法規要控制私家車數量，大力發展城市的公交系統，這使得公交車輛定位導航系統越來越成為人們關注的焦點。本問將圍繞這一焦點問題，在對GPS公交車輛定位技術和GSM移動通信技術進行充分研究的基礎上，設計與實現了一個基于GSM的GPS的公交車輛定位導航系統.

二、公交導航系統的總體設計目標

針對國內外車載系統的多種實施方案，本文采用基于GPRS的車載GPS系統作為公交監控系統中的車載部分。在GPS芯片的選擇上看，就當今的技術水來看，最成功的GPS接收器采用兩個芯片。盡管采用單芯片（單片電路）的產品也存在，但其性能卻無法與目前采用雙芯片的產品媲美。GPS部分采用Atmel的GPS芯片，ATR0601（LNA，低躁聲放大器）+ATR0610（射頻部分）+ATR6021（基頻部分）。GPRS芯片采用西門子工業級GPRS芯片MC35。車載系統中用于處理信號的CPU采用嵌入式處理器Intel XScale PXA250。該嵌入式處理器采用ARM7內核，集成LCD控制器、l2C總線接口單元、UART口以及多媒體通信單元等接口，使車載系統能集GPS定位、GPRS信息傳輸、自動報站等功能于一體。在選用SoC（system on chip，片上系統）的選用上，本系統采用Windows CE，對于應用程序開發者來說，Windows CE提供了Windows程序員熟悉的各種開發環境，如Microsoft Win32 API、ActiveX控件、COM接口、ATL和MFC。它們不僅有助于提高開發者的開發效率，而且有利與從其他Windows平臺上移植各種成功的應用程序。一個嵌入式系統是否穩定，電源的穩定起著重要的作用。車載電源是36V蓄電池，嵌入式芯片以及GPS、GPRS芯片需要5V、3.3V電壓，所以需要一個具有較強抗干擾能力的DC-DC降壓電源，考慮到車載環境有較強的電磁干擾，所以在嵌入式系統電路設計中要做好抗干擾設計，最后在LED顯示設計單元中，采用AT89C51控制芯片，以點陣漢字顯示方式將信息顯示出來。

三、公交導航系統總體結構設計

車載導航系統是結合衛星全球定位系統GPS對車輛進行實時監管、調度、控制的應用技術系統。主要完成的功能是實時接收GPS定位信息，并結合GSM技術，完成車輛信息管理、調度，提高車輛的使用效率和管理效率，并可實現報警等輔助功能。本系統由車載終端；通訊網絡；監控端三部分構成。如圖1所示。

在車載嵌入式導航系統里，有三個用戶事件：GPRS連接建立，定時發送GPS數據和用戶功能選擇。與車載嵌入式導航系統聯系的角色是：用戶和信息服務中心（如圖1所示）。下面就對這三個用戶事件進行詳細描述。

GPRS 連接建立：GPRS車載終端加電啟動后，嘗試調用終端內部存儲的IP地址和端口號，自動建立與信息服務中心的通訊聯系。如果用戶設置了新的信息服務中心IP地址或端口號，則重新建立與這個信息服務中心的通訊聯系。建立連接完成，顯示信息給用戶。定時發送GPS信息：車載導航終端正常工作后，自動定時獲取車輛GPS數據，向監控中心發送，以便監控中心實時跟蹤車輛位置。顯示功能選擇：如果管理者有按鍵輸入，處理管理者輸入，并將管理者的選擇和當時的GPS數據，發送給信息服務中心。同時，等待信息服務中心的處理結果，接收到處理結果后，則按一定格式在LED中顯示出來。

四、公交自動化系統車站部分硬件設計

1．時鐘和電源管理。

為了達到處理性能和能量消耗之間比例的最優化，用時鐘和電源管理器來控制不同模塊的時鐘頻率并處理不同能量管理操作模式之間的轉化。時鐘和電源管理器為每一個外設提供了固定的時鐘，并且為LCD控制器、存儲器控制器和CPU提供了可編程的頻率時鐘，這些時鐘均來自內部鎖相環時鐘源。時鐘管理器還可通過關閉不用設備的時鐘來減少功率損耗。

電源管理提供了四種工作模式：Turbo模式、運行模式、空閑模式和睡眠模式。Turbo模式下，CPU核運行在峰值頻率，為避免內核對外部存儲器的等待時間，在該模式下，很少對外部存儲器進行存取；運行模式下，CPU核運行于正常標準頻率，可以假定內核不斷地對外部存儲器進行存取，運行速率的減慢對于性能與功耗的最佳平衡是有利的；在空閑模式下，暫停到CPU的時鐘，但是使能到外圍器件的時鐘；睡眠模式下，整個系統將處于最低功耗狀態，要喚醒睡眠狀態必須重新啟動系統。

2．存儲器和PCMCIA/Compact Flash控制模塊。

PXA250處理器的外部存儲器總線接口支持同步動態存儲器（SDRAM）、同步和異步分頁模式段、頁模式閃存、同步掩碼只讀存儲器（SMROM）、頁模式ROM、SRAM、靜態段支持可變等待時間的I/O設備（VLIO）、16位的PC卡擴展存儲器和Compact Flash。存儲器的類型可通過存儲器接口配置寄存器決定。

3．外圍控制模塊。

PXA250處理器定義了16個通道的DMA控制器。它可響應內部和外部設備的請求，完成數據從主存儲器中讀出與寫入。DMAC用于外圍設備與存儲系統之間的數據傳輸。

4．電源模塊設計。

GSM MODEM的作用是把車載信息轉換成計算機、筆記本能夠識別的串口數據，從而實現系統的遠程監控，方便系統的管理。圖2所示為GSM MODEM的電路框圖，包括電源供電電路、IGT啟動電路、數據通信電路、SIM卡電路和指示燈電路，下面分別介紹這幾部分的電路構成和原理。

5．指示燈部分。

用SYNC引腳控制LED可以顯示出模塊的工作狀態。用AT指令可以設置SYNC的工作模式。具體連接電路如圖3-4所示。

LED的不同模式對應模塊的不同工作狀態：

·LED滅，MC35關閉或進入睡眠模式；

·6OOm s 亮6OOms滅，沒有插入SIM卡或者網絡在進行中搜尋，或者進行中的用戶驗證，或者網絡在進行登錄；

·75ms亮3s滅，表明MC35已登錄進網絡，處于待機狀態；

·LED亮，取決于呼叫的類型：聲音呼叫：連接間接關系人；數據呼叫：連接的參數的間接關系人或者交換，當安裝或者切斷一個電話時。

當SYNC為高時LED亮，為低時LED滅。

五、公交自動化系統車站部分軟件設計

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1．軟件總體設計。

管理者將待顯示的信息輸入主控計算機中，由計算機中的控制軟件把輸入的信息轉換成相應的數據，經微機串行接口發送到RS-232C數據總線上。通信轉換電路將RS-232標準的數據轉換成RS-485標準，以便進行遠距離傳輸。主控部分的通信接口接收到RS-485標準的信號后，將其轉換成CMOS電平信號存儲在緩沖區內。主控CPU識別控制命令及顯示數據并執行相應的操作。副CPU則從顯示緩沖區取出顯示數據發送給顯示單元。顯示單元接收到本單元的數據后，按照規定的頻率在本區域內獨立進行掃描顯示。副CPU分別定時從雙端口存儲器和溫度控制器中讀出時間值、溫度值，經查詢字庫后轉換成顯示數據送到顯示單元。

2．主CPU工作流程。

主CPU軟件流程如圖3所示。主CPU上電后首先確認是冷啟動還是熱啟動，如果是冷啟動，則在初始化過程中將各種標志位及內存清零，設定各種可編程控制寄存器；如果是熱啟動，則意味著是主CPU在受干擾處于非正常工作狀態后由看門狗電路復位而重新啟動的，在這種情況下則不能將內存全部清零，而應盡可能的恢復以前的工作狀態。

主CPU的程序在系統正常工作后首先查詢是否有存儲的顯示內容，如果有，則先將這些顯示數據調到雙口RAM的顯存中，供顯示屏顯示。其次還要查詢是否收到計算機發來的命令，當收到命令后，對命令進行解釋譯碼并執行相應功能，如初始化接收緩沖區、設置時鐘芯片等。

主沖，引起主CPU的一次中斷。主CPU響應外中斷INT1CPU負責整個系統時間的發布，每當時鐘芯片DS12887完成一次時間更新，都會產生一個脈后，就會讀取當前的全部時間信息，送至時間存儲區中供系統其它各部分使用。

六、總結

隨著無線通信網絡和各種車載電子設備的迅速發展，車載信息終端需要更高的處理能力，更快的數據傳輸速度，更豐富的接口和其它系統資源，傳統的單片機系列為核心的車載GSM終端已難于滿足要求。本文是在ARM處理器PAX250和嵌入式操作系統WIN CE的開發平臺上，通過采用32位ARM處理器不僅極大提升了系統的處理能力，而且獲得了豐富的硬件資源，從而能夠引入嵌入式操作系統完成復雜的系統功能。在此基礎上結合西門子MC35的GPRS模塊，為實現軟件空中升級，圖像傳輸等需要進行大量數據傳輸的功能奠定了基礎，不僅提高了無線數據的傳輸能力，同時還節省了通信費用。

參考文獻：

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［4］李經達.基于鎖存方式LED顯示屏的軟件設計.計算機應用研究，1995，4.43～51.

（作者單位：浙江理工大學機械與控制學院）