(基于GPS和GPRS的车辆定位系统应用设计与实现)

. . . LANZHOUUNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 基于GPS和GPRS的车辆定位系统应用设计与实现学生 xxx 学 号 专业班级 通信工程 指导教师 xxx 学 院 通信学院 答辩日期 2012年6月11日基于GPS和GPRS的车辆定位系统应用设计与实现The Design and Implementation of Vehicles Positioning System Application Based on GPS and GPRS xxxx56 / 62摘 要全球卫星定位系统利用导航卫星进行测时和测距，它是一种将卫星与通讯很好的结合在一起的技术。GPS用在测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、资源勘察等许多学科中都有着不可取代的优点,并且在经济和社会中都取得了很好的效益。本设计主要介绍了GPS和GPRS在车辆定位中的工作原理,车载终端的硬件和软件设计。该系统的设计与实现是GPRS、GPS技术相结合，利用GPRS的数据传输功能，把它接收到的信息通过GPRS网络上的无线通信链路传到建立在Internet网上的服务器上。以与把车载移动终端的GPS定位信息如何传到建立在Internet网上服务器的问题做了相关的设计，以达到实现在线实时对车辆运行状态、安全状态、技术状态等各类信息的监控。关键词：GPRS；GPS定位系统；车载终端AbstractGlobal satellite positioning system using navigation satellite timing and ranging, it is a satellite and communications in a very good combination technology. GPS used in geodetic survey, engineering survey, aerial photography, vehicle navigation and control, resource survey and many other disciplines has irreplaceable advantages in economy and society, and have achieved good benefit.This paper introduces the design of GPS and GPRS in vehicle positioning in the working principle, hardware and software design of the vehicle mounted terminal. The design and implementation of this system is GPRS, GPS technology, using GPRS data transmission function, put it to receive information through the GPRS network wireless communication link to the online server based on Internet. As well as the vehicle mobile terminal GPS positioning information how to build in the Internet online server problem introduced the, to achieve real-time operating state of the vehicle, security, technical condition and other types of information monitoring.Key words:GPRS; GPS positioning system; Vehicle terminal目 录第1章 绪论11.1 课题背景11.2 车载智能终端的发展11.3 车载研发的国外现状2第2章GPS全球卫星定位系统32.1 GRS技术32.2 GPS的系统结构32.2.1 GPS空间段32.2.2 GPS地面段42.2.3 GPS用户段52.3 GPS卫星定位原理62.4 GPS的应用72.5 GPS 短信方案优点与缺点8第3章GPRS移动通信系统93.1 GPRS的定义93.2 GPRS发展现状与技术分析93.3 GPRS系统工作原理103.4 GPRS数据传输的优点103.5 车载定位系统GPRS方案11第4章 车载终端的工作原理124.1 车载终端系统总体的整体流程124.2 汽车行驶记录仪介绍134.3车载定位终端的硬件结构164.4车载终端的软件结构184.4.1 液晶显示204.4.2 数据采集控制程序234.4.3 汽车是否启动检测程序的设计244.4.4 基于C/OS-的任务调度24第5章 应用实例275.1运行环境275.1.1 硬件支撑环境275.1.2 软件支撑环境275.2 安装275.3 登陆工作站285.4 系统功能295.5 监控中心部分315.5.1 监控中心架构315.5.2 监控中心功能315.6 对车辆的操作325.6.1 位置查询335.6.2 实时监控345.6.3 轨迹回放345.6.4 按距离监控345.6.5 超速报警355.6.6 偏移路线报警355.6.7 车辆调度36总结38参考文献39附录1 英文文献原文40附录2 英文文献翻译50致60第1章 绪论1.1 课题背景卫星导航定位是指利用卫星导航定位系统提供的位置、速度与时间等信息来完成对各种目标的定位、导航。卫星导航技术是全球发展最快的三大信息产业之一，涉与集成电路技术、软件技术、通讯技术、嵌入式系统、地理信息系统等多领域的战略性高新科技，在信息、交通、安全防卫、防灾、救灾、环境监测等方面发展前景十分广阔。随着社会的不断进步，车辆在人们的生活中起了越来越重要的作用，而车辆带来的问题也日趋明显，交通堵塞、汽车被偷等案例这些问题，因此，完善智能交通系统是十分重要的，也是解决这些问题的有效措施。车载智能终端是汽车电子化、智能化的一个重要应用。车载智能终端是集GPS技术，GPRS技术和汽车行驶记录仪于一体的综合车辆管理系统。监控中心根据GPRS向其发回的汽车全球定位数据，能够在GIS地图上显示受监控车辆的位置。汽车行驶记录仪能够实时检测汽车行驶过程中的状态数据和事故疑点数据。1.2 车载智能终端的发展随着电子工业和电子技术的飞速发展，车载智能终端由当初简单的汽车数据记录仪发展到集数据采集、数据存储、全球定位系统、地理信息系统和各种无线通信技术、多媒体技术于一体的高性能智能化汽车数字电子装置。国外汽车电子技术的发展大致经历了三个阶段：第一个阶段从上世纪60年代中期到七十年代末期，为局部应用阶段；第二阶段为70年代末期到90年代中期，机电一体化思想和技术运用到汽车设计中；第三阶段从上世纪90年代中期到2010年为全面应用阶段。欧盟、日本等国家早在20世纪70年代就开始以立法的形式在部分客运车辆与货车上强制安装使用记录仪，经过靠近30年的发展，已经形成了一套体系完善，车辆监控、调度制度健全的全国围的车辆行驶监控中心，大大减少了由于汽车行驶安全带来的人员和财产的损失，也因此受到物流运输、汽车租赁、企事业单位、保险公司和交通管理部门的欢迎。国外在车载智能终端方面的研究受市场需求量的驱动发展迅速，从其稳定性、安全性、易用性、完善性角度比较走在了世界的前列。我国从20世纪80年代后期开始，在少数地区也曾试用过由国一些科研机构与企业自主研制的数字式汽车电子装置。经过20多年的发展，车载终端的研发已经初具规模，向正规化和专业化发展。但与欧盟等国家相比较，我国汽车电子技术的整体水平比较落后，与国外的主要差距表现在：自主开发能力差，技术水平低、应用围小、器件和产品精度差、相关立法滞后、研究与应用脱节等。1.3 车载研发的国外现状经过多年的发展，中国车载导航的市场得到了很大的改善，车载导航技术也得到了很大的提升。中国也发射了北斗导航定位系统卫星，这将为汽车定位导航技术提供更加完善的基础，也为定位导航技术的提高提供了更加广阔的空间，在交通行业可以得到更好的应用。另外，近年来中国汽车市场的大力发展，道路建设的完善，电子地图技术的提高也推动了车载导航技术的发展的。随着嵌入式微处理器的不断发展和我国自主研发卫星导航定位技术和卫星导航接收芯片的不断完善，相信我国的车载监控终端会朝着功能越来越完善、性能越来越稳定、设计越来越人性化的方向快速发展。目前，日本是当今车辆导航定位监控系统发展最为成功的国家之一。在日本的一些豪华汽车上，电子导航设备已经成为标准配置。因为车辆导航监控系统不仅可以很方便的使驾驶员得到车辆的具体位置、速度和方向等信息；还可以提供路线查询、路径查询，以使驾驶员可以更快的到达目的地；以与遭遇人身安全问题时，获得紧急求助。第2章GPS全球卫星定位系统2.1 GRS技术卫星导航定位是指利用卫星导航定位系统提供的位置、速度与时间等信息来完成对各种目标的定位、导航、监测和管理。卫星导航定位系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是一种可供海、陆、空军民用户共享的信息资源。2.2 GPS的系统结构如图2-1所示，在GPS系统的结构中可分为三个部分：由GPS卫星星座组成的空间段；为整个系统的中枢运行控制系统的地面段；各种类型的GPS接收机组成的GPS用户终端为用户段。这三部分是GPS系统的重要组成部分，三者缺一不可。图2.1 GPS系统结构2.2.1 GPS空间段在GPS卫星的卫星星座空间段中，其中有21颗工作卫星，高度一般都达到20200km，在轨道备份中还有3颗备用卫星。24颗工作卫星分别分布在卫星轨道的6个轨道面中，每个轨道上分布有4颗卫星。卫星轨道和地球赤道没有在同一个水平面上，两者间有个相对倾斜角，倾斜角大约在55左右，各轨道平面升交点的赤经相差60度。在相距最近的轨道上，卫星的升交距相差30度。卫星运行周期为11小时58分。在地平线以上的每颗卫星每天约出现有5个小时，同时位于地平线上的卫星数目，随时间和地点的不同而不同，最多可以有 11 颗，最少也会有4颗。另外，如果有卫星出现故障，在空间部分的3颗备用卫星可根据指令代替发生故障的卫星，以GPS空间部分正常的工作，提高空间部分的工作效益。可以看出这3颗备用卫星也有着极其重要的作用。目前全球定位系统空间段部分的工作卫星的分布情况如图2-2所示。图2.2 GPS星座图和卫星图2.2.2 GPS地面段星座系统的控制是GPS整个系统的主要工作，而要完成星座系统的控制主要任务的是地面段，因此地面段成了GPS系统的中枢。地面段主要任务是：对所有的卫星进行跟踪以进行轨道和时钟测定、完成卫星时间同步、为卫星加载导航电文和预测修正模型参数。 地面段的结构为：1个主控站、3个注入站和5个监测站。下面介绍的是地面段的各组成部分。首先介绍的是主控站，接收各监测站对GPS卫星的监测数据、卫星在工作状态下的数据、各监测站和注入站工作状态数据是主控站的主要任务，并且主控站还需要根据接收到的各类数据，完成以下几项工作任务：（1）与时对每颗卫星的导航电文进行编算并传送给注入站。（2）控制和协调监测站间、注入站间的工作，查看卫星是否将导航电文发给了 GPS 用户系统以与对发送的卫星导航电文是否正确进行检测。（3）诊断卫星的工作状态，改变那些偏离轨道卫星的位置与姿态，调整备用的卫星替代失效卫星。其次介绍的是注入站，注入站有3个，3个注入站分别设在南大西洋，南太平洋，和印度洋上，它们的主要任务是：接收主控站发送来的导航电文，并用S频段射频链上行将导航电文注入到相应的卫星上，导航电文上行每天工作一次或两次，每次注入14天的星历。如果由于某个地面站发生故障，那么导航定位的精准度在一段时间将会慢慢降低，在这段时间，预存在各卫星中的导航信息还是可以用。此外，注入站每分钟会报告一次自己的工作状态，并且自动向主控站发射信号。最后介绍的是监控站，监控站有5个，5个监控站分别设在科罗拉多、夏威夷、大西洋、印度洋、北太平洋马绍尔群岛。监测站配有伪距测量接收机和精密的铯钟，配置这两个仪器是为了完成为主控站提供卫星测量数据的主要任务。每隔1.5s在主控站的遥控下，监控站会进行一次伪距测量，利用电离层和气象数据，每15min进行一次数据平滑，然后发送给主控站。2.2.3 GPS用户段用户端重要由各种类型的GPS接收机组成。在这些组成用户端的GPS接收机中，我们又可以根据作用的不同分为两大类型：导航型和测地型。GPS 接收机主要构成部分是接收机主机，其中接收机的构成还有天线单元和电源两部分。GPS接收机主要构成部分接收机主机的构成有：信号通道、变频器、微处理器、存贮器，其构成如图2-3所示。图2.3 GPS接收机原理图（1）GPS 接收机天线天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流放大。GPS天线就是由接收机天线和前置放大器这两部分组成。以确保接收机的正常工作，减少信号损失。（2）接收机主机接收机主机中包括变频器和中频放大器两个重要组成部分，其中的结构还有：信号通道；存贮器和微处理器。GPS信号通道是个很重要的组成部分，它是由硬软件结合的电路而成的，是GPS信号通道接收机的核心部分。作为核心的信号通道，它的作用是有很多，这里介绍的作用有三点：第一搜索卫星并跟踪卫星运行轨迹；第二进行伪距测量、载波相位测量与多普勒频移测量；第三解扩广播电文数据信号，解调出广播电文。接收机设有存贮器，存贮器是用来存贮卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值与多普勒频移的。为了便于进行数据处理和数据保存接，在现代的GPS接收机中都备有存贮器，这样收机存数据就可以传到微机上。微处理器是GPS接收机的核心部分，微处理器可以通过指令统一调节GPS接收机的工作。从以上所述中可以看出，GPS接收机的主要任务是：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并且能够跟踪这些卫星的运行；有变换、放大和处理接收到的GPS信号的功能，这样对测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间提供了便利，解译出GPS卫星所发送的导航电文，从中计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，还有就是可以实现使用GPS进行导航和定位的目的。2.3 GPS卫星定位原理全球定位系统(Global Position SystemGPS)是美国从本世纪70年代由美国国防部批准开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS是利用测距交会原理确定点的位置来进行定位的。它采用多星高轨测距体制，以接收机到GPS卫星之间的距离作为基本观测量。当地面用户的GPS接收机同时接收到3颗以上卫星的信号后，通过使用伪距测量或载波相位测量，测算出卫星信号到接收机所需要的时间、距离，再结合各卫星所处的位置信息，将卫星至用户的多个等距离球面相交后，即可确定用户的三维(经度、纬度、高度)坐标位置以与速度、时间等相关参数。定位原理图如图2-4所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式： (1) (2) (3) (4)图2.4 GPS定位原理上述四个方程式中待测点坐标X，Y，Z和为未知参数，其中：分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。C为GPS信号的传播速度(即光速)。四个方程式中各个参数意义如下：X，Y，Z为待测点坐标的空间直角坐标。、分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。分别为卫星l、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标X，Y，Z和接收机的钟差。2.4 GPS的应用全球定位系统GPS拥有全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速等优点。在诸多领域中得到越来越广泛的应用，最早应用于军用定位和导航。随着技术的发展和完善，目前全球卫星定位系统GPS已逐步从军用扩展到民用，主要涉与海、陆、空的导航和定位，使世界交通运输业发生了深刻变革，推动了航天事业的发展。同时在工业、农业、测绘、气象等领域均已得到广泛应用。下面就GPS在车辆定位中的应用做一下介绍。GPS在ITS中主要应用于车辆定位、导航和交通管理，是ITS的重要组成部分。在任一时刻、任一目标能通过GPS系统得知汽车的经纬度、速度和准确时间，然后把这些信息通过无线通信网络提供给监控中心，监控中心负责在电子地图上显示出车辆运行轨迹；同时，监控中心可根据路况信息，发出调度指令，来完成对车辆的集中监控。2.5 GPS 短信方案优点与缺点与其他无线电台等传统方式比较，采用GSM短信息网络系统具有以下优点：（1）速度快，实时性好，不掉线。（2）可以双向通信，与时返回终端信息。（3）设备体积小，操作简单。（4）由于控制中心无须专门设置大功率发射电台，将大大降低安装费用。（5）覆盖面广受地理环境的影响小。与此同时，现有GPS短信方案又存在着如下所示的缺点：（1）传送时间不确定：因为短信采用信道命令时隙来传送，没有专门的数据通道，所以在命令时隙出现繁忙时候就容易出现数据传送延迟或丢失的情况。（2）信道容量有限：一条短信最多能传送140个有效字节，不能全面与时地反映车辆的实时信息。(3) 通信费用昂贵：基本按照收发的总条数来计算。(4) 可扩展性差：以SMS为主要通信链路，受链路带宽的影响，无法进一步扩展将来的其它数据传输业务。如车辆运行中的图像监控等。(5) 尽管车载GPS监控系统有利于交通部门实现交通管理智能化，但目前短信方式的综合性能较差从而阻碍了该系统的全面推广。第3章GPRS移动通信系统3.1 GPRS的定义GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）形式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接与传输都会更方便容易。GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。3.2 GPRS发展现状与技术分析GPRS是在现有GSM网络上发展出来的一种新的分组交换数据应用业务，与传统的GSM电路拨号交换相比，GPRS在资源利用效率、交换容量和性能上都有一个质的飞跃。GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源，带宽最高可达171.2Kb/s。目前中国移动的GPRS覆盖围在中心城市几乎达到了100%，在边远地区也达到了80%以上，实际应用带宽大约在20-40Kb/s。GPRS采用TCP/IP协议，非常容易和现有Internet技术与应用平台整合，使各种IP技术与服务同移动通信技术相结合，为客户提供各种高速高质的移车载动数据通信业务。3.3 GPRS系统工作原理GPRS 是采用分组交换技术的无线数据传输系统，能兼容GSM网络，并且在网络上能更加有效的传输数据和信令，它是在现有的GSM网络中增加了GPRS支持节点和服务支持节点来实现的。系统的原理如图3-1所示。 SGSN服务GPRS支持节点； GGSN网关GPRS支持节点； PCU 分组控制单元； PDN 公用数据网；图3.1 GPRS系统原理图3.4 GPRS数据传输的优点利用GPRS进行数据传输具有下面列出的几项优点：(1) 移动通信：GPRS无线通信打破了过去有线通信的固定位置限制，可根据业务需要随时增减数据传输点，极拓展了通信的领域。(2) 费用低廉：GPRS网络按照客户收发数据包的数据流量来收费。以GPS监控系统为例，同样的一笔业务，其通信费用约为过去的1/51/8，具有较强的成本竞争能力和市场推广性。(3) 永远在线：客户随时都与网络保持联系，即使没有数据传送时，客户仍然在网上与网络之间还保持一种连接。(4) 快速登录：连接时间很快。GPRS无线终端一开机，就可与GPRS网络建立连接，每次登录网络，一般仅需1到3秒。(5) 高速传输：由于GPRS网络采取了先进的分组交换技术，数据传输最高理论值可达171.2kb/s。实际使用中一般能达到2040kb/s。(6) 组网灵活：中国移动的GPRS 网络覆盖面广，可在全国漫游而不增加额外费用，特别适合中小用户以低成本方式在短时间组建自己的跨区域性数据网络。(7) 信道保障：GPRS通信链路由中国移动这样的专业运营商维护，在出现通信链路中断的情况下能得到与时抢修，免除通信链路维护的后顾之忧。(8) 防雷击：GPRS采用小功率短天线，不需要室外架设大天线，克服了有线传输设备和无线电台容易被雷击而损坏和中断通信的情况。3.5 车载定位系统GPRS方案深入分析现有车载GPS短信系统，我们认为一套组网方便、性价比高、随时在线、稳定的通信方式，可有效解决车载GPS监控系统在通讯传输中庞大费用等问题，也是车载GPS监控系统在运输行业中普遍推广的必要手段。而现在中国移动的GPRS网络正是满足这一需求的新兴通信方式，同时以原有GSM为备份链路，完全可以保证GPS监控系统数据传输的实时性与可靠性，同时在性能和价格方面均有质的飞跃。其组网方式如图3-2所示。图3.2 车载GPS系统GPRS方案示意图车载GPS系统GPRS方案的主要特点，如下所示：(1) 通讯费用低：车载GPS监控系统的通信特点是：具有突发性，但数据量小，对采用按流量计费的GPRS非常有优势。(2) 数据传输效率高：GPRS是一种新型移动数据通信业务，给移动用户提供高速无线IP服务。GPS设备采集的位置信息经过分析处理后，封装在IP报文中进行传输，其最大数据传输效率90%。(3) 强有利的安全措施：GPRS网络采用GSM的多种物理信道加密方式，同时在应用层还提供中心专线接入、专用APN等安全措施，可完全满足运输管理系统对安全的扩展性要求。(4) 可扩展性强：可根据将来业务的需要在GPRS上增加新的监控容，如增加图像传送等。(5) 可选短信备份：在GPRS不通的情况下，可以通过传统的短信备份方式来保证关键信息的传送。第4章 车载终端的工作原理4.1 车载终端系统总体的整体流程车载终端系统是集成于汽车行驶记录仪和车载卫星定位系统（GPS）以与GPRS技术的智能汽车电子装置。该终端具有车辆行驶状态监测、车辆定位、信息传输、紧急报警、车载、救援通话等多项功能。其中，车辆行驶状态监测主要是指汽车行驶记录仪在汽车行驶的过程中，不断对汽车行驶速度、行驶里程、疲劳驾驶时间和各种状态量进行检测和存储，为事故分析与处理提供原始和可靠的资料；车辆定位主要指可将车辆位置信息，包括经度、纬度、方向、速度、时间等，与时传送回监控中心；信息传输主要指用GPRS将车辆定位等信息向监控中心传送以与将监控中心发回的调度命令回送；紧急报警是指若车辆一旦出现紧急情况，可通过报警按钮向监控中心发送报警信息，比如车辆行驶在高速公路上，当发生交通事故等异常情况时，可以通过这个功能向监控中心求助，这样有利于对事故即时处理，将损失降至最小。车载智能终端主要适合于安装在长途物流运输，城市出租车辆以与公交车辆中。例如在城市出租车辆面积安装和使用车载智能终端可以全面提高出租车辆管理水平和管理效益。监控中心可以完成系统的运行监测、调度控制、信息管理与外部数据接口。实现对车辆的自动漫游跟踪，显示有关的各种信息，并且可以实时发布文字与图像信息。图4-1所示为车载终端的工作示意图。该图所示的汽车中均装了配备有汽车行驶记录仪，车载卫星定位系统的车载智能终端。汽车在行驶的过程中不断与卫星通过信道1进行数据通信，得到准确的定位信息，然后将定位数据与其它相关信息通过图中2、3所示的通信链路发送至监控中心。监控中心根据实际路况和具体工况通过通信链路向汽车回送数据命令。通过这样一个过程，监控中心可以实现对汽车调度。图示仅仅描述了城市出租车辆和监控中心的通信过程。图4.1 车载终端工作示意图图4.2 车载智能终端的结构示意图由图4-2可以看出，车载智能终端包含车载卫星定位系统终端和汽车行驶记录仪终端。两个终端进行无缝连接，协调工作。4.2 汽车行驶记录仪介绍汽车行驶记录仪(以下简称记录仪)是一种用于记录、存储、显示、打印输出车辆有关行驶状态信息的装置。记录仪的使用，对遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章、约束驾驶人员的不良驾驶行为、保障车辆行驶安全以与道路交通事故的分析鉴定具有重要的作用。如图示为行驶记录仪的硬件结构图：汽车行驶记录仪处理器S3C44B0打印机串口显示器键盘电源报警部分数据检测图4.3 记录仪的硬件结构图在图4-3中，可以看到，记录仪由中央处理器S3C44B0X01、串口，报警部分、键盘、数据检测、显示器等部分组成。处理器统一对各个模块进行任务调度和分配，协调完成相应功能。处理器S3C44B0用于处理各个模块回送过来的数据以与向各个模块发出操作命令。串口用于上下位机之间的通信，这些通信包括上位机向下位机发送配置数据以与下位机向上位机回送各类信息数据。报警部分用于对驾驶员违规操作做出提醒。如，当车速过快时，报警部分会发出“超速行驶”的警告音，汽车连续行驶时间超过4个小时时，会发出警告音等。键盘部分用于完成人机交互功能，在汽车行驶记录仪中，有很多操作需要驾驶员的手动命令来完成。例如，汽车启动后，记录仪要求驾驶员选择驾驶序列号，记录仪维护人员在初次安装记录仪时，需要通过键盘来配置一些参数等。数据检测部分包括汽车行驶速度检测、汽车连续行驶时间检测、汽车行驶里程检测、8路开关量检测，4路门信号量检测等。这些检测到的数据回送至处理器后，处理器将这些数据保存到存储器中。而显示器则用于显示菜单，汽车行驶速度，实时时间等信息。ADC看门狗实时时钟GPIOARM7内核I2S总线UART0、1PWMI2C总线总线总线S3C44B0图4.4 S3C44B0部资源结构图汽车行驶记录仪能否正常、可靠、稳定工作在很大程度上取决于处理器的性能的好坏。在选择记录仪处理器的方面，我们基于以下几点考虑： （1）按照国标要求，汽车行驶记录仪应能够以高于0.2秒的时间分辨率记录并存储车辆停车前20s实时时间对应的车辆行驶速度值与车辆制动状态信号，且记录次数至少为10次；记录仪还应能够以不大于1min的时间间隔持续记录并存储车辆在最近360h的行驶状态数据。这就要求记录仪中所选用的处理器不但能够有较快的数据处理能力，而且能够应付频繁的任务切换所带来的任务压栈、出栈所带来的额外负荷。（2）由于记录仪在工作的过程中，同时需要运行若干个任务。比如，正常工作时，记录仪需要在液晶上显示当前时间，汽车当前行驶速度，汽车当前行驶里程等信息，这就要求在软件设计时能有一个很好的任务切换机制，我们选择C/OS-来进行任务管理以解决上述问题。 （3）另外行车记录仪所处的环境十分恶劣,除天气变化、潮湿、机械振动等干扰因素外,汽车电气设备中有很多导线、线圈和元件,它们有不同的电容和电感,而任何一个具有电感和电容的闭合回路都会形成振荡回路。当汽车上的电气设备工作产生火花时就会产生高频振荡,并以电磁波的形式发射到空气中,其中点火系统产生的电磁波频率高、强度大,影响尤为严重。火花塞的中心电极对其壳体有一定的电容,中心电极本身又有一定的电感,这样,火花塞的电容和电感就形成了一个振荡回路,在火花塞放电时就会产生高频振荡,连接火花塞的导线起着天线的作用,将振荡以电波的形式向空间发射。汽车上类似这样的电路还有很多,像放电机的电刷、喇叭、调节器触点等等,这些电器工作时会产生电磁干扰,而且由于回路中的电容、电感的大小不同,产生的振荡频率也不一样,其频率围很宽,对其他电器的干扰就很多。因此，抗干扰能力是选择处理器时必须要考虑的一个重要方面。（4）由于受汽车空间因素的制约，记录仪的体积不能设计得太大。而降低记录仪体积的一个很好的措施是减小外围设备所占主板的面积。选择一种可以集成诸如UART、RTC等外围设备在芯片部的处理器，是一个很好的解决方法。综合以上的因素，我们选择了三星公司生产的ARM7芯片S3C44B0X。如图4-4示为S3C44B0部资源结构图。4.3车载定位终端的硬件结构（1）定位终端硬件体系结构汽车定位系统由五部分组成：控制电源模块、LCD显示模块、单元MCU、GPS定位模块和GSRS模块。加电启动，再完成初始化之后，用户如果向该定位终端发送定位请求，并且是通过GPRS网络建立无线通信链路的形式，终端将同时通过GPS定位和GSRS两个模块获取位置信息，并且将定位信息传到Internet网上的服务器。如图4-5示。图4.5 硬件构成图（2）主要接口原理MCU有UART1和UART0两个串口。MCU分别通过串口1和串口0与GPS模块和GPRS模块通信。因为MCU的两个串口、GPS模块通信串口、GSPS模块通信串口均为TTL电平，所以不需要电平转换芯片，直接将MCU的TXD和RXD与另外两个模块的RXD和TXD互联即可。（3）各部分采用的模块介绍单片机：控制数据端的核心，处理器选用的是C8051F023。3.3V供电，最高工作频率可达25MHz，在12个MIPS有很多指令可以完成，速度很快，有两个UART1口；编写和运行简单的TCP/IP/PPP协议程序要有片载4KRAM和64KFLASH提供必要的空间；还有充足的I/O口。GPS接收模块和液晶显示模块：系统采用11.0592MHz晶振，串口1接收GPS信息，P1口和P3口用于12864 LED液晶显示接口，可以显示实时时间、纬度、经度与其它GPS数据信息。GPRS模块：选用MC35。GPRS模块提供了9针的标准RS232接口，进行全双工的数据通信需要通过MAX3232电平转换芯片和C8051F023的UART0口相连。MC35需12V供电，在上电后还需要DTR的低电平向高电平跳变触发启动。在实际设计中，采用的是C8051F023的P2.0口经MAX3232电平转换后作为MC35的DTR。 (4) 硬件系统设计电路图图4.6 基于单片机的GPS系统GPS模块可以接收GPS卫星的信号，并对收集得到的信号进行计算，得出模块测试点所在位置的卫星信息。采用的GPS模块由五部分组成：变频器、信号通道、微处理器、存储单元和接收天线。单片机主控制器的串行接收口连接GPS模块数据发送端接收卫星信息。液晶显示模块的作用是显示接收到的数据信息。12864数据连接单片机P1口，双电源供电。如图4-6示。图4.7 GPRS数据收发模块GPRS数据收发模块中数据端的数据来源可以有两种：一种是由C8051F023自身运算或处理产生，另一种是由其它终端数据设备通过UART0口向C8051F023发送的数据。如图4-7所示。4.4车载终端的软件结构车载终端的软件设计主要集中在汽车行驶记录仪的软件设计上面。在软件设计上，我们为汽车行驶记录仪从上电复位到进入休眠状态，设计了如图所示的若干过程。记录仪初次安装到汽车上时，会通过上位机给每个司机分配一个驾驶序列号，该序列号与其驾驶证号相对应。我们这样设计的目的是为了简化用插卡方式来识别驾驶员身份带来的麻烦。给记录仪上电后，记录仪会要求驾驶员选择驾驶序列号，如果驾驶员在超过20分钟的时间还没有选择序列号的话，记录仪会进入汽车是否启动检测程序，若发现汽车已经启动，则记录仪认为该次汽车行驶过程属于匿名驾驶，进入匿名驾驶处理程序，如若发现汽车已经停止，或汽车没有启动，则记录仪自动进入休眠状态。如果驾驶员选择了驾驶序列号，则记录仪会从数据库中将其驾驶证号查询出来，并在显示器上显示。下面，记录仪开始进入汽车是否启动检测程序。记录仪如果检测到汽车没有启动，则进入20分钟延时程序，如果在20分钟后，汽车还处于停止状态，则记录仪自动进入休眠状态。如图虚线部分所示。如果汽车已经启动，则记录仪开始进入数据采集与处理程序，这里数据处理包括数据的计算和存储等操作。并在显示器上显示当前汽车运行时间和当前汽车行驶速度已经行驶里程。记录仪在执行这部分操作的同时，还在执行一个程序：汽车是否停止检测程序。如果汽车没有停止，则记录仪继续进行上述操作，但如果汽车停止运行了，则记录仪马上进入20分钟延时程序，在20分钟后，还会进行一次汽车是否启动操作，如果确认汽车停止，则记录仪进入休眠状态。由上面的关于记录仪工作过程的分析中，我们可以看出，记录仪在反复执行如下的操作：汽车是否启动检测程序，汽车是否停止检测程序，20分钟延时，另外还有液晶显示控制程序，数据采集程序等。为了能较清晰地讲述记录仪软件设计过程，我们将要讲述的部分作如下的分组：液晶显示控制程序的设计、数据采集控制程序的设计、汽车是否启动检测程序的设计以与汽车是否停止检测程序的设计。记录仪上电复位进入休眠状态输入驾驶员驾驶序列号是否已经选择序列号？延时20分钟否汽车是否启动？否进入匿名驾驶处理程序显示驾驶员驾驶证号汽车是否启动？否是否采集数据显示车速，实时时间汽车是否停止？否是是图4.8 汽车行驶记录仪工作流程图4.4.1 液晶显示液晶显示部分涉与到一个驾驶员序列号选择的控制程序，要求驾驶员用键盘的按钮选择其序列号。为了使程序设计能够简单，我们设计了3个键用于选择，如图4-9所示。键盘分为UP键，用于向上进行菜单选择；DOWN键，用于向下反向选择；而OK键用于确认。图中虚框同时给出了液晶显示驾驶员序列号选择菜单的示意图。当选中起中一个序列号时，会在后面打上符号作为提示和标志。S3C44B0X01UPDOWNOKLCD12232请输入驾驶员序列号序列号1 序列号2图4.9 键盘控制液晶电路示意图另外记录仪还要求液晶显示器能显示菜单供人机交互的界面，所显示的菜单为图4-10示。当记录仪运行汽车是否启动检测程序检测到汽车已经启动后，处理器对键盘操作不予响应，而当检测到汽车已经停止时，开始根据键盘上的动作执行相应的操作。一级菜单二级菜单三级菜单状态极性驾驶员号码车辆特征系数产品版本号车牌号码返回驾驶员代码每分钟车速（停车前15分钟内）连续驾驶记录累计总里程返回打印完成后，自动返回到正常显示状态若有U盘插入，则保存数据显示进度条调到数据保存完成，若无，则显示操作失败后恢复正常检测开关门开关门参数返回从当前菜单返回正常显示状态例如：苏D4096例如：12345例如：925例如：00000000000例如:03.12.10.0.110100000返回到一级菜单例如：01：03 05 19 08：3003 05 19 11：30返回到一级菜单显示“进行中”，这期间对每个门执行开关操作，检测完成恢复默认显示例如：门1：双键脉冲 门2：未检测到返回到上一级菜单显示参数显示记录数据打印保存数据到U盘其他操作返回例如：999.9km例如：8888888（18位）图4.10人机交互菜单分层结构4.4.2 数据采集控制程序数据采集控制程序主要用于记录仪采集和存储汽车行驶速度，计算和存储汽车行驶里程以与各路开关量信号。汽车行驶速度检测主要是对车速传感器传过来的脉冲信号进行数据处理，数据处理包括单位换算，变量值的计算转换等。这部分程序的设计思路主要是在某一时间段如1ms，计算速度传感器传过来的脉冲个数，假使为n，如果汽车车轮的半径设为R,而且车辆行驶每公里里程时驱动速度传感器的转数为r，则可以得到汽车行驶速度的公式：V=1000n/r；计算行驶速度的关键部分在于检测脉冲个数。在硬件电路设计时，将脉冲信号输出线接到了处理器的外部中断2上面。因此，我们在外部中断2服务程序中设置一个计数器SpeedCount，用于对输入的脉冲个数进行计数。同时，我们将处理器自带的部定时器5打开，用于1ms定时，当定时时间到后，将SpeedCount里面的值提取出来，进行分析和计算。速度检测开始启动定时器5外部中断2SpeedCount计数是否关闭1ms定时时间到关闭外部中断2调用显示速度SpeedCount清零否是二者同时并行工作定时器5等待中断图4.11 汽车行驶速度检测程序工作流程图检测程序工作流程图如图4-11所示。定时器5的中断优先级高于外部中断2。当检测程序启动时，同时启动定时器5个外部中断2，此后二者同时并行工作，定时器5专门用于1ms定时，而外部中断2用于计数。而当定时器5定时时间到后，会将外部中断2关闭，调用显示速度函数，在显示器上将速度显示出来，然后将SpeedCount清零，从新开始计数。4.4.3 汽车是否启动检测程序的设计国标规定当车速传感器输出的脉冲信号超过1脉冲/S，并且持续5S以上时，可认为车辆是在行驶状态，否则认为车辆处于停止状态。汽车是否启动检测程序以此作为检测汽车是否启动的主要判别依据。4.4.4 基于C/OS-的任务调度车载智能终端是一个集车载卫星定位系统和汽车行驶记录仪在一起的复杂的系统，车载终端正常工作时，要执行下面的操作：(1) 需要不断地接收卫星定位信息(2) 通过GPRS网络向监控中心发送数据和接收命令信息(3) 记录仪不断监测汽车行驶时的各种状态其中，记录仪不断监测汽车行驶时的各种状态又包括监测汽车行驶速度，汽车行驶里程等若干操作，如图所示。可以看出，车载智能终端能否正常工作与各部分控制程序是否协调工作有跟大的关系。因此，需要设计一个很好的控制程序调度机制来协调这些程序间的正常工作。在进行了充分考虑后，我们决定选用嵌入式实时操作系统来进行任务管理。嵌入式操作系统EOS（Embedded Operating System）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作，控制和协调。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以与应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点：可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。统一的接口。提供各种设备驱动接口。操作方便、简单、提供友好的图形GUI，图形界面，追求易学易用。提供强大的网络功能，支持TCP/IP协议与其它协议，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持与统一的MAC访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这就要负责系统管理的EOS具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROM中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种存文件系统。更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有40种左右。与其他商业核相比较，C/OS-II的核结构较简单，但算法简单，结构紧凑，实时性较好。C/OS-II的核结构包括任务控制块的结构，就绪表的结构，任务调度以与任务切换机理等，它们根据时钟节拍相互协调工作。(1) C/OS-简介C/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用而设计的实时操作系统，是基于静态优先级的抢占式（preemptive）多任务实时核。该核不大，但具有一般多任务实时操作系统核所具有的如可移植，可固化，可裁剪，可剥夺之类的全部特性。比较适合嵌入式系统的程序员、策划人员以与对实时操作系统有兴趣的学生。而且因为其经过了严格的测试，目前已被应用到了各个领域，如照相机业、发动机控制、网络接入设备、高速公路系统、ATM机和工业机器人等。(2) 基于C/OS-的任务调度C/OS-II是基于静态优先级的多任务实时操作系统核。静态优先级决定了它进行任务管理等操作时，是以任务的优先级为基准的。每个任务都有其优先级。任务越重要，赋予的优先级越高。因此，我们必须要做的一步工作是为每个任务分配一个优先级。并且这个优先级从始至终都不会改变。结合汽车行驶记录仪实际情况，考虑到上文所述的任务间不存在优先级变动问题，为它们每个分配了一个静态的优先级。表4-1所示为任务优先级分配表。表4.1 任务优先级分配表任务名称任务任务优先级汽车是否启动检测VTDRCStTest4汽车是否停止检测VTDRCSpTest58路开关量检测VTDRESTest64路门信号量检测VTDRFSTest7行驶速度检测VTDRRSTest8行驶里程检测VTDRRMTest9连续驾驶时间检测VTDRCRTTest10通过USB传送数据VTDRUSBTran11通过串口传送数据VTDRUartTran12打印机打印数据VTDRPrint13液晶显示VTDRLcm14菜单操作VTDRMenu15汽车是否启动等待任务结束执行汽车是否停止检测任务执行其它检测任务将任务挂起延时图4.12 任务切换流程图 图4-12所示为任务切换流程图。汽车是否启动检测任务VTDRCStTest的优先级最高。因为记录仪上电后首先要执行的是这一步操作。汽车是否停止检测任务的优先级次之，因为，如果汽车停止了，诸如行驶速度检测之类的任务就可以被挂起了。其它的任务优先级仅仅按照先后顺序依次随机分配，其实它们之间的优先级应该是一样的。 当任务VTDRCStTest执行，且检测到汽车已经启动后，调用函数OSTaskSupend将自身挂起。在汽车停止之前，不再让此任务进入就绪态。因为既然汽车启动检测工作已经完成，而且检测到汽车已经启动后，在汽车停止前这一步就没有必要再执行了。 当汽车是否停止检测任务VTDRCSpTest检测到汽车停止后，OSTaskResume将汽车是否启动检测任务恢复。 其它任务每次执行完都会调用函数OSTimeDly将自身延时，暂时退出就绪态。延时时间不等。第5章 应用实例此次的毕业设计是我通过我所在的实习单位的项目实施过程中，根据单位具体对车辆定位系统的应用的实例而设计的。我所在的实习单位通过应用车辆定位系统，对省国家电网的2000多辆国家电网的调度车辆进行了管理和监控。这样不仅应用车辆定位系统对国家电网车辆的监控和调度，同时也使得车辆更加合理的管理和利用，提高了对车辆的利用率，保证了车辆在使用过程中的安全性。5.1运行环境经过以上对设计的详细介绍，该系统须在以下的环境中运行。5.1.1硬件支撑环境表5.1硬件支撑环境硬件最低要求CPUIntel或兼容机；Pentium系列处理器存256M硬盘空间20G硬体客户端加密狗5.1.2 软件支撑环境表5.2软件支撑环境软件最低要求备注操作系统Windows2000 Windows2000、Windows2003、WindowsXP、VISTA插件使用必须安装.net 3.5以上框架无服务器的安装确认应用服务器、通讯服务器和数据库已安装完毕无5.2 安装