北斗卫星定位车载终端技术方案

北斗卫星定位车载终端技术方案 三 技术原理 北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统 CNSS 是除美国的全球定位系统 GPS 俄罗斯的 GLONASS 之后第三个 成熟的卫星导航系统 北斗卫星导航系统为用户提供高质量的定位 导航和授 时服务 其建设与发展则遵循开放性 自主性 兼容性 渐进性 北斗卫星定 位车载终端采用了多模块化 组合式优化设计 内置高性能芯片 各模块之间 的接口采用标准接口 充分利用系统平台 移动通讯网络 因特网络 将汽车 行驶记录仪 卫星定位 卫星导航 油耗检测功能集于一体 通过无线数据通 讯接口 GSM GPRS CDMA 和 GPS 接口 能与监控中心系统进行数据通 信和移动位置的定位 能够满足用户的多种需求 除具有传统行驶记录仪的功能外增加了定位导航 监控跟踪 数据实时传送 油耗检测等功能 并且能够实现对车辆实时监管 调度 遇险报警远程网络监 控 彻底改变了现有汽车行驶记录仪只能实地监管 事后监督的弊端 GPS 北 斗 2 双模卫星定位模块 可以灵活配置信号处理通道工作于单 GPS 模式 或单 北斗 2 模式 或 GPS 北斗 2 混合模式 兼容目前现有的 GPS 单模定位 且能 实现双模捕获 双模跟踪更加智能化 集成化 因此 基于以上原理设计的卫 星车载终端监控系统 大大超出了传统行驶记录仪的功能 具有极为光明的发 展前景 四 设计方案 一 设计原则 1 先进性和适用性相结合 系统采用成熟的高新科技 以目前较为先进的方法实现需要的功能 保证系统 具有深厚的发展潜力 在相当长的时间内具有领先水平 2 通用性和安全性相结合 在系统设计过程中 均留有相应的通信接口 系统的各个模块构成一个有机的 整体 系统数据库中的各种数据在交换和共享的过程中 充分考虑到了系统的 安全性 对每一个用户的权限有严格的认证 司机卡身份识别 体制 对每一 个用户的权限进行分级控制和限定 3 安全可靠性 在经济条件允许范围内 从系统结构 设计方案 考虑到非法用户及病毒入侵 数据采用纠错冗余技术 技术保障等方面综合考虑 系统尽可能地采用成熟的 技术 商品化的软硬件产品 保证系统可靠稳定运行 4 实用性 整个系统的操作以方使 简捷 高效为目标 多操作平台整体设计 统一操作 既充分体现快速反应的特点 又能便于工作人员进行业务处理和综合管理 便 于运输交通管理层及时了解各项统计信息和决策信息 便于执法部门的远程监 督 5 可扩展性 考虑到业务功能在不断发展 变化 因此要求系统在结构 容量 通信和处理 能力等方面具有可扩充性和升级能力 二 设计依据 1 多样化的完备的授权模式能够满足账户和权限管理上的各种需求 2 中华人民共和国道路交通安全法 3 公安部道路交通违法信息代码 4 公安部道路交通违法数据交换格式 5 公安部道路交通机动车违法信息规范 6 符合国家关于车载终端管理要求 试行 7 参考国家关于危险品车辆运输要求规范 8 产品和系统同时符合公安交警部门制定的信息采集和联网传输要求 9 卫星车载终端监控系统采用模块化设计 确保系统能搭载今后拓展功能 五 实施方案及采取的关键技术措施 一 硬件系统主要元件的选择及电路设计 根据设想功能 主控板通过串口接口完成与 GPRS 和 GPS 数据交换 GPRS 与 GPS 都有独立的 CPU 串口接口 与铁电存储器及 FLASH 连接可保存用户设置 资料 主控板电源有高压 大于 30V 保护电路 耐压可达 100V 左右 主控 板上开关电源电路 分别给 GPRS 模块和 GPS 模块供电 电源逻辑开关控制 GPRS 模块和 GPS 模块的电源 后备电池电路保证主电源断电的情况下 继续 给主控板一定时间的供电 后备电池电路具有自充电功能 可检测多路开关信 号 并可进行油路控制 可检测主电源断电和主电源欠压 硬件系统组成 主机部分 通信部分 定位模块部分 显示及打印扩展通信接 口部分 传感器接口五部分组成 1 主机部分包括 ARM 处理器 数据存储器 数据传输信号接口组成 2 通信部分主要由 RS232 接口和华为 EM310 无线通信模块组成 其中无线 通信模块 EM310 用于车载终端同监控中心之间的通信 3 定位模块采用 GPS 北斗双定位模块 CC50 BG 或 UM220 其主要是对车 辆进行实时定位 4 显示及打印扩展通信接口 可外接调度屏或手柄 5 传感器信号主要是 ACC 油路 温度 车速 空调 劫警等信号 1 ARM 处理器的选择 本系统采用 STM32F103VCT6 芯片作为核心信号处理器 该芯片大容量片内存 储器 它采用 3 3V 电压供电 功耗低 宽电压范围 CPU 与北斗接收模块 GPRS 通信模块之间采用串行通信 基于 Cortex M3 内核的 STM 32F103 系列芯片是新型的 32 位嵌入式微处理器 它是不需操作系统的 ARM 其性能远高于 51 系列单片机 提供很高的代码效 率 该系列微处理器工作频率为 72MHz 内置高达 128K 字节的 Flash 存储器 和 20K 字节的 SRAM 具有丰富的通用 I O 端口 STM32F103 系列微处理器主要资源和特点如下 1 多达 51 个快速 I O 端口 所有 I O 口均可以映像到 16 个外部中断 几 乎所有端口都允许 5V 信号输入 每个端口都可以由软件配置成输出 推挽或开漏 输入 带或不带上拉或下拉 或其它的外设功能口 2 2 个 12 位模数转换器 多达 16 个外部输入通道 转换速率可达 1MH z 转换范围为 0 36V 具有双采样和保持功能 内部嵌入有温度传感器 可方 便的测量处理器温度值 3 灵活的 7 路通用 DMA 可以管理存储器到存储器 设备到存储器和存储 器到设备的数据传输 无须 CPU 任何干预 通过 DMA 可以使数据快速地移动 DMA 控制器支持环形缓冲区的管理 避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所 产生的中断 它支持的外设包括 定时器 ADC SPI I2C 和 USART 等 4 调试模式 支持标准的 20 脚 JTAG 仿真调试以及针对 Cortex M3 内核 的串行单线调试 SWD 功能 通常默认的调试接口是 JTAG 接口 5 内部包含多达 7 个定时器 具体名称和功能如表 1 所示 6 含有丰富的通信接口 三个 USART 异步串行通信接口 两个 I2C 接口 两个 SPI 接口 一个 CAN 接口和一个 USB 接口 图 2 STM32F103 引脚功能图 图 3 CPU 外部接口电路 2 通讯部分 EM310 无线通讯模块负责移动车辆和监控中心的双向通信 车辆的状态信息即 通过无线通讯模块发送到监控中心 因此 信息传输是否及时 可靠是卫星车 载终端监控系统性能的一个重要环节 GPRS 的移动通信网络 具有系统容量大 频谱利用率高 频率规划简单 不 易掉线 抗干扰能力强的特点 本系统采用 GPRS 短信息通讯方式 北斗车载 的定位数据经过格式转换利用 GPRS 通信模块的短信息信道传到监控中心 监 控中心亦通过 GPRS 短信息信道向车辆发送指挥调度信令 GPRS 短信息通讯方式 具备 GPRS 语音调制方式 覆盖范围广 容量大的优 点 同时短信息业务具备传输速度快 不影响语音通话 价格便宜等优点 因 此本系统即应用其 SMS 短消息服务 作为通讯系统的首选方式 EM310 无线通讯模块 它具有标准 RS232 串行接口 支持语音 数据以及短消 息 SMS 并能适应较宽的电压范围 在系统的设计中主要使用其短消息发送 接收功能 软件控制方面 使用 AT 指令对 EM310 模块进行控制 3 定位部分 GPS 北斗双定位模块的主要功能是实时接收 BD2 和 GPS 导航卫星信号 提取 原始观测量并解调数据 通过卫星电文分析及数据处理 完成应用系统所要求 的各项功能 主要包含三个功能单元 即 RF 前端 基带信号处理和应用处理 单元 其功能结构图如图 3 所示 图 3 GPS 北斗双定位模块功能结构图 RF 前端单元包含了从天线到数字信号处理器之间的所有部件 其主要功能是将 定位卫星射频信号变换为信号处理器工作范围内的中频信号 尽可能抑制多径 干扰和带外干扰 同时将信噪 信号和噪声 提高到信号处理器可工作的电平 并提供一定的信号变化动态范围 其中预放 前置放大器 将直接影响接收信号 的信噪比 一般采用噪声系数小 增益高和动态范围大的放大器 信号处理单 元是 GPS 北斗双定位模块的核心 主要功能是从多址信号中分离识别各卫星信 号 对扩频卫星信号进行相关解扩 在恢复信噪比的基础上解调载波 消除频 率偏移 包括多普勒频移等 的影响 恢复基带信号 最后将相关解扩 解调处 理的历元时刻所对应的码状态 载波及相位状态形成原始观测量 与定位导航 数据一起传送给应用处理单元 对信号处理模块提供实时控制 并对其输出作 进一步的处理 解算出位置 速度 时间 PVT 和其他信息以满足各种应用的 要求 当 GPS 北斗双定位模块与定位卫星通信正常时 我们可以得到如下格式的定位 数据 GPGGA 11 各字段代表的意义如下 GPGGA 消息 ID GGA 协议头 时间 hhmmss sss 格式 纬度 ddmm mmmm 格式 N S 指示 N 北 S 南 经度 dddmm mmmm 格式 E W 指示 W 西 E 东 定位指示 0 没有定位 1 SPS 模式 定位有效 2 差分 SPS 模式 定 位有效 3 PPS 模式 定位有效 卫星数目 范围 0 到 12 水平精度因子 天线高度 大地椭球面高程 差分 ID 图 4 模块外围接口电路 4 显示部分 车载调度屏配接定车载位终端主机 用于通话 打印 短信通信和终端设置 主要功能有收发短信 阅读短信 打印 拨打接听 免提 电话 车辆调度 USB 等功能 终端在完成将车辆状态信息向监控中心传送的同时 车上的显示 部分也将显示出各个状态量 以供驾驶员参考 液晶模块显示这些信息 主要 包括驾驶员编号 车辆的经纬度 行驶速度 实时时间等 是人机交流的窗口 具有操作简便 安全可靠 一目了然等特点 5 听筒与麦克风接入单元 听筒与麦克风 作为系统的音频输入和输出部分 由于 GPRS 芯片内部已包括 对于音频的处理 通过 MC34119 芯片放大后 由音频接口输出 6 电源电路 车载终端的供电电源为车载蓄电池 供电电压 9 24V 终端各个组成部分对输 入电压的要求依次为 CPU 电压 3 3V GPS 模块需要 5 0V GPRS 通信模块 要求 3 8V 因此必须专门设计电源电路以满足各组成部分的要求 如图 CPU 供电电路 图 5 CPU 供电电路 图 6 GPRS 模块供电电路 图 7 北斗模块供电电路 二 系统平台的软件开发 1 软件设计原则 1 软件设计与硬件电路设计需综合考虑 2 软件设计必须保证系统的各个硬件功能模块能够协调工作 完成指定的系 统功能 3 各项功能程序设计实现模块化 4 合理规划程序存储区和数据存储区 为功能的扩展预留空间 方便今后系 统的功能完善和软件升级 5 采取软件抗干扰措施 保证系统更可靠的运行 2 软件设计方法 软件设计应该采用模块化设计的方法 模块化设计就是把软件按照规定的原则 划分为一个个较小的 相对独立但又相互关联的模块 分解 信息隐藏和模块 独立性 是实现模块化设计的重要指导思想 分解 是人们处理复杂问题常用的方法 模块的接口工作量却随着模块数的 增加而增大 每个软件都存在一个最小成本区 把模块数控制在这个范围内 可以使总的开发工作量保持最小 信息隐藏 就是指一个模块内部的数据与过程应该对不需要了解这些数据与 过程的其它模块隐藏起来 目的 是为了提高模块的独立性 当修改或维护模 块时 减少把一个模块的错误扩散到其它模块中去的机会 模块独立性 概括了把软件划分为模块时要遵守的准则 也是判断模块构造 是否合理的标准 模块的独立性愈高 则块内联系越强 块间联系越弱 3 软件开发工具 多功能车载通信系统是采用 KEILC51 进行软件开发的 KEILC51 标准 C 编译 器为 8051 微控制器的软件开发提供了 C 语言环境 同时保留了汇编代码高效 快速的特点 C51 被完全集成到 uVision2 的集成开发环境中 这个集成开发环 境包含 编译器 汇编器 实时操作系统 项目管理器 调试器 uVision2 IDE 可为它们提供单一而灵活的开发环境 C51 V7 版本是目前效率最高 最灵活 的 8051 开发平台 它可以支持所有 8051 的衍生产品 4 主程序设计流程 编程语言采用 C 语言 实现的功能包括 信令的接收 处理与发送 GPS 数据 处理及电源控制 报警 话音业务 无线通信模块的通信 I O 口信号采 集与控制等 车载终端主程序主要用来实现开机自检 协调整个系统工作 在 不同时间调用不同程序实现记录仪的各种功能 开机自检功能主要是 CPU 与外 围器件 如存储器 RAM 实时时钟模块 显示模块等模块的通信状态检查及实 现对这些器件的初始化 如果各外围器件状态良好 初始化通过 则记录仪开 始工作循环实现既定功能同时绿色的工作指示灯闪亮指示 如记录仪开机自检 没有通过 则实现红色报警指示灯闪烁和报警蜂鸣器的轰鸣报警提示 5 项目产品技术性能比较优势 利用我们在客车总线系统 汽车行驶记录仪的研究中积累的大量实践经验 掌 握的客车车载卫星定位终端研究关键技术 针对本项目产品定位漂移 语音滞 后两个问题 分别作了改进提升 1 采用高动态北斗接收机及先进的 32 位 ARM 处理器解决车载导航的信号 漂移问题 北斗模块接收卫星的定位信号运算出自身的位置 经度 纬度 高度 时间和 运动状态 速度 航向 每秒 1 次送给单片机并存储 以便随时提供定位信息 MCU 单片机控制整个车载台的协调工作 而同类产品只能做到每 5 秒一次处理 定位信息 本产品在车辆行驶速度超过 40 千米时依然可以正确的提供车辆行驶 定位数据 而其他产品在超过 40 千米时会出现 5 15 的漂移误差 6 产品创新点 1 采用高动态北斗接收机解决车载导航的信号漂移问题 2 与 CAN 总线衔接 信息共享 3 开发的软件一专多能 兼容多家通信协议 解决语音滞后问题 4 在硬件和 软件上采取了许多抗干扰措施 能保证记录数据的可靠性 5 可以自导航 GPRS 无线上网及数据通讯 多媒体播放等 6 通过 GSM 公网组成监控系统 可用于车辆的监控 调度 支持 WINDOWS 操作系统