1871.车载GPS终端的设计.doc

车载GPS终端的设计1.整体设计框架1.1 GPS车载终端的硬件系统组成：ARM处理器：采用ST公司的基于STR710FZ2T6的主芯片；存储器部分： 包括一片SRAM芯片，一片Flash芯片；接口： 包括一个JTAG调试口，两个串行端口；串行端口分别接GSM/GPRS和GPS模块；键盘、LCD接口。硬件模块功能简介：中央控制模块中央控制模块由MCU（基于ARM7）加OS（UC/OS-II）及控制电路组成，负责对车辆数据信息及监控中心的相关命令的处理。GPS接收机采用GPS接收模块（产品以及型号待定），用于接收相关卫星的定位信号，以确定车辆现时刻的位置数据信息，如经纬度，时间等，交由中央控制模块处理。GSM通信单元采用GSM模块（产品以及型号待定），用于负责将中央控制模块传递来的车辆数据信息发送给监控中心，同时将所接收到的由监控中心发送来的命令转送给中央控制模块。外接设备由液晶显示器和键盘组成，形成一个人机交互的平台。通过显示器显示车辆的信息，通过键盘实现对系统的控制。1.2 车载终端应用程序设计GPS车载终端的应用程序主要功能：GPS数据处理利用系统中的GPS模块，获取车载终端的位置信息，每隔一定时间向处理器发送报文信息。软件接口协议采用美国的NMEA0183 ASCII码，协议内容包括定义经纬度，速度及卫星星历等信息。GSM/GPRS通信GSM通信部分通过使用GSM模块向中心发送车载位置信息，同时接收监控中心发来的调度及控制信息，利用GSM模块的指令集来实现上述功能的实现。2. STR710FZ2T6芯片的外围连接图2.1 STR710FZ2T6芯片的外围连接（可放大改图便于观察）如上图所示，需要设计的是：1） 系统电源。2）EMI外扩：256K×16 SRAM；1M×16 NOR Flash。3）2个RS232异步串行接口（UART2、UART），分别接GPS、GSM模块。4）一个图形液晶显示器：SMG240128A 。5）20脚JTAG调试接口（高速程序下载、调试，并支持Flash烧写）。6）4个按钮（控制LCD的工作状态）。7） 1个复位按钮（RESET）。8） 1个唤醒按钮（WAKE-UP）。9）1个LED指示灯。10) BOOT模式配置用于配置启动模式（决定系统复位时从何处引导，可以选择片内Flash、RAM、片外存储器）。BOOT ENBOOT1（B1）BOOT0（B0）模式启动内存映射说明0任意任意用户片内Flash映射到0地址n 系统从片内Flash开始运行100101系统存储器系统存储器映射到0地址n 系统从出厂前预装的引导程序开始运行n 时钟被冻结110RAM片内SRAM映射到0地址n 系统从片内SRAM开始运行n 实验室开发用111外部存储器外部存储器映射到0地址n 系统从片外存储器开始运行（对于该开发板而言为片外Flash）11）IAP使能GPIO的P1.8用于使能IAP程序。当片内Flash内烧写了随板提供的IAP程序时，可将JP8短接以在复位时激活IAP功能（须将启动模式配置为从片内Flash引导）。3. GPS接收机通常GPS 接收OEM 板主要由GPS 接收天线、变频器、信号通道、数字信号处理器、存储器、串行通信接口以及电源等部分组成。在加电启动完成初始化之后，将自动从天线接收来自GPS 卫星发送的射频信号，经滤波放大、下变频、相关、混频等一系列处理过程，然后通过并行通道完成对其视界内几何位置最佳的数颗卫星的连续跟踪，并测量出信号从卫星到接收天线的传播时间，从而解译出GPS 卫星所发送的导航电文，进而计算出经度、纬度、海拔高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息。因此，GPS 接收板只要处于工作状态就会源源不断地接收并计算出的GPS 导航定位信息，并通过串口传送给外部的嵌入式计算机系统进行信息提取处理。     我们采用Lassen SK II GPS模块，其为天宝公司为嵌入式应用而设计的OEM 产品, 它是著名 的GPS Lasssen 系列产品的一种。它的主要优点：           耗电量<0.5W           RF技术的创新代           -40至+85下的高可靠性能Lassen SK II模块为需要体积小巧、功能强大、低功耗、高性能的GPS系统集成商提供了方便。Lassen SK II模块利用最先进的芯片技术, 可以提供更可靠的RF性能。运用天宝Colossus ASIC的RF前端紧密集成设计将部件数减少了25%，耗电量减至小于0.5瓦。  Lassen SK II 模块运用天宝的8通道技术,  能够快速启动, 并在零下40度至零上85度温度下拥有可靠的性能。该模块结合了天宝软件的成功经验，可以在由于地形、植物和建筑等因素致使卫星信号微弱的地区输出高精确度的位置数据。 Lassen SK II 模块具有差分微分功能, 可进行高精度定位。       用户可以配置I/O串口,这意味着更大的灵活性和更快的集成速度。用户可以选择三种数据协议从而使配置能力最大化。任一个串口都可以设置为TSIP(天宝标准接口协议), 二进位数据协议对系统操作做完全控制,使用简便的TAIP(天宝ASCII码接口协议), 对于追踪使用或是输出标准NMEA GPS数据信息都非常理想。 接收机出厂时就带有用TSIP输入和输出的原始通信口。 第二个口输出标准的NMA-0183数据信息并且能够接收RTCM SC-104差分改正数据，可达到2米DGPS精度。配件: GPS天线:紧凑型 ,有源微补天线, 带5米电缆和磁头. 1.65”x 1.99”x 0.55”(42mm x 50.5mm x 3.9mm) 硬头天线:图3.1 与Lassen SK II 模块配套的天线Lassen SK II 模块的系统连接示意图：图3.2 Lassen SK II 模块系统连接图接口引脚信息描述：表3.3 Lassen SK II 模块引脚描述GPS 板主要用于二次开发，提供的接口中通常包括：（1）接收天线ANT：可使用无源或有源接收天线；（2）秒脉冲PPS：每秒钟输出一个脉冲，用于精确授时。可以与嵌入系统的外部中断请求信号相连；（3）串行输入信号(RXD)：同嵌入系统串行数据输出信号相连；（4）串行输出信号(TXD)：同嵌入系统串行据接收信号相连；（5）电源VCC：供电电源；（6）接地GND.针对于本设计，我们采用UART1实现数据的传递,把Lassen SK II 模块的串口1与MCU的UART2通过电平转换芯片相连接。图3.4 GPS模块连接示意图4. GSM系统采用移动通信的一项重要增值业务的SMS(短消息服务)，因其自推出以来，由于它具有快捷、方便、费用低、存储转发等优点，得到了迅速的发展。本课题正是利用MCU与GPRS模块将手机的短信收发功能和嵌入式系统的管理功能结合起来，设计一个基于串口通信的短消息通信平台。4.1 短消息通信平台的总体设计4.1.1 平台的功能分析根据平台的功能实现，可以将此基于串口通信的短消息通信平台从整体上分为两个大的部分：底层的通信部分和上层的界面管理部分。此平台的总体功能结构如图41所示。 图4.1 短消息通信平台的总体结构设计4.1.2 底层的通信部分由上图可见，底层的通信部分是短消息平台实现收发短信的基础，底层的通信部分包括串口通信/AT指令、PDU编码及解码等功能模块。底层的通信部分的功能需求分析：实现MCU与手机模块的串行通信，从而实现短消息通信平台与监控中心的数据及控制信息的交互；利用AT指令通过串口实现对手机模块的各种控制，以实现短消息的发送、读取等功能；对短消息内容、手机号码、SMSC（短消息服务中心）等进行编码，并形成PDU串以发送短消息；读取短消息时对PDU串进行分解和解码。底层的通信部分发送短消息的功能结构如图42所示，读取短消息的功能结构与之类似，只不过对应的是PUD串的分解和解码。 图4.2 底层通信部分发送短消息的功能结构示意图4.1.3 上层的界面管理部分（1）串口设置：选择COM端口、设置波特率、数据位、奇偶校验等参数，打开和关闭串口等。（2）发送短消息（3）读取短消息4.2 GSM某块的简介   我们选用TC35，其为Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。模块的工作电压为3.3 5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W（900M）和1W（1800M）。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。 4.3 外围应用电路     TC35模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。TC35共有40个引脚，通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连接。 4.3.1 电源及启动电路     电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分：充电电池主要为整个系统提供3.6V工作电电压，同时产生MAX232所需要的高电平；TI公司的三端电源模块UA7806将外部12V直流电源转换为6V，连到ZIF连接器的11、12引脚，在充电模式下，为TC35提供6V、 500mA的充电电压。     启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电10ms后(电池电压须大于3V)，为使之正常工作，必须在15脚(/IGT)加时长至少为100ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1ms。启动后，15脚的信号应保持高电平。4.3.2 数据通信电路     数据通信电路主要完成短消息收发、与MCU通信、软件流控制等功能。TC35的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-T RS-232接口电路标准，工作在CMOS电平(2.65V)。数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300bps115kbps的波特率下运行，支持的自动波特率为4.8kbps115kbps（14.4kbps和28.8kbps除外）。数据通信电路以MAX232芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能。  4.3.3 语音通信电路 （可选）    由于TC35的GSM基带处理器内集成了音频滤波、ADC、DAC、语音合成等部分，所以模块语音接口的外围电路连接相对简单。TC35有两个语音接口，每个接口均有模拟麦克输入和模拟耳机输出。为了防止从麦克风和耳机导线引入高频干扰，影响TC35的正常运行。设计电路时，在麦克风、耳机、以及手持听筒的插孔处都接有电感。此外，考虑到静电保护的因素，所有语音信号输入端都通过电容与GND耦合。电路连接如下图：（可以通过”Ctrl”+”鼠标滑”轮来改变上图的大小便于观察清楚）图4.1 语音通信电路4.3.4 SIM卡电路 基带处理器集成了一个与ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口连接到主接口(ZIF连接器)。TC35在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚。4.3.5 整体的硬件连接示意图图4.2 GSM硬件系统原理图5. GPS 车载终端软件开发5.1 系统软件总体结构系统软件包括对系统的初始化、对 GPS 接收板的数据解码、对 TC35 GSM 模块的控制、对实时时钟的读取和校正、对报警的处理、对 LED 显示及键盘修改参数等等。其中系统初始化包括对MCU的初始化、GPS OEM 板的通讯初始化过程、GSM 模块的初始化、实时时钟（RTC）的初始化、LED 显示模块的初始化等。程序的整体流程是系统上电后首先初始化，系统的初始化首先对MCU进行初始化设置，MCU 与 GPS OEM 板的通讯初始化，外部控制标志位和 LED显示屏的初始化等。以上初始化结束后用定时器延时5至7秒，以等待 TC35 模块自检结束。当其自检结束后，再对 TC35 模块进行初始化，内容主要有检查模块内有无 SIM 卡、检查当前 SIM 卡的网络运营商、设置相应的短消息服务中心、初始化短消息为文本格式、删除已经存在的短消息等等。系统初始化流程图如图5.1 所示：图5.1 系统初始化流程系统初始化结束后，MCU 便进入正常工作状态。其 UART2 串口接收 GPS 接收板的信号，UART3 串口实现与 GSM 模块的通信使得能收发短信。MCU 通过时钟芯片每秒钟的中断读取其时间，并在LED上显示当前的经纬度和时间等信息。5.2 GPS 接收机的数据提取系统的 MCU 通过 UART2接收 GPS 接收板传来的导航电文，GPS 接收板有两个串口，主串口是传送定位数据的，辅助串口是接收差分数据的，UART2 是与其主串口连接。GPS 接收板输出的每一条导航电文中包含了 28 条 ID 号不同的消息或报文，其中基本定位信息输出消息的 ID 号为 1000，在接收导航电文时，首先要找寻导航电文的消息头，之后再寻找 ID 号为 1000 的报文，从中提取经纬度、速度、有效卫星数和时间等信息，然后将这些数据进行处理。其导航电文的输出间隔默认为 1Hz，即每秒输出一次。在对消息头和消息报文的接收过程中，都要计算其所有接收字节的补码作为校验码与消息末尾的校验字进行比较，如计算得出的校验码与接收到的校验字不同，则表示该条消息输出有误或者接收有误，则需要重新查询该条消息。从导航电文提取的经纬度都是以弧度为单位，而一般监控中心的矢量化好的电子地图的经纬度都是以度为单位的，所以需要转换为以度为单位送本地显示模块显示和发送至监控中心。提取的速度单位是米/秒，需要转换为公里/小时送显示和发送。提取的时间信息，是精确的格林威治时间，所以要调整为北京时间后，再对时钟芯片校时和发送至中心。导航电文接收程序的流程图如图5.2 所示：图 5.2导航电文接收流程图5.3 实时时钟模块的控制STR710F系列MCU实时时钟(RTC)提供一组连续运行的计数器，这些计数器由低功耗的32kHZ的振荡器驱动。RTC可作为通用的基准时间（timebase）使用，也可用于时钟、日历或报警。使用时，对其初始化设定其初始时间、方波输出频率和数字格式等，之后其就可以自己运行时间并保持数据。MCU 每秒读取一次时钟芯片的各个时间位寄存器并送LED 显示。当 MCU 得到 GPS 板输出的时间信息，并保证获得解码数据信息是正确有效时，将实时RTC非更新周期内将年月日时分秒分别写入相应的时钟寄存器内，实现了校时。程序中RTC校时过程流程图见图 5.3 所示：图5.3 校时流程图5.4 TC35 GSM 模块的控制硬件上MCU是通过MAX232 接口与 TC35 模块进行通信，而在软件上则通过国际标准 AT 指令对 TC35 模块进行控制，达到我们所希望的结果。AT 命令集是从 TE（Terminal Equipment）或 DTE（Data Terminal Equipment）向TA（Terminal Adapter）或 DCE（Data Circuit Terminating Equipment）发送的。通过TA，TE 发送 AT 命令来控制 MS（Mobile Station）的功能，与 GSM 网络业务进行交互。用户可以通过 AT 命令进行呼叫、短信、数据业务、传真等方面的控制。程序中对 GSM 模块的操作使用到的 AT 指令主要有以下一些：1). AT+COPS 选择运营网络商2). AT+CMGF 选择消息格式3). AT+CSCA=”+8613871057246” 设置短消息中心地址4). AT+CNMI 新消息提示5). AT+CMGR=N 为读取第 N 条短消息6). AT+CMGS 发送短消息7). AT+CMGD=N 删除第 N 条短消息8). AT+IPR 为串口控制命令，为改变 DTE 波特率车载移动终端的 TC35 GSM 模块的数据处理流程图如图 5.4 所示：图 5.4 TC35 模块数据处理软件流程图当车载移动终端收到监控中心的短消息后，GSM 模块就向MCU 发出一条AT 指令：CMTI：“SM”, ？，来指示已经收到了一条新的短消息，我们读取该条短消息，并将消息内容与所规定的通信协议中的消息格式进行比较，如果相同，则查看消息中车辆 ID 是否与本车相同，不同则不作处理直接删除，相同则查看短消息控制命令的内容，主要是车载终端回传短消息数据的时间间隔，进行循环发送，发送次数也由控制命令决定。或者监控中心发出控制命令使车载终端停止发送短消息。当车载终端触发报警时，外中断服务程序在进行按键抖动处理后，确定确实是有按键触发报警后，再判断是故障报警还是警情报警，并根据此来设置报警标志位，之后车载移动终端主动向监控中心发送 2 次短消息，间隔为 5 秒。如果是警情报警同时使用 ATD 拨号指令对监控中心请求拨号连接，中心再根据具体情况进行操作。当向 TC35 模块发出 AT+CMGS“13XXXXXXXXX”后（其中号码为监控中心的 GSM模块的手机号码），TC35 模块会通过串口返回“>”字符，程序在检测到了该字符后就可以将需要发送的短消息内容写入 GSM 模块，消息的末尾要加上 Ctrl+Z(其 ASCII码为 0x1a)，这样 TC35 模块就能正确的将该条短消息发送出去。对于短消息发送模式来说，本系统既可以选择 TEXT 文本模式（即设置AT+CMGF=1）,也可以设置为 PDU 模式（即设置 AT+CMGF=0）。TEXT 模式发送方便，只需直接将数据转换为 ASCII 码进行发送，为了避免误码，系统中采用校验和检验，即将所有发送的数据之和取补码作为校验字在数据末尾发送，中心接收后也计算校验和并与接收到的校验字比较，相同则认定数据有效，不同则是传输错误丢到该条信息。而如用 PDU 模式发送的话，对要发送的定位数据不需经过处理就可以直接打包转发，码字长度较短而使信道占用时间较短，这对于多车辆监控是有利的，而且在 PDU 模式下，监控中心也可以接收中文短消息，而在 TEXT 模式下则不能。由于 TEXT 模式以 ASCII 码传输信息非常便于系统的调试和检验，如利于与监控中心调试时用串口操作工具接收检验效果等，所以我们的做法是先通过该模式将系统的短消息链路调通，在实际的应用中通过 PDU 编码发送。5.5 LED 显示模块的控制SMG240128A 型LED 显示模块由显示屏和键盘两部分所组成。屏幕的点阵数为240 列×128 行，黑色字/白色低，STN液晶屏，内嵌控制器为东芝的T6963C,外部显存为32KB。液晶模块上有LED背光，使用5V供电。LED 显示模块的显示的流程图如图 5.5 所示：图5.5LED 显示模块的显示的流程图在对模块的操作中，必须首先读取状态字寄存器的内容，判断状态之中的“忙”状态标志，在“忙”标志为 0 时方可对其进行操作。在开机后显示屏显示的内容是各个主要模块的工作状态，即测试页面，当所有模块的状态都显示 OK 后方可跳过该页显示下一页，显示的内容有时间、经纬度、速度、当前卫星数，广播信息等。其初始化操作要设置起始行指令数，然后写控制命令开显示在判断其中“忙”状态后要清屏处理，然后调字库内容显示。LED 的控制键盘设计了 4 个按键：分别为上键，下键，设置键，确定键。通过外部中断，先去抖动再判键值实现键盘的控制，按键的功能分别为：1）上键：在显示模式下，当前光条上移；在设置模式下，当前闪烁的设置项内容加一个单位并进入修改模式；在修改模式下，当前闪烁的设置项内容加一个单位；在确定模式下, 当前光条上移。2）下键：在显示模式下，当前光条下移；在设置模式下，当前闪烁的设置项内容减一个单位并进入修改模式；在修改模式下，当前闪烁的设置项内容减一个单位；在确定模式下, 当前光条下移。3）翻页键：在显示模式下，当前光条下翻一页；在其他模式下，无反应。4）确定键：在显示模式下，进入设置模式，当前光条选中设置项内容将反白；在设置模式下，进入显示模式；在修改模式下，将进入判定模式；在判定模式下，若选择“是”，则确认修改。若选择“否”，则取消修改。图5.6 LED控制键原理图