基于GPS和GPRS的車輛定位系統(tǒng)設計 自動化專業(yè)畢業(yè)設計 畢業(yè)論文

1、 本科畢業(yè)設計（論文）基于GPS和GPRS的車輛定位系統(tǒng)設計馬 志 興燕 山 大 學2010年6月 本科畢業(yè)設計（論文）基于GPS和GPRS的車輛定位系統(tǒng)設計學院（系）：電氣工程學院 專 業(yè)： 自動化 學生 姓名： 馬志興 學 號： 060103010006 指導 教師： 唐英干 答辯 日期： 2010年6月 燕山大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院：電氣工程學院 系級教學單位：自動化系 學號060103010006學生姓名馬志興專 業(yè)班 級工業(yè)自動化1班題目題目名稱基于GPS和GPRS的車輛定位系統(tǒng)設計題目性質1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（

2、 ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）題目類型1.畢業(yè)設計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產實際（ ）自選題目（ ） 主要內容1、 學習GPS模塊和GPRS模塊的工作原理，接口；2、 學習STM32控制器的工作原理，接口及開發(fā)平臺；3、 設計基于STM32與GPS和GPRS模塊的遠程定位系統(tǒng)；4、 學習PCB設計軟件，設計PCB；5、 調試硬件電路；基本要求1. 設計說明書一份（不少于60頁）；2. 說明書要求條理清晰，文筆通暢，字跡工整，圖文符合國家標準；3. 說明書需經指導教師審核通過，并經專業(yè)教學主任簽字；4. 獨立完成設計任務，培養(yǎng)基本的

3、科研能力；參考資料1 李艷晴等,基于GPRS/GPS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設計，微計算機信息，2004年第4期。2 鐘章隊. GPRS通用分組無線業(yè)務. 人民郵電出版社, 2001。3 李寧編著?；贛DK的STM32處理器開發(fā)應用。北京航空航天大學出版社。周 次第14周第58周第912周第1316周第17周應完成的內容了解工業(yè)GPS模塊和GPRS模塊的相關知識，及STM32的相關知識。學習STM32的開發(fā)環(huán)境與編程語言及GPS和GPRS模塊的工作原理，接口；設計基于STM32與GPS和GPRS模塊的定位系統(tǒng)；完成軟件程序設計。設計PCB板，制版，調試。撰寫論文，準備答辯。指導教師：唐英干職稱：副教

4、授 2009年12月22日系級教學單位審批： 2010年3月2日摘要摘要幾年來，隨著計算機技術、電子技術的飛速發(fā)展，汽車的智能化逐漸成為汽車工業(yè)發(fā)展的必然要求。隨著嵌入式系統(tǒng)的網絡化、智能化趨勢和半導體王藝的進步，嵌入式處理器的性能大幅提高，其應用領域也越來越廣泛。嵌入式技術為汽車電子提供了極佳的解決方案，使開發(fā)出高性能、低成本的智能車載終端成為可能。無線數(shù)據(jù)傳輸技術的快速發(fā)展給相關產業(yè)和領域的發(fā)展帶來了極大的機遇，尤其是對數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)方面的應用。無線傳輸技術極大的擴展了數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的應用范圍，降低了制造和維護成本，提高了系統(tǒng)的設計與運行效率。文中分別從軟件和硬件兩個方面進行了原理

5、分析，并給出了詳細的設計方案。包括硬件平臺的設計、操作系統(tǒng)定制移植、軟件開發(fā)平臺的選擇和應用程序開發(fā)等方面。硬件平臺設計包括：在研究STM32處理器的特性、外圍接口的基礎上核心系統(tǒng)的構建；針對GPRS模塊的實現(xiàn)公能、數(shù)據(jù)接口、引腳功能，完成了其與STM32的接口設計；依據(jù)GPS模塊的特性、基本結構和外部引腳定義，完成了GPS模塊與STM32處理器接口設計；以及LCD接口、USART接口等外圍接口的詳細設計。軟件平靜主要包括GPS信息的采集與解析，GPRS與監(jiān)控中心的通訊，發(fā)短信，LCD顯示等程序。最后對所做工作做了總結，對系統(tǒng)今后研究方向做了展望。比如可以采用和電子地圖相結合的手段獲得更為精確

6、和詳細的定位數(shù)據(jù)，為用戶提供更為方便的服務和更好的地圖視覺效果。以后一定繼續(xù)完善車輛定位系統(tǒng)的功能以滿足未來發(fā)展的需要。關鍵詞：通用分組無線業(yè)務(GPRS) GPS定位系統(tǒng) STM32處理器 車載監(jiān)控IAbstractRecently, great advance has been achieved both in computer science and electronic technology, which makes the modern automobiles much more intelligent and much more comfortable. With more and

7、 more network technique applied in embedded system and the great improvement in semiconductor manufacturing, the EMPU(Embedded Micro-Processing Unit) has extended its application to the automobile industry. The embedded technique gives the best solution for automobile electronics and makes it possib

8、le to produce high performance terminal for cars at low cost. Nowadays, wireless data transition technology has brought great fortune for business especially for the information acquisition system, which could extend the data acquisition range and cut down the maintenance cost.The technique of vehic

9、le supervision can guide the motor to it s destination conveniently, quickly and rightly, which is very important in increasing the transportation efficiency and energy saving. The paper from two aspects of hardware and software, and analyses the principle, and gives a detailed design. Includes hard

10、ware platform design and operating system customization transplantation, the software development platform choice and application development, etc. Hardware platform design including: in the study of the characteristics STM32 processor based on the periphery of the interface, the core of the system.

11、 According to the realization of GPRS module, data interface, and foot function, completed the design of STM32 interface . According to the characteristics of GPS module, basic structure and external pin definition, completed the detailed design of GPS module and STM32 processor interface design, An

12、d LCD interface, the periphery connection USART interface. Software calm mainly includes GPS information collection and analysis, GPRS communication with the monitoring center, text messaging, LCD display programs.At the end of the dissertation, a summary was made. For example, It can be used for el

13、ectronic map and the method of combining obtain more accurate and detailed data, provide more convenient service and better map visual effect. This intelligent vehicle terminal has compact structure and powerful function such as car location and tracking. The system was economical and easily for upg

14、rading. Keywords： GPRS(General Packet RadioService)，GPS(Global Position System)， STM32 Processor, Vehicle terminalIII目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 本系統(tǒng)研究的國內外現(xiàn)狀11.3 本文主要研究內容和工作2第2章 系統(tǒng)總體設計和關鍵技術52.1 系統(tǒng)的整體設計52.2 GPRS技術52.2.1 GPRS網絡結構62.2.2 GPRS的技術優(yōu)勢72.3 GPS技術82.3.1 導航定位技術現(xiàn)狀92.3.2 GPS衛(wèi)星定位原理102.3.3 G

15、PS的應用122.4 STM32處理器132.4.1 總線構架142.4.2 存儲器組織162.4.3 電源172.5 本章小結18第3章 系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)193.1 系統(tǒng)硬件總體設計193.2 GPRS模塊硬件設計203.2.1 UART接口203.2.2 網絡狀態(tài)指示213.2.3 SIM卡接口223.2.4 音頻接口233.2.5 電源接口253.2.6 USB總線接口253.2.7 GPRS模塊整體電路263.3 GPS模塊硬件設計263.3.1 GPS模塊結構框圖273.3.2 GPS模塊設計283.4 STM32處理器設計293.4.1 時鐘電路設計293.4.2 系統(tǒng)時鐘SYS

16、CLK323.4.3 系統(tǒng)復位323.5 人機接口設計343.5.1 TFT 2.8寸彩色液晶屏343.5.2 按鍵和LED電路353.6 輔助電路設計353.6.1 RS232通信模塊353.6.2 系統(tǒng)供電電路363.6.3 JTAG仿真調試接口373.6.4 串行E2PROM存儲器373.7 本章小結38第4章 操作系統(tǒng)移植和軟件設計開發(fā)394.1 uCOS-II嵌入式操作系統(tǒng)移植394.1.1 uCOS-II嵌入式系統(tǒng)簡介394.1.2 uCOS-II系統(tǒng)的移植414.2 GPRS模塊軟件設計444.3 GPS模塊軟件464.3 人機接口軟件設計484.3 輔助程序設計494.4.1

17、串口軟件設計494.4.2 串行E2PROM存儲器的軟件設計504.4.3 輕觸開關和LED的軟件設計514.5 本章小結52結論53參考文獻55致謝57附錄1 開題報告59附錄2 文獻綜述65附錄3 中期報告71附錄4 外文翻譯79附錄5 外文文獻89III第1章 緒論第1章 緒論1.1 課題背景衛(wèi)星導航定位是指利用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供的位置、速度及時間等信息來完成對各種目標的定位、導航。衛(wèi)星導航技術是全球發(fā)展最快的三大信息產業(yè)之一，涉及集成電路技術、軟件技術、通訊技術、嵌入式系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等多領域的戰(zhàn)略性高新科技，在信息、交通、安全防衛(wèi)、農業(yè)、漁業(yè)、防災、救災、環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)展前景十

18、分廣闊1。隨著社會的不斷進步，車輛在人們的生活中起了越來越重要的作用，而車輛帶來的問題也日趨明顯，車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)集合全球衛(wèi)星定位技術，現(xiàn)代移動通信技術，地理信息系統(tǒng)技術于一身，不僅在智能交通系統(tǒng)中擔負主要作用，同時還可以提供防盜防搶劫報警，緊急醫(yī)療求助等多種服務2。車載導航和監(jiān)控系統(tǒng)是ITS的重要組成部分，它們在很大的程度上依靠GPS定位技術、GIS地圖服務技術和無線通信技術來實現(xiàn)其功能。GIS電子地圖，為車輛監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個車輛位置信息的一個形象的可視化表現(xiàn)手段，GPS定位技術使車輛監(jiān)控中的實時跟蹤定位成為可能，而GPRS無線通信技術則在GIS和GPS之間建立一座無線數(shù)據(jù)通信的橋梁，使得

19、遠程監(jiān)控成為可能。通過準確的定位，配合無線通信技術以及數(shù)字地圖，車輛監(jiān)控系統(tǒng)可以進行實時車輛狀態(tài)監(jiān)控、規(guī)劃出行路線、引導車輛避開擁擠路段，提高道路通行能力，緩解道路擁擠和堵塞3。1.2 本系統(tǒng)研究的國內外現(xiàn)狀國外對車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究比較早，大約開始于20世紀60年代，最初主要應用于軍事上。近十年來車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究已經達到相當高的水平，開發(fā)了各種智能化車載導航與監(jiān)控電子裝置，并被廣泛應用于汽車上。就目前情況來看，日本是當今車輛導航定位監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展最為成功的國家之一。在日本的一些豪華汽車上，電子導航設備已經成為標準配置。在日本和歐美，裝載有導航設備的汽車數(shù)量比例非常高。2005年日本

20、汽車車載導航設備安裝率高達59，歐美約在25左右。同時，在北美、歐洲、日本等地，汽車導航銷售額居各類GPS市場之首。車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)可以很方便的使駕駛員得到車輛的具體位置、速度和方向等信息；還可以提供路線查詢、路徑查詢，以使駕駛員可以更快的到達目的地；以及遭遇人身安全問題時，獲得緊急求助4。目前，國內的車載導航監(jiān)控系統(tǒng)存在著很多問題。首先從衛(wèi)星導航的整個應用而言，我國在衛(wèi)星導航領域基本上都是依靠進口的GPS芯片，國內廠商在這些芯片產品上進行二次開發(fā)，生產車載終端、自導航和手持定位儀等產品。2007年國內自主研發(fā)的首款應用于車載的衛(wèi)星導航接收芯片“航芯二號”的設計成功，表明國內已經完全具備GPS

21、、伽利略、北斗等全球衛(wèi)星導航接收芯片的開發(fā)能力，可以替代進口產品，成為中國集成電路設計領域的重要技術突破5。另外，國內GPS應用尚未實現(xiàn)普及，并非是技術和硬件問題，而主要在于滿足用戶需求的服務比較少。國內在智能車載裝置的研發(fā)還要進一步加大投入，增加系統(tǒng)的功能、提高系統(tǒng)性能。隨著嵌入式微處理器的不斷發(fā)展和我國自主研發(fā)衛(wèi)星導航定位技術和衛(wèi)星導航接收芯片的不斷完善，相信我國的車載監(jiān)控終端會朝著功能越來越完善、性能越來越穩(wěn)定、設計越來越人性化的方向快速發(fā)展。1.3 本文主要研究內容和工作近年來，GPS在車輛管理和調度系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。本系統(tǒng)采用STM32為控制器，用GPS模塊來實現(xiàn)空間的定位

22、，用GPRS模塊實現(xiàn)遠程的通信控制，具有數(shù)據(jù)管理、精確定位、實時監(jiān)控和直觀顯示等功能，十分適合車輛定位系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和管理?；谝陨系脑O計方案，采用性價比高的STM32處理器為控制核心，采用UART接口讀取車輛的GPS定位信息，經過信息處理把信息顯示在屏幕上，利用AT指令通過串口和GPRS模塊進行通訊，通過GPRS模塊把采集到的信息通過TCP/IP協(xié)議送到Internet網絡或通過短信發(fā)送到指定的手機上，在遠程收到定位信息后通過已有的數(shù)據(jù)庫確定路況，路線等信息。實時連續(xù)地對車輛的準確位置，速度，方向以及周圍的詳細地理環(huán)境進行監(jiān)控和查詢，對最優(yōu)路徑進行計算和規(guī)劃，幫助駕駛員及時了解車輛目前的位置

23、和狀況，從而快速，安全，準確地到達目的地?；谝陨舷到y(tǒng)設計思想，我將從GPRS模塊、GPS模塊、STM32處理器等模塊詳細介紹系統(tǒng)的設計，本文結構如下：第1章，緒論。簡要介紹了論文選題的背景及意義、課題的來源及各章節(jié)結構。第2章，系統(tǒng)總體設計和關鍵技術。主要介紹了系統(tǒng)的總體設計思想，然后詳細介紹了與此相關的GPRS無線通信網絡的傳輸原理及其優(yōu)缺點，全球定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)的產生、發(fā)展、坐標轉換和數(shù)據(jù)格式，和STM32處理器等關鍵技術，為后面的應用做準備；第3章，系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)，詳細介紹了定位系統(tǒng)的GPRS模塊的硬件結構和電路設計；GPS模塊的電氣特性和接口設計；STM32處理器的總線結構、系

24、統(tǒng)時鐘、電源等必備硬件結構；LCD液晶顯示等人機接口的電路設計；電源模塊等輔助電路的設計；第4章，操作系統(tǒng)的移植和軟件的設計開發(fā)。鑒于系統(tǒng)復雜繁多的任務量，把適用于嵌入式系統(tǒng)的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)UCOS-II移植到本系統(tǒng)中，為后面的任務分配做好準備工作；并詳細介紹了系統(tǒng)各模塊的通信協(xié)議和軟件接口并編寫相應的各模塊的程序；最終結合硬件完成整個系統(tǒng)的軟件硬件搭建；第5章，總結與展望。首先對本課題完成的工作進行了總結，然后結合本課題涉及領域的發(fā)展現(xiàn)狀進行了展望。 61第2章 系統(tǒng)總體設計和關鍵技術第2章 系統(tǒng)總體設計和關鍵技術2.1 系統(tǒng)的整體設計本系統(tǒng)采用性價比高的STM32處理器為控制核心

25、，采用UART接口讀取車輛的GPS定位信息，經過信息處理把信息顯示在屏幕上，利用AT指令通過串口和GPRS模塊進行通訊，通過GPRS模塊把采集到的信息通過TCP/IP協(xié)議送到Internet網絡或通過短信發(fā)送到指定的手機上，在遠程收到定位信息后通過已有的數(shù)據(jù)庫確定路況，路線等信息。c圖2-1 系統(tǒng)結構框圖整個系統(tǒng)如圖2-1所示，采用STM32為控制器，使用GPRS和GPS為功能模塊，外加鍵盤和屏幕顯示為輔助輸入輸出模塊，提供一個人性化的交互平臺。通過這個整體有機的把各個模塊結合在一起，完成所要設計的功能。此系統(tǒng)將包含GPRS通信模塊、GPS定位模塊、STM32處理器等模塊，本章將主要介紹將要用

26、到的各模塊的主要工作原理2.2 GPRS技術GPRS是通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS經常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術之間。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破

27、了GSM網只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀。而且，因為不再需要現(xiàn)行無線應用所需要的中介轉換器，所以連接及傳輸都會更方便容易。GPRS分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長度的包（分組），每個包的前面有一個分組頭（其中的地址標志指明該分組發(fā)往何處）。數(shù)據(jù)傳送之前并不需要預先分配信道，建立連接。而是在每一個數(shù)據(jù)包到達時，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中的信息（如目的地址），臨時尋找一個可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道之間沒有固定

28、的占用關系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用6。 由于數(shù)據(jù)業(yè)務在絕大多數(shù)情況下都表現(xiàn)出一種突發(fā)性的業(yè)務特點，對信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進行數(shù)據(jù)傳送將能夠更好地利用信道資源。2.2.1 GPRS網絡結構GPRS網絡引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍?，這樣使得GSM網絡對數(shù)據(jù)業(yè)務的支持從網絡體系上得到了加強。圖2和圖3從不同的角度上給出了GPRS網絡的組成示意圖。GPRS其實是疊加在現(xiàn)有的GSM網絡的另一網絡，GPRS網絡在原有的GSM網絡的基礎上增加了SGSN（服務GPRS支持節(jié)點）、GGSN（網關GPRS支持節(jié)點）等功能實體。GPRS共用現(xiàn)有的GSM網絡的BSS系統(tǒng)，但要對軟

29、硬件進行相應的更新；同時GPRS和GSM網絡各實體的接口必須作相應的界定；另外，移動臺則要求提供對GPRS業(yè)務的支持。GPRS支持通過GGSN實現(xiàn)的和PSPDN的互聯(lián)，接口協(xié)議可以是X.75或者是X.25，同時GPRS還支持和IP網絡的直接互聯(lián)7。GPRS網絡框圖如圖2-2所示。圖2-2 GPRS網絡結構框圖2.2.2 GPRS的技術優(yōu)勢目前，用手機上網還顯得有些不盡人意。因此，全面的解決方法GPRS也就這樣應運而生了，這項全新技術可以令您在任何時間、任何地點都能快速方便地實現(xiàn)連接，同時費用又很合理。簡單地說：速度上去了，內容豐富了，應用增加了，而費用卻更加合理。 (1) 高速數(shù)據(jù)傳輸速度10

30、倍于GSM，更可滿足您的理想需求，還可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質量音頻與視頻文件，可謂不一般的巨大進步。 (2) 永遠在線由于建立新的連接幾乎無需任何時間(即無需為每次數(shù)據(jù)的訪問建立呼叫連接)，因而您隨時都可與網絡保持聯(lián)系。(3) 僅按數(shù)據(jù)流量計費即根據(jù)您傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量(如：網上下載信息時)來計費，而不是按上網時間計費也就是說，只要不進行數(shù)據(jù)傳輸，哪怕您一直“在線”，也無需付費。它真正體現(xiàn)了少用少付費的原則。 (4) 相對低廉的連接費用 資源利用率高在GSM網絡中，GPRS首先引入了分組交換的傳輸模式，使得原來采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化，這在無線資源稀缺的情況下顯得尤為

31、重要。對于分組交換模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶的計費以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，體現(xiàn)了“得到多少、支付多少”的原則。 (5) 傳輸速率高 GPRS可提供高達115kbit/s的傳輸速率 (最高值為171.2kbit/s，不包括FEC)。這意味著數(shù)年內，通過便攜式電腦GPRS用戶能和ISDN用戶一樣快速地上網瀏覽，同時也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體應用成為可能。(6) 接入時間短分組交換接入時間縮短為少于1秒，GPRS是一種新的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務，它可以給移動用戶提供無線分組數(shù)據(jù)接入股務。GPRS主要

32、是在移動用戶和遠端的數(shù)據(jù)網絡（如支持TCPIP、X.25等網絡）之間提供一種連接，從而給移動用戶提供高速無線IP和無線X.25業(yè)務。GPRS采用分組交換技術，它可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口上的TDMA幀中的8個時隙都用來傳送數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)速率最高可達164kb/s。GSM空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務占用。當然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為GPRS專用信道。要實現(xiàn)GPRS網絡，需要在傳統(tǒng)的GSM網絡中引入新的網絡接口和通信協(xié)議。目前GPRS網絡引入GSN（GPRS Surporting Node）節(jié)點。移動臺則必須是GPRS移動臺

33、或GPRS/GSM雙模移動臺8。2.3 GPS技術衛(wèi)星導航定位是指利用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供的位置、速度及時間等信息來完成對各種目標的定位、導航、監(jiān)測和管理。衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是一種以衛(wèi)星為基礎的無線電導航系統(tǒng)，可提供高精度、全天時、全天候的導航、定位和授時信息，是一種可供海、陸、空軍民用戶共享的信息資源11。2.3.1 導航定位技術現(xiàn)狀自1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功以來，人造地球衛(wèi)星技術在通信、氣象、資源勘察、導航、遙感、大地測量、地球動力學、天文學和軍事科學等眾多領域，得到了極廣泛的應用12。世界上最早的衛(wèi)星導航系統(tǒng)是美國的子午儀導航系統(tǒng)(1964年開始運行)。隨后，為滿足日益增

34、長的軍事需要，20世紀60年代末70年代初，美國和前蘇聯(lián)分別開始研制全天候、全天時、連續(xù)實時提供精確定位服務的新一代全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，到90年代中期全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)GPS和GLONASS均已建成并投入運行。我國也建設了具有自主知識產權的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)：“北斗一號”于2003年底正式開通運行。歐盟籌建的Galileo全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正在計劃實施之中13。以下是幾種主要導航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀比較：目前GPS在實際應用和產業(yè)化上處于國際壟斷地位。特別是從美國于2000年5月1日宣布中止了SA政策后，GPS以其技術優(yōu)勢和廉價的使用成本，在全球得到廣泛應用，涉及野外勘探、陸路運輸、海上作業(yè)及航空航天等

35、諸多行業(yè)，其相關產品和服務市場的年產值達80億美元，成為當今國際公認的八大無線產品之一。GLONASS比GPS系統(tǒng)起步晚9年，全系統(tǒng)正常運行比GPS晚近3年。在1996-1998年間，由于經濟困難，GLONASS星座得不到正常的維護，導致系統(tǒng)性能衰退。目前，俄羅斯已下決心恢復和進一步發(fā)展該系統(tǒng)。我國目前正在自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)填補了我國衛(wèi)星導航定位領域的空白，成為世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的國家。于2003年底建成北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，2007年分別成功研發(fā)了我國首款應用于車載的衛(wèi)星導航接收芯片“航芯一號”和應用于手機的首款CMOS全球衛(wèi)星導航接收芯片“航芯二號”，標志著我

36、國在全球衛(wèi)星導航接收芯片技術領域進入國際先進水平。未來幾年將分別在軍用、民用領域發(fā)揮作用。歐洲于1992年2月提出的獨立自主研發(fā)的導航衛(wèi)星系統(tǒng)Galileo系統(tǒng)將成為第一個民用的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，具有配置、頻率分布、信號設計、安全保障及其多層次、多方位的導航定位特點，其在通信、定位精度、信號功率等方面的性能優(yōu)于GPS，目前正在建設中。綜合考慮各系統(tǒng)性能以及全球衛(wèi)星導航接收機芯片技術等方面，本系統(tǒng)中選用了全球定位系統(tǒng)GPS，獲得高精度的定位信息。2.3.2 GPS衛(wèi)星定位原理全球定位系統(tǒng) (Global Position SystemGPS)是美國從本世紀70年代由美國國防部批準開始研制，歷

37、時20年，耗資300億美元，于1994年全面建成，是具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)是在子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，采納了子午儀系統(tǒng)的成功經驗，是美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng)：用戶設備部分GPS信號接收搬?？臻g部分為21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座。衛(wèi)星分布在6個軌道平面上，每個軌道平面上有4顆衛(wèi)星，在約2萬千米高空的衛(wèi)星，從地平線升起至沒落，可以在用戶視野持續(xù)5小時左右。每一個用戶在任何地方都能夠同時接收到來自412顆GPS衛(wèi)星的定位信號，實現(xiàn)

38、全球性全天時的連續(xù)不斷的導航定位13。控制部分主要由1個主控站、5個監(jiān)控站、3個地面注入站組成，形成一個分布在全世界的地面控制監(jiān)視網，監(jiān)視著各個衛(wèi)星的工作狀態(tài)。主控站主要協(xié)調和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作，監(jiān)控站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)采集中心，地面注入站的主要任務是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時鐘偏差、導航電文等其他指令等注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)。用戶設備的主要任務是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得必要的導航和定位信息及參數(shù)，經過數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)導航和定位功能。GPS是利用測距交會原理確定點的位置來進行定位的。它采用多星高軌測距體制，以接收機到GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀

39、測量。當?shù)孛嬗脩舻腉PS接收機同時接收到3顆以上衛(wèi)星的信號后，通過使用偽距測量或載波相位測量，測算出衛(wèi)星信號到接收機所需要的時間、距離，再結合各衛(wèi)星所處的位置信息，將衛(wèi)星至用戶的多個等距離球面相交后，即可確定用戶的三維(經度、緯度、高度)坐標位置以及速度、時間等相關參數(shù)。定位原理圖如圖2-3所示，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)圖2-3 GPS定位原理上述四個方程式中待測點坐標X，Y，Z和為未知參數(shù)，其中。分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接

40、收機之間的距離。分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達接收機所經歷的時間。C為GPS信號的傳播速度(即光速)。四個方程式中各個參數(shù)意義如下：X，Y，Z為待測點坐標的空間直角坐標。、分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導航電文求得。分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。為接收機的鐘差。由以上四個方程即可解算出待測點的坐標X，Y，Z和接收機的鐘差。2.3.3 GPS的應用全球定位系統(tǒng)GPS擁有全球性、全能性、全天候性的導航定位、定時、測速等優(yōu)點。在諸多領域中得到越來越廣泛的應用，最早應用于軍用定位和導航。隨著技術的發(fā)展和完善，目

41、前全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS已逐步從軍用擴展到民用，主要涉及海、陸、空的導航和定位，使世界交通運輸業(yè)發(fā)生了深刻變革，推動了航天事業(yè)的發(fā)展。同時在工業(yè)、農業(yè)、測繪、氣象等領域均已得到廣泛應用14。下面就GPS在智能交通中的應用做一下介紹。GPS在ITS中主要應用于車輛定位、導航和交通管理，是ITS的重要組成部分。在任一時刻任一目標能通過GPS系統(tǒng)得知汽車的經緯度、速度和準確時聞，然后把這些信息通過無線通信網絡提供給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心負責在電子地圖上顯示出車輛運行軌跡；同時，監(jiān)控中心可根據(jù)路況信息，發(fā)出調度指令，來完成對車輛的集中監(jiān)控。國外早已進行研究，并已取得了一定得成果，已廣泛地應用于公共醫(yī)療事業(yè)

42、、公共服務事業(yè)、銀行、消防、公安等行業(yè)。在發(fā)達國家，GPS技術已經開始應用于交通運輸和道路工程中。目前，GPS技術在我國道路工程和交通管理中的應用還剛剛起步，相信隨著我國經濟的發(fā)展、高等級公路的快速修建和GPS技術應用研究的逐步深入，其在道路工程中的應用也會更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用15。GPS與其它導航系統(tǒng)相比，具有的優(yōu)點主要有以下幾個方面：(1) 定位精度高：通過很多應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50km以內可達1，100-500km可達，1000km以上可達，在300-1500m工程精密定位中，1小時以上觀測的解算，其平面位置誤差小于1 mm?；€邊長越長越能突顯其定位精度

43、高的優(yōu)勢。(2) 觀測時間短：采用GPS布設控制網時每個測站上的觀測時間一般在30-40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時間更短。目前20km以內相對靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15km以內時，流動站只需觀測1-2分鐘；動態(tài)相對定位測量時，流動站出發(fā)時觀測1-2分鐘，然后可隨時定位，每站觀測僅需幾秒鐘。(3) 測站間無需通視：GPS測量不要求站點間相互通視，只需測站上空開闊即可。(4) 可提供三維坐標：經典大地測量將平面與高度采用不同方法分別測量，而GPS可同時精確測定測站點的三維坐標，目前GPS水準可達到四等水準測量的精度。(5) 操

44、作簡單：隨著GPS的不斷改進，自動化程度越來越高，體積也越來越小，重量越來越輕。(6) 全天候作業(yè)：目前GPS觀測可在一天24小時內的任何時間進行，不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等天氣狀況的影響。功能多、應用廣：GPS系統(tǒng)不僅可以用于定位測量，還可用于測速、測時。測速精度可達0.lms，測時精度可達幾十毫秒，精度都比較高。隨著GPS技術的不斷提高，其應用領域正在不斷的擴大。2.4 STM32處理器目前市場上流行的32 位微控制器多采用ARM 處理器核心。采用ARM 處理器核心的32 位微控制器在手機、PDA等產品中有著大量的應用，隨著采用ARM核心的32 位微控制器新品的層出不窮以及價格的不

45、斷下降，也為其應用的下移提供了機會。ARM公司于2006年推出了一款針對價格敏感但又需具備高效能需求的嵌入式應用設計的微處理器核心Cortex-M316。CortexM3處理器采用ARMv7-M架構，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架構，Cortex-M3處理器不能執(zhí)行ARM指令集。Thumb-2在Thumb指令集架構（ISA）上進行了大量的改進，它與Thumb相比，具有更高的代碼密度并提供16/32位指令的更高性能。 STM32有兩個系列的產品，分別是基本型和增強型，基本型和增強型都在片上有5 路的串口，2路的SPI和2路的I2C，片上具有實時時鐘，2個獨

46、立的看門狗，片上集成了上電復位和掉電復位。最多11 路的DMA 通道，所有芯片的管腳有80% 是GPIO。基本型和增強型的區(qū)別在增強型產品有獨立的ADC 通道，其轉換時間為1u秒， 增強型產品還具有USB1.1傳輸接口， 并且其功耗也是32位微控制器領域內最低的產品，相當于0.5mA/MHz?；拘彤a品的最高運行時鐘為36MHz，增強型產品的最高運行時鐘為72MHz。此外，對于電機的矢量控制，STM32 還具有特別的優(yōu)勢：2 路獨立的A/D采樣，定時器可產生6 路的PWM輸出，具有硬件上的乘法和除法指令，具有死區(qū)控制。意法半導體公司為基于STM32系列微控制器提供了完全的免費的底層外設的驅動庫

47、文件，這使得系統(tǒng)的開發(fā)變得非常容易18。2.4.1 總線構架 主系統(tǒng)由以下部分構成：四個驅動單元： Cortex-M3內核 DCode總線(D-bus)，和系統(tǒng)總線(S-bus)、通用 DMA1和通用 DMA2。四個被動單元：內部 SRAM、內部閃存存儲器、FSMC、AHB到 APB的橋(AHB2APBx)，它連接所有的 APB設備。這些都是通過一個多級的AHB總線構架相互連接的19，如圖2-4所示： 圖2-4 系統(tǒng)結構ICode總線 :該總線將Cortex-M3內核的指令總線與閃存指令接口相連接。指令預取在此總線上完成。 DCode總線：該總線將Cortex-M3內核的DCode總線與閃存存

48、儲器的數(shù)據(jù)接口相連接(常量加載和調試訪問)。 系統(tǒng)總線：此總線連接Cortex-M3內核的系統(tǒng)總線(外設總線)到總線矩陣，總線矩陣協(xié)調著內核和DMA間的訪問。DMA總線：此總線將DMA的AHB主控接口與總線矩陣相聯(lián)，總線矩陣協(xié)調著CPU的DCode和DMA到 SRAM、閃存和外設的訪問。總線矩陣：此總線矩陣協(xié)調內核系統(tǒng)總線和DMA主控總線之間的訪問仲裁。此仲裁利用輪換算法。此總線矩陣由四個驅動部件(CPU的DCode、系統(tǒng)總線、DMA1總線和DMA2總線)和四個被動部件(閃存存儲器接口(FLITF)、SRAM、FSMC和AHB2APB橋)構成。 AHB外設通過總線矩陣與系統(tǒng)總線相連，允許DMA

49、訪問。AHB/APB橋(APB)：兩個AHB/APB橋在AHB和2個APB總線間提供同步連接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。當對APB寄存器進行8位或者16位訪問時，該訪問會被自動轉換成32位的訪問：橋會自動將8位或者32位的數(shù)據(jù)擴展以配合32位的向量18。2.4.2 存儲器組織 STM32系列處理器的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個4GB的線性地址空間內。數(shù)據(jù)字節(jié)以小端格式存放在存儲器中。一個字里的最低地址字節(jié)被認為是該字的最低有效字節(jié)，而最高地址字節(jié)是最高有效字節(jié)。外設寄存器的映像請參考相關章節(jié)。可訪問的存儲器空間被分成8個

50、主要塊，每個塊為512MB。其他所有沒有分配給片上存儲器和外設的存儲器空間都是保留的地址空間。在 STM32F10 xxx，可以通過 BOOT1:0引腳選擇三種同啟動模式，如表2-1所示。 表2-1 啟動模式啟動模式選擇管腳啟動模式說明BOOT1BOOT0X0用戶閃存存儲器用戶閃存存儲器被選為啟動區(qū)域01系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)存儲器被選為啟動區(qū)域11內嵌SRAM內嵌SRAM被選為啟動區(qū)域在系統(tǒng)復位后，SYSCLK的第4個上升沿，BOOT管腳的值將被鎖存。用戶可以通過設置BOOT1和BOOT0引腳的狀態(tài)，來選擇在復位后的啟動模式。根據(jù)選定的啟動模式，主閃存存儲器、系統(tǒng)存儲器或SRAM可以按照以下方式訪問

51、： (1)從主閃存存儲器啟動, (2)從系統(tǒng)存儲器啟動, (3)從內置SRAM啟動。通過設置選擇管腳，對應到各種啟動模式的同物地址將被映像到第 0塊(啟動存儲區(qū))。在系統(tǒng)復位后，SYSCLK的第 4個上升沿，BOOT管腳的值將被鎖存。用戶可以通過設置 BOOT1和 BOOT0引腳的狀態(tài)，來選擇在復位后的啟動模式。 即使被映像到啟動存儲區(qū)，仍然可以在它原先的存儲器空間內訪問相關的存儲器。在經過啟動延遲后，CPU從位于 0 x0000 0000開始的啟動存儲區(qū)執(zhí)代碼。內嵌的自舉程序用于通過 USART1接口對閃存存儲器進重新編程。這個程序位于系統(tǒng)存儲器中，由 ST在生產線上寫入。2.4.3 電源

52、STM32的工作電壓(VDD)為2.03.6V。通過內置的電壓調節(jié)器提供所需的1.8V電源。當主電源VDD掉電后，通過VBAT腳為實時時鐘(RTC)和備份寄存器提供電源。復位后調節(jié)器總是使能的。根據(jù)應用方式它以3種不同的模式工作：(1) 運轉模式：調節(jié)器以正常功耗模式提供1.8V電源（內核，內存和外設）。(2) 停止模式：調節(jié)器以低功耗模式提供1.8V電源，以保存寄存器和SRAM的內容。(3) 待機模式：調節(jié)器停止供電。除了備用電路和備份域外，寄存器和SRAM的內容全部丟失。用戶可以利用PVD對VDD電壓與電源控制寄存器(PWR_CR)中的PLS2:0位進行比較來監(jiān)控電源，這幾位選擇監(jiān)控電壓的

53、閥值。通過設置PVDE位來使能PVD。電源控制/狀態(tài)寄存器(PWR_CSR)中的PVDO標志用來表明VDD是高于還是低于PVD的電壓閥值。該事件在內部連接到外部中斷的第16線，如果該中斷在外部中斷寄存器中是使能的，該事件就會產生中斷。當VDD下降到PVD閥值以下和(或)當VDD上升到PVD閥值之上時，根據(jù)外部中斷第16線的上升/下降邊沿觸發(fā)設置，就會產生PVD中斷。電源模塊的系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。圖2-5 電源框圖2.5 本章小結本章主要介紹了系統(tǒng)的總體設計思想和框架結構，然后在介紹總體的基礎上分別介紹了系統(tǒng)設計所需要的關鍵技術，如GPRS的網絡結構、通信原理，GPS的定位原理和所工作做得環(huán)

54、境與要求，最后介紹了所用到的STM32處理器的的主要功能外設和工作模式等知識，為下面的軟件和硬件設計做準備。第3章 系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)第3章 系統(tǒng)硬件設計與開發(fā)3.1 系統(tǒng)硬件總體設計根據(jù)系統(tǒng)需要，采用性價比高的STM32處理器為控制核心，采用UART接口讀取車輛的GPS定位信息，經過信息處理把信息顯示在屏幕上，利用AT指令通過串口和GPRS模塊進行通訊，通過GPRS模塊把采集到的信息通過TCP/IP協(xié)議送到Internet網絡或通過短信發(fā)送到指定的手機上，在遠程收到定位信息后通過已有的數(shù)據(jù)庫確定路況，路線等信息。根據(jù)此設計功能要求嵌入式硬件平臺需要下面幾個模塊電路：GPRS模塊、GPS模塊、

55、STM32處理器模塊、LCD顯示模塊、串口模塊、電源模塊、輔助電路等模塊；(1)GPRS模塊：針對所選用的GPRS模塊設計相應的電路，GPRS模塊通過串口與STM32處理器的USART 2相連，通過SPI接口與SIM卡相連，并把GPRS模塊的語音接口連出來，組成一個功能齊全的電路；(2)GPS模塊：針對所選用的GPS模塊設計相應的電路，GPS模塊通過串口與STM32的USART 3相連，完成定位信息的傳輸；(3) STM32模塊：完成STM32處理器必備的復位電路、電源濾波電路、晶振電路、電池供電電路等。為系統(tǒng)的正常工作提供必備的條件。(4) LCD顯示模塊：主要涉及LCD液晶顯示器和觸摸屏接

56、口的設計，采用分辨率為320 x240的2.8寸的彩色液晶屏，并具有電阻式觸摸屏，為系統(tǒng)的軟件升級提供支持，提供了一個友好的人際接口，更加人性化，(5) 串口模塊：本系統(tǒng)把USART 1通過max3232引到DB9接口上，提供了一個調試程序、檢測系統(tǒng)運行情況的手段，還可以與其他系統(tǒng)進行通信，進而完成更加復雜的功能，也為以后的軟件升級提供接口。(6) 電源模塊：各個模塊的核心器件都有自己的標準工作電壓，而這些電壓卻不盡相同，所以要針對各種電壓設計相應的電壓轉換電路；采用LM2596開關電源芯片，為整個系統(tǒng)供電，可以提供3A穩(wěn)定的電源，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。(7) 輔助電路：包括一個LED指示燈、兩

57、個鍵盤和一個擴展的AT24C128存儲器，用于終端開發(fā)和調試用的JTAG接口，配合系統(tǒng)的正常工作。3.2 GPRS模塊硬件設計本設計中采用的GPRS模塊為華為的EM310模塊，本節(jié)詳細分析了EM310模塊，完成無線傳輸模塊的電路接口設計。EM310是一款小體積即插即用兼容型GSM/GPRS通信模塊，模塊內嵌TCP/IP協(xié)議棧，硬件兼容MC55，可工作在EGSM900和GSM1800兩個頻率，該模塊特性如下17：工作頻段：EGSM900/GSM1800雙頻最大發(fā)射功率：EGSM900/GT800 Class4(2W) GSM1800 Class1(1W)接收靈敏度：=106dBm協(xié)議：兼容GSM

58、/GPRS Phase2/2+標準SIM卡接口（1.8或3V）：兩路模擬音頻接口GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務：GPRS CLASS 10編碼方式：CS1，CS2，CS3，CS4最大下行速率：85.6Kbit/s最大上行速率：42.8Kbit/sEM310 GSM模塊使用 50-PIN B2B 連接器接口方式，為外圍設備提供以下應用接口信號：UART接口、SIM 卡接口、音頻接口、電源接口、USB總線接口、網絡狀態(tài)指示接口。3.2.1 UART接口EM310 GSM模塊提供一路串行接口，支持 8 線串行總線接口或 4 線串行總線接口或 2 線串行接口。EM310 GSM 模塊通過 UART 接口與外界進行串

59、行通信，和AT指令的輸入。UART支持可編程的數(shù)據(jù)寬度、可編程的數(shù)據(jù)停止位、可編程的奇/偶校驗或者沒有校驗，該 UART 口最高支持 115.2kbit/s 的波特率，最低支持 300bit/s 的波特率，默認支持 9600bit/s的速率，支持波特率掉電保存。DCE與DTE的連接關系如圖3-1所示。圖3-1 DCE-DTE連接關系示意圖EM310 GSM模塊可以通過使用 232類芯片與標準 RS-232-C的接口連接。使用 2 線制串口時推薦使用 MAX3232 芯片，模塊的/RXD 通過 MAX3232 芯片轉換后接 DTE 設備的 RXD管腳；DTE 設備的 TXD通過 MAX3232芯

60、片轉換后接模塊的/TXD 管腳。使用8線串口時，使用 SP3238或 MAX3238等芯片。3.2.2 網絡狀態(tài)指示EM310 GSM模塊在接到短信息時，RING 管腳會輸出 150ms 低電平，波形如圖3-2所示； 圖3-2 收到短消息指示EM310 GSM模塊在接到語音呼叫時，RING 管腳會輸出 1s 低電平 4s 高電平，周期變化。波形如圖3-3所示：圖3-3 收到語音呼叫指示RING 管腳驅動 LED燈時，需要根據(jù) LED的壓降和額定電流選擇合適的限流電阻，將 RING 管腳經過一個反向器，電路如圖 3-4 所示。圖3-4 RING管腳驅動lED電路3.2.3 SIM卡接口 EM310 G