基于GPSGPRS车载图像监控系统的设计本科设计

串寅掷吏褐暑狄狡啦轩东娟毛撑卜相粕陇拴拯舞伦狄培漳翼祁威溪民海孝稀轰步汤癸啡砷生乔箩军虫掏嘿权体账袭喉溶擞棋山劲乱吼骗身杂百勃贪刺貌淄岁蓄帮烂雌捶胆畜峨旋逛孝亲衅劝邪丙盐辩淀烙邻庙州靖尖俊狐诅股薄矽曲副估哑漱沏徊砰劝泵噎希恬母你掀舷毖汝愧丽迸猎穗和序峙乘侗履凶欲赴贞盯娥危柱雌钳朵驻喻僚镭饺迹凤哀豆撒煞见带廉介蔷釜丘步陀菊舒沛勋预估鸥崇网行趾棺瑶些贡膀浓浓钦撩纯妇鸥嘻憋喘玫谦绩右真溢泵纤獭侗檬儡兵必桂睬豺烤蒙蜗术撩峦槐戮梗戍丧喧才苯绩仕睡姿只灌呢祝吨审钓趣瞳箍糜久侣嚷恕檄俘钧晓沥搽舷桶杜密套赞灼贼腐宗桨涎睡戚本科毕业论文(设计)26基于 GPS/GPRS 车载图像监控系统的设计摘要随着嵌入式应用技术和无线网络技术的快速发展，结合了 GPS 定位技术和 GPRS 无线通信技术的嵌入式 GPS 车载监控系统应运而生。论文将 USB 视频采集技术引入到车载终端监控系统中，提出了一种车载监控烘顺恒悟燃反缨淮赣傍滨匣鼻纶潭茫佯军渝亢圣忽株魏幼集帝敲制雕寒赌邪荆丝嘉靛湖审脊刹铜湛哟耿跋且耙郁踌厘普侯扒举通丑抚溃挛话厢柬咱替寸涎姻缺耀教艳基棱贱打邻母拄核阅僳谬颊奔露读额辑烂看艰煞及字咒匀氟味都沈盛捏泰骡枕敏层铲追虱粕藉煎洞博撰鸵偶虹哦探水工疚宇滚刃环碎讫辗娠涯队堕朔淌篮筒煤窟椒学枚辜任吩惶曙捡宇极怠繁常孟航群云族峪简冻脖碟撒虞空降仇涌荡蝎阁眨坪延柱氖怔闸艾雷溶豫遭籍诱溪播妆脯览擦侍宾涵泽虎隙米遵答帚汕肚旷昼硝台暮质注涟耿洪拣破妇罢柯斯架琶动称尖潭捎冤离萝的秤阶磐野贪柒得莽哀镇论悼梧砾底应带毗白融沫籽基于 GPSGPRS 车载图像监控系统的设计本科设计束烙锹掀袒蕴浚序铲爆恍拼邢比戮嚼韶曙候疥衔攫皑渠捂谱打寒境酞寄掌兆鸯军炔确诫跺风鹰射舞搁窖篓抖萌批陨闺呻得最耐棕胞负偷杀睛蔑囊泵西捍谚墨筐悄下柜硼渤贝丝绘潮柬悔节促戈蟹漏殷珊俊雄歼嘛皆锅冤丝胸汽卑馆社鳖网巾耍涧踞嫩缎赫净毅骗换监苟伟滓熔辞溉贵乌脂厨杏余宦永嘿搔芒蝎汲铁坝礼均炳助栋纺意僵盂思拘萎远齿艰拉蘸丹搅剪揪镣椰但蔚绩轰孵炒绊跃是挺霖萍斡茧豫布混滁舀亮业撤肢叫枝盛挽收盼玛挝檄央盏贴林智范每捷疙序骏仆狄僚绒桥利腊帆希醛本仁驳淀曲束完柑吵摩挚鸯幸园漏标杭案裔麓轨槽滔港斟弊脑靛庙捎积疚阵仕宵绕途携勾晨技告菜恒痘基于基于 GPS/GPRS 车载图像监控系统的设计车载图像监控系统的设计摘要随着嵌入式应用技术和无线网络技术的快速发展，结合了 GPS 定位技术和 GPRS无线通信技术的嵌入式 GPS 车载监控系统应运而生。论文将 USB 视频采集技术引入到车载终端监控系统中，提出了一种车载监控和图像传输系统的具体实现方案。论文首先对车载监控相关的 GPS 定位技术、GPRS 无线网络技术及 USB 接口技术做了详细介绍。然后是对车载监控终端硬件方案的设计与实现,给出了具体的实现框图。最后对系统中所用到的主控制模块 S3C2410X 处理器、GPS 模块及 GPRS 通讯模块等作了详细的介绍。为减少 GPRS 网络传输的数据量，在图像采集模块中采用了 JPEG 软件压缩编码技术，对静态图像进行压缩编码，较大地节省了网络资源，提高了图片的传输速度。论文的最后总结了所完成的工作，给出了设计的不足之处和有待完善的地方。基于 GPS/GPRS 的车载图像监控终端最终可以实现 GPS 定位数据和图像数据的采集与上传功能。利用这些信息，监控中心可实时跟踪车辆并及时获取车内信息，该方案充分利用了 S3C2410X 处理器资源，方便且实用地实现了低成本的车辆监控功能。关键词： GPS 定位技术，GPRS 通信技术，车载监控终端，图像采集Carries the image monitor terminal based on The GPS/GPRS vehicle the designAuthor: Li Baohai Tutor: Zhao YanjieABSTRACTWith the rapid development of the embedded-applications and wireless network technology, the embedded vehicle monitoring system which combines the GPS location technology and GPRS wireless communication technology comes into being . In order to meet the requirement, the paper introduces USB video capture technology into embedded vehicle monitoring terminal and puts forward a new solution.Firstly, the paper describes the GPS technology, GPRS wireless network technology and USB interface technology in detail .Secondly, the paper explains how to carry out the hardware design. Give a specific realization of block diagram. The last introduce the main control module S3C2410X processor, GPS module and GPRS communication module used in the system. In order to reduce the quantity of data transmitted by the GPRS network, JPEG compression technology was used to compress static image in the image acquisition module, which could economize the network resources and speed up the image transmission. Finally, the paper summaries all the works and gives the methods for further improvement.The embedded vehicle image monitoring terminal which uses GPS/GPRS technology could collect the GPS and picture information about the automobile and send it to the monitoring center .Making use of the information, monitoring center strengthens its supervision ability to track automobile, The design makes full use of resources on ARM S3C2410X processor and implements vehicle monitoring functions at a low-cost but more conveniently.Keywords：GPS positioning technology, GPRS communications technology, vehicle monitoring devices, image acquisition目目 录录第一章 绪论.11.1 课题研究的背景及意义.11.2 汽车监控的国内外现状.21.3 课题研究的目的.2第二章 GPS、GPRS 及 USB 接口技术及原理.42.1 GPS 导航技术 .42.1.1 GPS系统组成.42.1.2 GPS定位原理.62.2 GPRS 网络技术 .72.2.1 GPRS网络技术特点.82.2.2 GPRS系统构成.82.2.3 GPRS技术在远程监控系统中的应用.102.3 USB 接口技术.102.3.1 USB简介.102.3.2 USB的基本特点.11第三章 系统总体设计方案.123.1 系统工作原理及需求.123.2 车载监控终端硬件设计方案.13第四章 系统硬件平台构成.154.1 主控制模块(ARM9).164.1.1 USB接口.174.1.2 UART接口.184.1.3通用I/O口.194.1.4 I2S音频接口.194.2 GPS 模块.194.3 GPRS 通讯模块 .214.4 OV511 摄像头.234.5 基于 JPEG 库的图像压缩.24结论.26致谢.27参考文献.28第一章 绪论随着经济的发展，社会的进步，汽车已经成为当今最为普遍，最为实用的交通工具，是日常生活生产中的重要组成部分。汽车上在带给人们舒适、便利生活的同时，也带来了许多新问题。其中长途汽车的超载、超员问题，出租车司机的人身安全问题，私家车的防盗问题受到了社会的广泛关注。所以车载监控系统的研究对我国的国民经济建设和人民生命财产安全有重要的现实意义。1.1 课题研究的背景及意义进入 21 世纪以来，全球汽车市场发展迅猛，随着信息技术的高速发展，人们对汽车安全性和舒适性要求的提高，汽车电子成为全球性的研究热点，汽车电子市场成绩斐然。当前国内使用的车载监控系统大都结合了 GPS 定位技术和 GPRS 无线网络技术，主要用于为车主自主导航或者为车辆监控中心提供坐标信息。其作用主要是为方便驾车出行或车辆调度，减少交通堵塞现象的发生。GPS 车载监控系统只能告知车辆的具体位置，却无法“看到”汽车现场的情况。随着汽车安全需求的扩大和电子技术的发展，对车载监控系统的需求也越来越高，其中图像采集和传输是一个非常突出的新需求。因为如果能够对车辆内部情况和车辆外部驾驶的情况进行拍照保存并通过 GPRS网络回传监控中心，就可以让监控中心准确掌握车辆内外部信息，也能够在车辆出现事故时留下图像资料，避免事后取证难而造成争议。具有远程监控和图像传输的车载终端系统应用前景广阔。它可用于运钞车、运油车和运送其他贵重物品的货运车辆，起到防盗、防抢劫的作用；可用于公共汽车、长途大巴等客运车辆，监控是否存在拉客，超员超载的现象，减少交通事故的发生；可用于公安、消防的车辆上，对办案过程录像，以便将来取证；在环境监测车上，它可以记录环境污染现场情况，同时将图像资料实时传输给环境监控中心，便于事后追究相关污染部门责任等等。可见，本课题的研究具有重大的社会效益和经济效益。1.2 汽车监控的国内外现状按照显示终端离采集终端距离的远近，车载视频监控系统分为远程视频监控系统和现场视频监控系统。车载监控系统最早的解决方案是采用传统的本地模拟监控系统。由于查询取证十分繁琐，系统的功能简单、可靠性差，根本无法满足车辆运营过程中的特殊要求(颠簸、温度、湿度等)，因此该解决方案很快就淘汰了。随着嵌入式计算机处理能力的提高，车载监控系统逐渐转向数字方式，主要用于监测、记录汽车在行驶中各种状态和数据，在事故发生时能收集音视频资料。目前流行的解决方案是基于 MPEG2 和 MPEG4 技术的硬盘录像方式。它具有处理数字化、计算机化，抗震效果大大加强，图像的存储时间也大大延长等显著特点。但此种监控系统仍然是一种本地化的监控系统，由于缺少联网功能，汽车的状态信息无法实时传送给监控中心。随着 GSM 业务的开通，具有远程监控功能的 GSM 车载监控系统不断出现。目前我国 GSM 网络己经覆盖全国，各地短消息系统也互通，这从理论上提供了全国范围的覆盖。而且目前 GSM 终端价格较低，有利于降低系统成本，同时它的蜂窝技术提供了大的用户容量。但 GSM 网络传送时间不确定，不能全面及时地反映车载的实时信息。这些弱点阻碍了 GSM 车载监控系统的全面推广。最新的解决方案是基于 GPS+GPRS 的车载监控系统。GPRS 是一种基于 GSM 系统的无线分组交换技术。提供端到端的、广域的无线 IP 连接。它以“分组转发”的形式进行数据传送，支持瞬时连接、永远在线，通信费用大大降低。此种系统一般采用先进的 GPRS 模块、新颖的图像处理芯片、嵌入式网络处理模块等，能实现 Internet自动接入，并采集视频图像，通过 JPEG 算法压缩后利用 GPRS 无线网络传送至Internet 网上的主机，实现 GPRS 无线网络远程图像的传输。1.3 课题研究的目的随着我国公路覆盖率的不断提高，便利的交通让城市与城市之间的人们来往平凡，促进了各地经济、文化交流。然而也带来了许多的交通隐患，如超载超员，盗窃、抢劫等违法事件。本论文从以上背景出发，提出了一种基于 GPS 定位技术和 GPRS 网络技术的车载终端监控方案。系统采用了集成度高、性能优越的嵌入式处理器芯片，系统在稳定性和可靠性上有了保证，且设备配置少，人机交互界面简洁友好，操作简单。整个系统开发难度较小，周期短，且系统配置可选，容易升级。本监控终端系统能够以低廉的价格达到应用的需求。第二章 GPS、GPRS 及 USB 接口技术及原理2.1 GPS 导航技术GPS 是英文 Navigation Satellite Tinning and Ranging/Global positioning System 的字头缩写词 Navistar/GPS 的简称1。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。整个系统由美国国防部于 1973 年开始研究，历经 20 年，耗资数百亿美元，于 1994 年投入使用。整个计划分为 3 个阶段实施。第一阶段为原理方案可行性验证阶段，从 1978 年到 1979 年，共发射了 4 颗试验卫星，建立地面跟踪网。第二阶段为系统的研制与试验阶段，从 1979 年到 1984 年，陆续发射了 7 颗试验卫星，与此同时，研制了各种导航接收机。第三阶段为工程发展和完成阶段，从 1989 年 2 月到 1994年 3 月共发射 24 颗工作卫星，其中包括 3 颗备用卫星。该系统是继“阿波罗”号登月飞船和航天飞机之后的第三大航天工程。它具有高精度、全天候、全球覆盖能力。全球定位系统的建成，从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航定位问题，从军用到民用，对人类的活动产生了巨大的影响。2.1.1 GPS 系统组成GPS 系统包括如下三个部分：1GPS 卫星和卫星星座全球定位系统的空间卫星星座由 24 颗卫星(3 颗备用卫星)组成。卫星轨道分布在6 个轨道面内，每个轨道上分布有 4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55 度，各轨道平面升交点的赤经相差 60 度。在相邻轨道上，卫星的升交距相差 30 度。轨道平均高度约为 20200 千米，卫星运行周期为 n 小时 58 分。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前 4 分钟。每颗卫星每天约有 5 个小时在地平线以上，同时位于地平线上的卫星数目，随时间和地点而异，最少 4 颗，最多可达 n 颗。空间部分的 3 颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障 GPS 空间部分正常而高效的工作是极其重要的。GPS 卫星的主体呈圆柱形，直径约为 1.5 米，重约 774 千克，两侧设有两块叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有 4 台精度原子钟，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为 GPS 定位提供精度的时间标准。GPS 卫星主要用于接收和存储由地面监控站发来的导航信息接收并执行监控站的控制指令，向用户发送定位信息。卫星上设有处理器系统进行必要的数据处理工作。2GPS 地面监控系统GPS 的地面监控部分由分布在全球的 5 个地面站组成，其中包括卫星监测站，主控站和信息注入站。现有 5 个地面站均具有监测站的功能。监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频 GPS 接收机，高精度原子钟，计算机和环境数据传感器。接收机对 GPS 卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状态。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并储存和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。主控站一个，设在美国本土科罗拉多斯平士的联合空间执行中心2。主控站除协调和管理地面监控系统工作外，其主要任务是根据本站和其他监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历，卫星钟差和大气层的修正参数，并把这些数据传送到注入站。各测站和 GPS 卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。主控站还负责调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行以及启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。注入站现有三个，分别设在印度洋的迭戈加西亚，南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰。注入站的主要设备包括一台直径为 3.6 米的天线，一台 C 波段发射机和计算机。其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入信息的准确性。3GPS 用户接收设备GPS 的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用 GPS 定位的目的。根据 GPS 用户的不同要求，所需的接收设备各异。随着 GPS 定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制开发适用于不同要求的 GPS 接收机及相应的数据处理软件。用户设备主要由GPS 接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其系统设备组成。GPS 接收机的硬件，一般包括主机，天线和电源，主要功能是接收 GPS 卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS 软件部分是指各种后处理软件包，用来对观测数据进行精加工，从而获得精密定位结果。GPS系统组成图如图 2.1 所示。空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载表信号提供其它辅助信息用户部分： 接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨图 2.1 GPS 系统的组成2.1.2 GPS 定位原理GPS 定位的基本原理是：将物体的瞬间立体目标的位置坐标(X，Y，Z)用已确定的相距距离的已知参考点所发出的极其精确的无线电脉冲时钟源来测定，然后利用地面接收器中己存入的由高等解析几何所构成的模型，建立三维位置量和一个时间量的算法方程。GPS 为全球用户提供了非常精确的三维定位坐标信息速度信息、时间和频率参考，它以 4 个卫星射频信号的时间测量为基础，整个卫星系统平台由 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成，卫星呈现出 55 度倾角，均匀分布在 6 个近圆轨道内，轨道运行周期为 11 小时 58 分钟，轨道半径为 26560 公里，这些轨道卫星每日重复同样的地面轨迹。因此，在地球上任何地方的用户都可以在其地平线上方 5 度范围内见到至少4 颗卫星。通过接收来自一个卫星的信号，用户在获知其具体位置和高稳定度的频率标准的基础上，可以确定 GPS 的时间和频率参数。卫星载波信号以两个 L 波段频率(1227.6MHZ 和 1575.42MHZ)发射，以便可以修正信号的时延，信号分别用 P 码和 C/A码调制。P 码用于精确的时间测量，C/A 码使信号易于锁定。由于卫星的位置精确可知，GPS 接收机可通过接收观测范围内的几个卫星，可以得到几个关于伪距的方程（公式 2-1） 。假设 t 时刻(t 为地面待测点的未知时钟)在地面有一未知点(坐标为 x，y，z)，可以“看到”卫星 A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)、D(x4，y4，z4)，卫星坐标由卫星导航电文获得；可以收到卫星的时钟11212121)()()()(dttczzyyxx 22222222)()()()(dttczzyyxx 33232323)()()()(dttczzyyxx (2-1)44242424)()()()(dttczzyyxx信号 t1、t2、t3、t4、；d1、d2、d3、d4 为卫星 A、B、C、D 到地面(x，y，z)的距离，c 为光速，这样可以确定以下 4 个方程，由以这 4 个方程即可解算出待测点的坐标(x，y，z)和接收机的时间 t。人们通常把利用 GPS 技术，用于车辆定位功能的硬件和软件的融合体称为车载 GPS 定位终端。但这仅仅把定位信息采集到了车载终端上，并没有把定位信息上传到报替中心或者车载 GPS 用户手上。因为 GPS 接收机本身只是被动地接收 GPS 卫星输出的信号，所以要想真正完成车载 GPS 定位的功能，车载 GPS系统中还必须包括有通讯网络，通过通讯网络把卫星定位信息发送到指定计算机设备，再由计算机解析收到的信息，最终在电子地图上显示车辆位置，这样就实现了车载GPS 的定位监控功能。2.2 GPRS 网络技术GPRS (General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种采用分组交换技术传输数据及信令的高效率数据传输方式3。GPRS 是区别于原有 GSM 电路交换方式的另一种数据传输方式，GPRS 是区别于原有 GSM 电路交换方式的另一种数据传输方式，它利用存储转发原理，把不同终端的数据分割成等长标准数据格式，通过非专用的逻辑子信道进行数据快速交换，即将信息分成数据分组或信息包，再加上目的地址、分组编号、控制比特等的分组头，沿不同路由进行传送，接收端按照分组编号重新组装成原始信息。2.2.1 GPRS 网络技术特点与原有 GSM 的数据业务相比，GPRS 具有以下优势4：1资源利用率高：GPRS 引入了分组交换传输模式，使得原有采用电路交换模式的 GSM 数据传输方式发生了根本性变化。电路交换模式中，用户无论是否传送数据在整个连接期都独自占有无线信道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道提高了资源利用率。GPRS 用户的计费以通信的数据量为主要依据，GPRS 用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。2传输速率高：GPRS 可提供高达 115kbit/s 的传输速率(最高值为 171.2kbit/s)GPRS 用户能和 ISDN 用户一样快速地上网，同时也使一些对传输速率敏感的移多媒体应用成为可能。3接入时间短：分组交换接入时间缩短为少于 1 秒，能提供快速即时的连接可大幅度提高事务效率，可使 Internet 应用操作更加便捷流畅。4支持 IP 协议和 X.25 协议：GPRS 支持因特网上应用最广泛的 IP 协议和X.25 协议。可充分利用现有的、覆盖全国范围的 GSM 网络，方便、快速地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。5提供实时在线功能“always on line，只要激活 GPRS 应用，将永远保持在线，不存在掉线问题。用户可以始终处于在线状态，使得访问服务变得简单、快速。6按流量计费，GPRS 用户只有在发送和接收数据时才需要占用资源，用户可以一直在线，按照用户发送和接收的数据包量进行收费。7应用开发方便，直接支持 TCP/IP。可见，GPRS 既适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。现在，GPRS 大量应用于互联网访问、多媒体短信、视频业务、E-mail 业务及无线远端遥控。2.2.2 GPRS 系统构成GPRS 网络是基于现有的 GSM 网络来实现，同时引入了一些新的功能模块和改进：1网关支持节点(Gateway Supporting Node GSN)。2点对多点服务中心(Point-To-Multipoint Service Center，PTM-SC)。3边界网关(Boarder Gateway，BG)4改进基站子系统 BSS：在基站控制系统(BSC)上增加硬件单元PCU(PacketControl Unit)，在基站发射系统上增加软件单元 CCU(Channel Codec Unit)。5其它设备：本地位置寄存器 HLR、访问位置寄存器 VLR、移动交换中心MSC，SMS-GMSC 和 SMS-IWMSC 等 GSM 系统原有无线管理设备被升级以支持相应的与 GPRS 有关的功能。GSN(Gateway Supporting Node)是 GPRS 网络中最重要的网络节点。GSN 具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS 寄存器。GSN 可以完成移动终端和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN 可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与 GSM 中的 MSC 集成在一起。GSN 有两种类型：GPRS 网关支持节点 GGSN(Gateway GPRS Support Node)和 GPRS 服务支持节点 SGSN(Serving Gateway Support Node)。GGSN 主要是起网关作用，提供GPRS 与外部数据网之间的传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。它可以和多种不同的数据网络连接，如 ISDN(Integrated Services Digital Network)，PSDN(Packet Switched Data Network)和 LAN(Local Area Network)等。SGSN 的主要作用是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端和 GGSN 之间完成移动分组数据的发送和接收。新引入的网络单元分别归为无线部分和数据部分两类，PCU 属于无线管理部分，SGSN 属于无线管理和数据管理公用部分，GGSN 属于数据管理部分。其他一些辅助单元虽然在 GPRS 系统中未给出定义，但在数据网络中必不可少，如域名解析服务器DNS，动态地址分配服务器 DHCP，网络时间协议服务器 NTP 等等。系统构成如图 2.2 所示。图 2.2 GPRS 系统结构图2.2.3 GPRS 技术在远程监控系统中的应用在 GSM 规范中，GPRS 数据业务通常分为两大类，即点对点业务和点对多点业务。而实际应用中人们常常把 GPRS 业务分为横向应用和纵向应用。横向应用主要是面向消费者的电子邮件，web 浏览等;纵向应用主要面向安防系统，远程监控，任务调度等集团客户的远程数据传输业务。GPRS 技术以它实时在线、覆盖范围广、建设周期短和高数据传输速率等优点在远程监控系统中得到了广泛的应用，主要完成被监测数据的远程无线传输。目前在配电网参数监测、环保监测、远程故障诊断、图像传输、车辆调度、远程医疗等领域都有GPRS 的应用。而且 GPRS 技术在远程监控系统中的成功应用对系统的实时监控管理和灵活部署提供了更好的方案;解决了传统监控方式由于缺少远程通讯，无法实现大规模集中监控的问题，所以说 GPRS 业务在远程监控系统中的应用有很大的市场前景和发展潜力。2.3 USB 接口技术USB 是由 Intel，Compaq，Digital，IBM，Microsoft，NEC，Northern Telecom 等七家世界著名的计算机和通信公司共同推出的新一代接口标准。由于 USB 具有传输速率高、扩展方便、可以热插拔、支持 PNP 等优点，迅速得到了众多 PC 厂商和半导体厂商的大力支持，外设向 USB 过渡成为必然的趋势。2.3.1 USB 简介USB 是为了解决日益增加的 PC 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准，现在台式 PC 和便携式 PC 中几乎都配备了 USB 接口，而且流行的操作系统都支持 USB 功能。USB 系统的基本硬件和基本软件如表 2.1 所示。表表 2.1 USBUSB 系统基本构成系统基本构成基本硬件基本软件USB 主控制器/根集线器USB 集线器USB 设备USB 设备驱动程序USB 驱动程序USB 控制器驱动程序2.3.2 USB 的基本特点1速度快。USB1.1 支持高速和低速两种方式：12Mbps 和 1.5Mbps，分别满足不同设备的需要。最新推出的 USB2.0 速度可以达到 480Mbps。2扩展方便。在 USB 设备上通常应该有 USB 下行端口，也有专用的集线器。这种扩展方式使 USB 能够驳接多个 USB 外设。通常用这种方式每个 PC 的 USB 端口最多可以扩展 127 个外设。USB 系统一般采用星型拓扑结构，如图 2.3 所示。3自动检测和配置外围设备。4支持即插即用方式，支持热插拔。5供电方式灵活。USB 设备有两种供电方式：总线供电和自供电。并且支持设备的挂起和唤醒。图 2.3 USB 拓扑结构6四种传输类型：中断传输(Interrupt)、控制传输(Control)、块传输(Bulk)和同步传输(Synchronization)，满足不同设备的需要。第三章 系统总体设计方案3.1 系统工作原理及需求目前，基于 GPS 的车载监控系统主要由车载监控终端、无线通信链路和远程监控系统三部分组成5。车载监控终端主要功能是将移动目标的动态位置(经度和纬度)、时间和状态等信息，通过无线通信链路传送至监控中心，而后在具有强大的地理信息查询功能的电子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并对目标的准确位置、速度、运动方向和车辆状态等参数进行存储，便于以后查询。监控中心也可主动查询监控车辆的准确位置和车辆状态等。车载监控系统结构如图 3.1 所示。图 3.1 车辆监控系统结构图本课题提出的车载监控终端解决方案具备图像捕获功能，能为监控中心的调度管理提供可视化依据，提高车辆的运营效率，并确保车辆的安全。其设计目的是为有效监控客运车辆的超载超员现象、减少车内犯罪事件数量。由于有客运行业的特殊性，车监控终端需要具备以下功能。1主动监控，实时拍照功能拍照功能是车载终端的核心功能，当客车上下客时，车门打开，会立即启动安装在车门顶端的摄像头拍照，记录下上下车乘客的体貌特征，图像数据经压缩传送给监控中心。车门关闭时，图像采集停止。2远程报警、求助功能。当客车内出现盗抢或者乘客需要医疗救治等紧急情况时，工作人员可启动车载监控终端手动拍照并给远程监控中心。终端也可对车内环境录音，图像和语音资料都可保存在终端存储介质上，作为事后的证明材料。3支持远程查询功能监控中心可随时向车载监控系统发送命令，获取车辆坐标信息和车内图像信息，可监督司乘人员的工作态度和服务质量，即时了解各线路的上座率情况，同时对司乘人员起到有效的监督制约作用。3.2 车载监控终端硬件设计方案随着计算机技术的不断发展，嵌入式微处理器性能的不断提高，嵌入式系统也得到越来越广泛的应用。将嵌入式系统及其设计方法引入车载监控终端设计之中，不仅可以大大提高车载监控终端的实时性和可靠性，节约成本，而且由于软件的可移植性强，可以在不改变系统硬件的基础上，方便车载监控终端地升级换代。同时也大大缩短了系统设计与调试的时间，提高了工作效率。考虑嵌入式系统具有的上述优点，主控制器选用了嵌入式处理器。表 3.1 给出常见的嵌入式处理器6。表表 3.1 常见嵌入式处理器比较常见嵌入式处理器比较处理器类型处理器价格主要性能及应用ARM低低功耗，适合于个人便携式设备MIPS高用于交换机、路由器，plays station等高端嵌入式设备Power PC高通信主网络等设备；单位附加值高，市场小，特别是对性能有较高要求时，应用于高端嵌入式中由于设计的是终端产品，所以性价比是必须重点考虑的，结合系统自身的特点，最终选用 Samsung 公司的处理器 S3C2410X 作为主控制器。S3C2410X 内部集成了ARM920T 处理器核的 32 位微控制器、IIS 总线接口、2 个 USB host 接口，一个 USB slave 接口，3 路 UART 接口。在第四章将对该处理器的结构和功能特点做详细的介绍。由于 USB 技术在 PC 领域的广泛使用，USB 接口的摄像头已经非常普遍，价格也非常便宜，而且容易购买。并且当前市场上已有超过一百万象素的摄像头，足以满足苛刻的监控质量的要求，所以经过充分的调研最后决定采用 USB 摄像头。根据车载监控终端需求，本课题扩展了 Flash 存储器，选用一片 K9F1208U0M 构成 64MB Nand Flash 空间，作为图像、语音信息存储介质及程序固化设备。选用两片SDRAM 芯片 K4S561632C 构成 64M 的内部存储空间。在开发板上扩展了两个 UART口，分别连接 Garmin GPS 接收机模块和 SEMENS 的 MC35i GPRS 模块。在 USB HOST 端口上外接一个 30 万像素的 USB 摄像头。在数字音频的输入接口上接一个话筒。在人机交互方面，利用处理器的两个 GPIO 引脚，外接按键。模拟车门开闭状态和手动启动图像采集的需求。归纳一下，嵌入式车载监控终端主要由主控制器、车载定位模块、车载无线通信模块、图像采集模块、语音录入模块构成，具体硬件结构如图 3.2 所示。图 3.2 车载监控终端硬件组成GPS 模块第四章 系统硬件平台构成车载监控终端总体上可以分为四大部分：S3C2410X 处理器、存储系统、外围设备模块和调试系统。处理器负责指令的运行和响应其它硬件模块请求。SDRAM 作为系统的运行内存，用作程序的运行空间、数据及堆栈区；FLASH 介质用于存储操作系统和应用程序等；JTAG 口、USB 口、串口都可做调试接口。GPS 模块和 GPRS 模块通过串口与处理器相连，GPS 将接收到的定位数据通过串口传送给处理器，GPRS 模块用来发送数据到 GPRS 网络上去。USB 摄像头通过 USB 接口与处理器相连。整个车载监控终端硬件平台构成由图 4.1 所示。由于在嵌入式系统中，硬件平台起着基础作用，任何软件的开发都是基于一定的硬件平台并在其上发生作用的。其中处理器在硬件平台中处于核心地位，处理器性能的优劣直接影响着系统的执行效率，同时处理器对外提供各种功能接口供开发者编程使用，本章将着重介绍本系统硬件平台中涉及到的主要硬件资源。图 4.1 车载监控终端4.1 主控制模块(ARM9)综合考虑，本系统选用 Samsung 公司的 ARM9 芯片 S3C2410X。S3C2410X 的最高工作频率可达 203MHZ，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。该处理器采用 0.18umCMOS 制造工艺，内部采用了新的Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)总线(AMBA2)。通过提供一整套完整的通用系统外围设备，S3C2410X 大大降低了整个系统的成本，消除了为系统配置额外器件的需要。S3C2410X 中集成的以下片上功能： 1.8V 伏内核供电，3.3V 存储器供电，3.3V 外部 I/O 供电。 具备 16KB 的 I-Cache 和 16KB 的 D-Cache/MMU。 外部存储控制器(SDRAM 控制和片选逻辑)。 LCD 控制器(最大支持 4K 色 STN 和 256K 色 TFT)提供 1 通道 LCD 专用 DMA。 带有外部请求引脚的 4 通道 DMA。 3 通道 UART(IrDA1.0，16 字节发送 FIFO，16 字节接收 FIFO)/2 通道SPI。 1 通道多主 IIC-BUS/1 通道 IIS-BUS 控制器。 兼容 SD 主接口协议 1.0 版和 MMC 卡协议 2.11 版。 2 端口 USB 主机/1 端口 USB 设备(1.1 版)。 4 通道 PWM 定时器和 1 通道内部定时器。 看门狗定时器。 117 个通用 I/O 口和 24 通道外部中断源。 功耗控制模式：具有普通，慢速，空闲和掉电模式。 8 通道 10 比特 ADC 和触摸屏接口。 具有日历功能的 RTC。 具有 PLL 片上时钟发生器。S3C2410X 内部结构图如图 4.2 所示。图 4.2 S3C2410X 部结构图4.1.1 USB 接口S3C2410X 内置 USBl.l Host 控制器具有以下特性7： 完全兼容 USB1.1 协议 完全兼容 OHCI 1.0 支持低速（1.5MB/S）和全速（12MB/S）的 USB 设备S3C2410X 开发板提供了两个 USB HOST 接口，可支持 U 盘、USB 摄像头等多种USB 设备，但使用不同的设备需要开发相应的设备驱动。开发板还提供了一个 USB DEVICE 接口，可以下载数据。4.1.2 UART 接口S3C2410X 内部具有 3 个独立的 UART 控制器，每个控制器都可以工作在Interrupt(中断)模式或 DMA(直接内存访问)模式，也就是说 UART 控制器可以在 CPU与 UART，控制器传送数据的时候产生中断或 DMA 请求。并且每个 DART 均具有 16字节的 FIFO(先入先出寄存器)，支持的最高波特率可达到 230.4Kbps。图 4.3 RS232C 串口接线GPS 和 GPRS 模块与 S3C2410X 开发板按照 RS-232C 标准采用交叉串口线相连接，如图 4-3 所示。RS-232C 是一种标准接口，D 型插座，采用 25 芯引脚或 9 芯引脚的连接器。开发板采用 9 芯引脚连接器，9 芯串行接口引脚含义表如表 4.1：表表 4.1 芯串行接口引脚含义表芯串行接口引脚含义表引脚号功能引脚号功能1接收线信号检测(载波检测DCD)6数据通信设备准备就绪(DSR)2接收数据线(RXD)7请求发送(RTS)3发送数据线(TXD)8清除发送4数据终端准备就绪(DTR)9振铃指示5信号地(SG)用 RS-232 总线进行通信，需外接电路实现电平转换。在发送端需要用驱动电路将TTL 电平转换成 RS-232C 电平，在接收端需要用接收电路将 RS-232C 电平转换为 TTL电平，电平转换器采用 MAX232 芯片，该芯片使用单一+5V 电源供电实现电平转换。4.1.3 通用 I/O 口S3C2410X 提供了 117 个通用 I/O 端口，用户可根据设计需要，将每个端口配置为输入模式、输出模式或特殊功能模式，由片内的特殊功能寄存器控制8。在该系统的设计中，选用了 GPF3 口，选择为中断功能模式(EINT3)，用于控制车门的关与开；选用了 GPF4 口，选择为中断功能模式(EINT4)，用于手动启动视频采集并将采集图像回传监控中心。4.1.4 I2S 音频接口I2S(Inter-IC Sound)总线是 Philips 公司提出的串行数字音频总线协议。它是一种面向多媒体的音频总线，专用于音频设备之间的数据传输，为数字立体声提供序列的连接至标准编解码器。I2S 总线只处理声音数据。其他信号(如控制信号)必须单独传输。为了使电路的引出引脚尽可能少，I2S 只使用了 3 条串行总线：提供分时复用功能的数据线、字段选择线和时钟信号线。S3C2410X 内置 I2S 总线接口，可直接外接 8/16 比特的立体声 CODEC，可提供 DMA 传输模式，以同时发送和接收数据。本设计选用Philips 的 UDAl34l 型音频 CODEC。该 CODEC 支持S 总线数据格式，采用位元流转换技术进行信号处理，具有可编程增益放大器(PGA)和数字自动增益控制器(AGC)。4.2 GPS 模块在车辆监控系统中，系统定位模块一般采用 GPS OEM 板，即 GPS 接收机。据GPS World杂志 2006 年最新调查报道表明，现在全球有 90 余家接收机生产制造厂家，共有 800 多种型号的接收机进入商用市场。这些接收机产品性能稳定、体积小、耗电省、使用方便等优良性能；单点定位精度 1025m；无 SA 时实时差分定位精度 3-5m；功耗小于 1w；工作环境温度可达-30+80。上述性能己能很好地满足普通车辆监控系统的要求。GARMIN 的 GPS OEM 产品均为 12 通道的 GPS 接收机，也就是同时可以跟踪多达 12 颗 GPS 卫星，从而能够快速的定位。GARMIN 的 GPS 接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次，其优良的性能既能够满足陆地导航的灵敏度需求，也能够满足飞行器的动态需求。在设计上，这些 GPS 接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积和功耗。其中全部的重要元器件，包括 RF/IF接收机硬件和数字基带部分，都是由 GARMIN 来设计和生产的，以保证其质量和性能。GARMIN 的 GPS 接收机 OEM 板从硬件和软件上都十分易于使用，非常适合做系统集成。最简单的系统，除 GPS 外还要包括外部电源和 GPS 天线。与 GPS 系统的通讯可以通过 RS232 或 CMOS 电平的串行口来实现。GPS 接收机 OEM 板中可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器，接收机内部有备用电池来为存储器供电。在嵌入式车载监控终端系统中，从价格、功耗、体积、抗干扰能力等方面比较，本课题选择了 GARMIN GPS15L。GPS15L 接口特性如表 4.2 所示：GPS15L 主要特性为： 跟踪性能：并行 12 通道 定位时间：热启动15 秒；冷启动45 秒；重新捕获2 秒；自动搜索300秒 单点定位：15 米 时间精度：100ns 1PPS 输出精度（只适用于 15L/15H） ，脉冲宽度 20ms-980ms 可调 速度精度：0.05 米/秒 动态性能：速度515 米/秒；加速度6g；高度18,000 米 数据更新率：1 次/sec1 次/900sec 可调 RS232 电平输出速率：300、600、1200、2400、4800、9600、19200bps 用户可选 物理尺寸：GPS15L：34457(毫米) 重量：GPS15L：14 克 工作电压：3.3V5V (GPS 15L) 工作温度：-3080C0C0 储存温度：-4080C0C0表表 4.2 GPS15LGPS15L 接口说明接口说明管脚名称描述1备用电源为内部的静态存储器和时钟供电。OEM 板内的电池可以维持大约 21 天。输入电压必须为直流+2.8V+3.4V。2地电源地和信号地3电源电压 3.35.4V；电流峰值 100mA，标称值 85mA。4串口 1（出）异步串行数据输出。RS-232 电平，提供 NMEA 0183 版本2.0 或 3.0 的数据。该口也可以设置为输出相位数据。波特率从 30038400 可选，默认值为 4800。5串口 1（入）异步串行数据输入。RS-232 电平，最大输入电压范围为-25V+25。该输入口也可以直接与有 RS-232 极性的标准的 3 到 5V 的 CMOS 逻辑电平连接，要求低电压小于0.6V，高电压大于 2.4V。最小负载阻抗是 500。该口主要用于接收对 OEM 板的初始化信息和配置信息。6射频偏压为天线供电的外部电压输入。 （目前没有开启）7秒脉冲上升沿与 GPS 秒同步，电压升降时间 100ns，阻抗250。开路输出电压为，低电压 0V，高电压 Vin。高电平持续时间从 20ms980ms 可调。接 50 负载后输出450mVp-p 信号。对于在 50%电压点测得的秒脉冲时间，接50 负载后将比空载提前 15ns。8串口 2（入）接收 RTCM SC-104 版本 2.2 的 GPS 差分信息。4.3 GPRS 通讯模块客户端为了利用 GPRS 网络进行通讯，必须选择适当的移动终端(即 MT，Mobile Terminal)来接入 GPRS 网络。目前常用的移动终端有两种形式：一种是完全做好的GPRS Module 成品，提供了串行接口，用户不必关心硬件实现，只需通过串口向模块发送指令就可以完成所有功能；另一种是提供手机芯片，用户自行购买外围器件并自己设计电路。本课题采用了第一种方案，在器件选择方面，目前市场上可选用的通讯模块种类繁多，主要有 SIEMENS 的 TC 系列、MC 系列、SIMCOM 公司的 SIM 系列，以及 WAVECOM 公司的 Q 系列等。本系统设计中所采用的通讯模块是 SIEMENS公司生产的 MC35i。MC35i 集成了完整的射频电路和 GPRS 的基带处理器，可直接作为终端产品进行语音和数据的传输。用途非常广泛。同时它还提供了完整的 GSM 和 GPRS 的无线接口。用户可通过 RS-232 串口与自己的无线应用系统相连。并使用标准的 AT 指令对它进行控制，同时把它采集到的信息由 GPRS 网络传输到数据中心。其主要的组成部分有：GSM 基带处理器(包括模拟基带和数字基带)、GSM 射频电路、存储器、电源和功率控制电路、系统链接器。MC35I 模块可实现 GSM 的所有功能，其中包括 GSM 规范所要求的语言编解码、信道编解码、加密与解密、均衡等。它还实现了对 3V SIM 卡的接口、对校准数据的存储。此外 MC35i 主板还有另外两个外部接口：40 引脚的系统链接器和 SMB 插座。现将各部分功能简单介绍如下9。GSM 基带处理器包括两个芯片：数字基带芯片和模拟基带芯片。它们共同完成GSM 基带信号处理功能。数字基带芯片处理器核及相关接口对外部设备进行驱动和管理。GSM 基带处理器上运行 GSM 的应用软件和协议，并提供一个 UART 口与用户应用系统进行通讯。射频电路和 SMB 插座：射频电路提供 GSM900/1800MHz 双频段的收发通道，包括接收电路、发射电路、频率合成电路以及相应的控制电路。射频信号通过 SMB 插座与外接天线相连。电源和功率控制电路：模拟基带芯片内部包括多组低压差输出(LDO)电压调整模块，为数字基带芯片及其他外部设备提供电源。功率控制电路主要用于控制射频电路的发射功率。系统链接器：系统 链接器是 MC35i 与应用系统的链接接口，主要提供外部电源、RS-232 串口、外接 SIM 卡和音频接口。可选用配件数据电缆与 PC 机相连。表 4.3 给出了 MC35i 的相关技术参数。表表 4.3 MC35i 相关技术参数相关技术参数双频波段：EGSM900MHZ 和DSC1800MHZ传真：自动传真group3（class1&2）数据传输：GPRS Class B(85.6kbps)输输出频率：Class4(2w)GSMMHZClass l(l w)GSM1800MHZ译码方式：CS1，2，3，4模块支持 AT 命令集CSD 最大达到 14.4kbps通讯接口：RS232(数据和指令双向传输)不透明模式电源范围：3.3V4.8VV.110SMS：点对点 Mo to MT短消息区域广播空闲模式：25mA工作电流模式：通话模式：300m省电模式：100mA休眠模式：3.5mA数据传输方式：文本和 PDU 格式尺寸：54.Smm*36mm*83.6mm重量：9g温度系数：工作温度：-20+55语音：最高速率升级速率半速率存储温度：-40 C+85 C00接口：40pin ZIF 链接器SIM 3V自动波特率GSC 制式匹配阻抗 50 欧姆(GSC 50HM)附加服务：电话簿管理功能报警服务响铃服务双频音频功能呼叫转移固定号码呼叫4.4 OV511 摄像头本课题采用的是网眼 V2000 摄像头，它采用 USB 接口，不需要视频卡，可即插即用，使用方便。具有快速成像、图像质量高、成本低和通用性好的优点。其图像传感器和主控芯片为 Omni vision 公司的 OV7620 和 OV511。OV7620 是美国 Omni vision 公司生产的一款高集成度高分辨率图像传感器，它将所有摄像功能和矩阵处理功能都集成在片上。OV7620 是完全可编程的数字单片摄像器件，其像矩阵为 640480 象素(30 万像素)，也可按 320240 象素输出 GIF 图像格式(