工程車輛車載GPS定位終端的設計研究

摘要:結合GPS/GPRS技術在定位和無線通信方面的優點，該文設計了一種應用于工程車輛的車載GPS定位終端。介紹了系統的組成和功能，著重闡述了系統的軟硬件設計。終端采用了嵌入式微控制器LPC2138，GPS以及GPRS無線通信模塊，具有穩定、可靠、低功耗，低成本的特點。終端實現了車輛信息的采集和精確的定位功能，達到了設計要求。

關鍵詞:GPS;GPRS;定位終端;嵌入式

中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)26-7526-02

Design and Research of GPS Positioning Terminal for Engineering Vehicles

ZHOU Nan

(School of Computer Science Technology， Soochow University，SuZhou 215006， China)

Abstract: An embedded mobile GPS positioning terminal set for engineering vehicles combined the advantage of both GPS and GPRS technology is introduced in this paper. System structure and function is presented， software and hardware design are described in detail. The mobile terminal set is stable， reliable， lower power consuming and cost saving due to the adoption of embedded MCU LPC2138， GPS and GPRS module. Experiment indicated that gathering of the vehicle working status and high-precision positioning tasks were well performed， system design requirement could be achieved.

Key words: GPS; GPRS; positioning terminal set; embedded

隨著車輛的增多，許多領域都提出了對移動車輛進行定位、跟蹤與監控的新要求。全球衛星定位系統的發展使得對移動目標進行實時定位和遠程監控調度成為可能。

本文針對工程車輛安保、計程、監控管理等需求，設計了GPS車載終端部分。本課題利用 GPRS/SMS移動通訊網作為通信媒介，利用GPS定位技術及計算機技術等手段，為工程車輛地理位置的監視、運輸過程的控制、各類信息的傳輸以及報警求助等方面的需求提供了可能。

1 系統的組成和功能

1.1 系統組成及工作原理

車載移動終端是車輛監控系統的前端設備，其基本功能是實現車輛定位及數據傳輸。主要由GPS接收機、處理器、無線通信設備組成。GPS接收機是車載單元基本的工作設備。其工作原理為GPS接收機采集定位數據，處理器解析數據并將定位信息和車輛狀態依據TCP/PI協議重新打包，然后通過GPRS通信模塊發往監控中心，完成車載單元的基本功能。車載單元的電源管理模塊負責監控和管理供電狀況，采用不同的供電策略。其他的諸如I/O接口、A/D接口以及智能監控單元負責和車控CPU及傳感器交互以獲得車輛的運行狀態。車載終端功能框圖如圖1所示。

1.2 系統功能

1) GPS定位，定位信息包括:時間、經度、緯度、速度、方向等;

2)遠程操控，監控中心可以對設備進行遠程操作;

3) 車輛信息采集，諸如夜位、水溫、電壓、油量等模擬量，顯示車輛運行狀態數據;

4) 數據存儲，車載終端內含FLASH，可存儲不小于一月的定位數據和車輛狀態信息;

5) 報警功能，當車輛出現異常、遭遇搶劫或偷竊時可自行發出警報并通知監控中心;

6) 電源管理功能，可對終端設備進行休眠或待機，自主切換電源，合理規劃用電策略，節約并延長電池電力和使用壽命。

2 硬件設計

硬件總體設計采用主從板的系統架構進行設計硬件。其中主控板主要負責車輛運行數據、實時定位信息的采集和處理，以及數據的無線通信等工作。從板主要負責人機交互，板間采用RS485總線進行雙向通信。

根據車載監控終端功能設計要求，本設計選用了ARM7微控制器，結合相關的外圍設備，對終端進行了板級集成。車載監控終端主要包括以下模塊。

2.1 處理器模塊

微控制器模塊的主要功能是對數據進行處理和對控制節點進行控制。其具體功能是:解析GPS數據;分析來自數據采集模塊的數據;采集CAN總線上的車輛信息;控制無線通信模塊的數據收發;控制人機接口。鑒于實時性要求，本設計選擇了飛利浦LPC2138單片機。它采用ARM7核，擁有著強大的計算能力，同時它擁有豐富的外圍接口，不僅利于產品開發，而且使得集成后的系統擁有很高的可靠性與穩定性。

2.2 GPS定位模塊

定位模塊的功能是接收并解算GPS導航電文，把得出的經緯度、時間和速度等信息，通過串口送給微控制器。本設計選用了臺灣LEADTEK公司的GPS9805模塊。該模塊尺寸小，熱啟動時間短，定位精度高，完全能夠滿足工程車輛在道路上的位置精度要求。

2.3 無線通信模塊

無線通信采用GSM/GPRS模塊，可以滿足一般的語音通話，短消息收發等功能，還可以利用GPRS網絡實現廉價、高速、高可靠性的數據傳輸。具體采用由SIMCOM公司的SIM300C型模塊。該模塊是即插即用型的三頻GSM/GPRS模塊，內置TCP/IP協議棧，對外提供統一的AT命令接口，便于新產品開發與系統集成。

2.4 數據采集模塊

數據采集模塊同樣也包括兩個子模塊:開關量采集子模塊和模擬量采集子模塊。這部分功能主要視具體的車輛類型以及接口形式而定，作為車載終端重要的組成部分，這一模塊目前已經存在于幾乎所有的車載終端系統中。

2.5 存儲模塊

GPS終端需要自動記錄保存設定天數的歷史數據，以便數據分析和管理，實現“黑匣子”功能。采用微控制器內部Flash在容量上難以滿足要求，因此必須外擴Flash。本主控板采用了128MB HY27UF081G2A型NAND Flash作為歷史數據的存儲器件，存儲容量與存儲速度能夠達到本車載終端實時記錄現場數據的要求。

2.6 復位控制電路

控制系統的復位，確保復位信號的穩定可靠，防止因干擾或其他因素引起的“錯誤復位”。同時，結合“看門狗”功能，對可能出現的程序“跑飛”或系統異常導致的死循環及時進行重啟，確保系統穩定可靠的運行。

2.7 電源管理模塊

電源管理模塊負責監控和管理供電狀況，采用不同的供電策略。此外，還負責終端設備的休眠或待機，節約備用電池電力，在車用電瓶拆除或電力不足的情況下自主切換至本身的蓄電池進行供電。車載終端的板級硬件結構如圖2所示。

3 軟件設計

軟件設計也劃分為不同的模塊，主要包括初始化模塊，電源管理模塊，數據解析模塊，車輛信息采集和處理模塊，輸出控制模塊，GPRS\\SMS通信處理模塊，復位與看門狗管理模塊。

軟件構架采取前后臺模式，包括主程序和一系列服務子程序。后臺運行的主程序是一個無限循環，它依次巡回運行上述的各個軟件模塊。前臺運行的是各類服務子程序，主要是中斷服務子程序，它們可以實時對命令進行響應，對數據進行處理，是整個軟件部分的實際執行機構。當中斷產生，如接收到GPS的定位信息或者發送寄存器空，程序會轉入相應的中斷服務子程序按照設定的方式進行處理。

設備加電之后，先延時5秒等待電路時鐘穩定，接著進行軟硬件初始化工作，硬件方面包括初始化主控制器及其片內外設，GPS模塊，GPRS/SMS模塊等，軟件方面包括讀取配置信息，設置參數和各類數據結構。

初始化之后即進入各功能模塊，按程序流程進行相關處理工作。首先是進行電源檢測，當檢測到供電電壓過低時，主控制器會控制外圍設備進入Power-Down模式，同時向監控中心發送供電不足的報警信息，之后系統進入休眠模式。同時，借助系統的定時中斷，主控制器會被間歇性喚醒，并重復上述過程。

然后是定位信息的采集和車輛狀態信息的采集模塊。它按照NMEA-0183協議采集來自GPS模塊的定位數據并進行解析，最終解算出正確的經緯度值。車輛狀態信息主要是通過對開關量或模擬量的采集以及對CAN總線上的數據進行解析而得，用于實時監控車輛的各部件是否正常。

接下來的是GPS車載終端GPRS/SMS通信處理模塊。一般情況下，終端通過GPRS網絡將定位信息和車輛狀態信息實時傳送到監控調度中心或將駕駛員的各項請求、報警、確認動作發送給監控調度中心;同時，系統也接收來自監控調度中心的各種命令，接收來自監控調度中心的差分GPS修正數據以提高本地GPS模塊的定位精度。在GPRS信號不好的時候，終端會通過SMS方式向監控中心發送數據;利用SMS還可以實現終端模塊對用戶手機間的雙向通信。

控制輸出模塊可看作是程序的執行機構，程序做出的種種“對外”決策和接收到的指令都可以在此得到執行。信號輸出的方式主要是通過開關量的形式。

看門狗模塊在程序“跑飛”時自動復位主控板，可以提高系統的可靠性。

4 結束語

本文針對工程車輛GPS車載終端進行了研究和設計，詳細地闡述了車載GPS終端的軟硬件設計。車載定位終端涉及定位、無線通信和嵌入式等多方面技術。本設計采用了當今廣泛應用的GPS技術，具有定位精確，全天候、全球定位的優點;微控制器采用ARM內核，具有豐富的片上資源，接口設計冗余大，易擴展;軟件分層次、分模塊進行設計，便于維護和更新，為配合硬件升級打下了基礎。目前該車載終端系統已投入實際運行，工作穩定，能精確的完成定位和人機交互任務。

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