基于ARM處理器的車載GPS系統設計方案

概述：本文設計了一套基于ARM處理器的車載GPS系統，采用AT91RM9200處理器為硬件平臺，在該處理器上移植Linux操作系統，利用操作系統的資源編寫程序實現GPS和GPRS的功能在車載GPS系統中的應用。本文提供了一套切實可行的具有實時監控能力的車載GPS衛星定位系統設計方案。

1 引言

車載GPS定位終端在過去十年內已經成為汽車工業發展的焦點。在歐美國家和日本，車載GPS定位終端在最近幾年內得以廣泛的應用。車載GPS定位終端是融全球衛星定位技術(GPS)和現代無線通信技術于一體的高科技系統。該終端的主要功能是通過GPS模塊從衛星獲取GPS數據,將移動車輛的動態位置(經度、緯度、時間、速度)等信息實時地通過無線通信鏈路上傳至監控中心,同時接收監控中心發送的控制命令。目前的車輛監控系統中大多采用GSM通信網以短信息的方式進行通信,不能充分滿足實際應用的需要。而GPRS(General Packet Radio Service)通用分組無線業務是一種以分組交換技術為基礎,采用IP數據網絡協議的高效數據傳輸網絡，可以彌補GSM網絡的不足。車載GPS定位終端不僅在智能交通系統中擔負主要作用，同時還可以提供防盜防搶劫報警，公交車報站，物流車輛調度等多種服務。

2 車載GPS定位系統的硬件設計

本部分介紹車載GPS定位系統硬件系統的設計方案，著重闡述嵌入式處理器AT91RM9200硬件系統的設計，GPS衛星數據采集模塊的接口設計和GPRS通信模塊接口的設計。如圖1所示，車載GPS定位系統的硬件結構主要由GPRS接收模塊、GPS接收模塊、SDRAM,FLASH存儲器模塊、串口通信模塊，以及外圍模塊組成。

?????????????????????? 圖1? 車載GPS定位系統的硬件結構組成

2.1? GPRS接收模塊電路設計

GPRS模塊負責主電路板與監控中心的通信任務，它將處理好了的GPS數據通過網絡發送給監控中心，并接收監控中心發送給主電路板的控制命令，該模塊直接影響到這個車載終端的實際使用效果。

本系統選用的GPRS模塊是由索尼愛立信公司推出的GR47模塊，該模塊的主要特點是內置TCP/TP協議棧。它允許一個TCP/UDP傳輸機制以最小的前期配置和操作來被使用。其內嵌控制器方便集成客戶的應用，減少外部控制器的需求。GR47支持雙頻GSM寬帶900MHz/1800MHz，可通過SMS短消息服務、CSD、HSCSD或GPRS來發送或接收資料，并可處理語音及傳真。其TCP/IP協議棧也可通過AT命令或嵌入式應用進行訪問。由于GR47模塊內嵌了TCP/IP協議棧，所以可以直接用AT命令對其進行控制，使用起來非常方便。圖2描述了GPRS通信模塊的串口電路設計。???
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圖2 GPRS模塊的串口電路設計圖

2.2 GPRS模塊的SIM卡電路設計

GR47模塊帶有一個SIM卡的接口，遵從IS07816 IC卡標準。通過電線與外部擴展的SIM卡盒相連。圖3描述了GPRS模塊的SIM卡電路設計。

圖3 GPRS模塊SIM卡電路設計圖

2.3 GPS接收模塊電路設計

GPS模塊負責接收GPS定位衛星發送的導航電文，他通過串行接口與主電路板相連接，是實現接收GPS數據的關鍵。

對于GPS模塊的選擇而言，通常從技術參數，支持的通信協議，控制接口和成本幾個方面考慮。目前商用的GPS模塊，大都支持12通道，采用C/A編碼，NMEA0183協議，通過RS232接口控制。本系統選用的GPS衛星數據采集模塊為上海麗浪公司出品的GPS-R25型GPS模塊，具有以下特性:12通道C/A碼接收控制，可同時監控12路衛星信號；內部集成16位ARM7TDMI處理內核；電池會在正常的使用過程中充電；GPS衛星采集模塊的誤差范圍為1～5米；2種接口連接且用戶可自選波特率；達到工業級的標準并且防水。并且該模塊即可以通過RS-232的串口與主電路板相連接，也可以通過PS2接口與主電路板相連接，使用起來非常方便。

2.4 FLASH存儲器電路設計

Flash存儲器是一種可在系統電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。作為一種非易失性存儲器，Flash在系統中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統掉電后需要保存的用戶數據等。系統采用了一片K9F5608U0A的NAND型Flash，K9F5608U0A是三星公司生產的K9XXXXXU0A系列閃存中的一種，32MB容量，讀寫速度快，數據保存時間長以及高達10萬次的擦除寫入壽命等優點。該芯片具有一個八位的I/O端口。在CE為低電平時，把WE置低，地址、命令和數據都可通過該端口寫入。數據在WE的上升沿被鎖存，CLE和ALE分別用來控制對命令和地址的鎖存。同時K9F5608U0A具有較強的糾錯功能，能夠最大限度地保護用戶數據。

2.5 SDRAM存儲器電路設計

SDRAM存取速度大大高于Flash存儲器，具有讀/寫的屬性，因此SDRAM在系統中主要用作程序的運行空間，數據及堆棧區。系統啟動時，CPU首先從復位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統的初始化后，程序代碼一般應調入SDRAM中運行，以提高系統的運行速度，系統及用戶堆棧、運行數據也都放在SDRAM中。在主電路板中用HY57V281620型SDRAM.。系統采用兩片HY57V281620并聯構建32位的SDRAM存儲器系統，其中一片為高16位，另一片為低16位，可將兩片HY57V281620作為一個整體配置到任意一個外部存儲器的區域。SDRAM存儲器電路設計如圖4所示。

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圖4? HY57V281620的連接框圖

3 車載GPS定位系統的軟件設計

車載GPS系統的應用程序在功能上可以分為7個功能模塊，即初始化模塊，控制模塊，GPS數據獲取模塊，上行數據轉換模塊，用戶界面模塊，通信模塊和下行數據處理模塊。

初始化模塊主要實現對串口的初始化及把所有的標志位置零；控制模塊主要是根據上位機的命令來執行相應的操作，比如采集GPS數據，發送當前行車狀態等；用戶界面模塊主要功能就是把GPS數據，狀態數據等在觸摸屏上顯示出來，同時還要可以響應觸摸屏上的中斷，以便實現通過觸摸屏操作車載終端的功能。

GPS數據獲取模塊的主要功能就是通過與串口相連接的GPS模塊獲取當前的GPS信息；在本程序中用的是GPRMC定位語句，將忽略其它信息。提取GPRMC語句的思路是設置一個數據緩沖區，把接收到的GPS數據都放入這個緩沖區，當緩沖區滿了的時候就在緩沖區中查找是否接受到GPRMC定位語句，如果沒有接收到則重新接收GPS數據。如果找到了GPRMC定位語句則還要判斷該語句在緩沖區中的位置離緩沖區的最大字節數是否大于62個字節。（因為本程序中需要的GPRMC定位語句所包含的字節數為62）

上行數據轉換模塊的主要功能是把接收到的GPS數據或是相關的狀態信息轉換成約定好的數據格式以便同監控中心的通信。該模塊會判斷需要轉換的數據是GPS數據信息還是相關狀態信息或是兩者都有，然后選擇相應的轉換程序。由上面的介紹可以知道接受到的GPS數據都是順序存放在數據緩沖區當中的，需要什么數據就到緩沖區中相應的位置提取就可以了。數據都是以字符形式存放的，所以實際要用的時候必須先轉換成整形數據。下行數據轉換模塊的功能與上行數據轉化模塊的功能相反，它將監控中心發送的命令進行識別后發送給車載終端，并送用戶界面模塊顯示。

通信模塊的主要任務是完成車載終端與監控中心的通信，它既可以通過GPRS網絡實現與監控中心的無線通信，也可以通過網口與筆記本電腦連接進行通信。如果車載終端與上位機的距離隔的很遠可以直接通過GPRS網絡與監控中心進行連接，而且通過GR47模塊連接GPRS網絡與監控中心連接也非常方便，只用往GPRS模塊發送幾條AT命令就可以了，但是監控中心必須有能上因特網的固定IP。啟動車載終端的同時GR47模塊也會被啟動，這是模塊會自動連接上GPRS網絡進入命令模式。撥號成功以后就連接上了GPRS網絡了，然后對于GR47模塊連接的串口進行讀寫操作就可以實現與監控中心的無線通信了。通過網口進行通信則比較簡單，直接采用Linux下的socket編程就可以實現。

根據以上各個模塊的功能的定義，軟件部分主流程圖如圖5所示：

圖5 主程序流程圖

4 總結

本文的創新點是采用GPRS通信網絡進行無線通信代替了傳統的GSM短信息通信模式，不僅節約了整個系統的運行成本，而且提高了數據的傳輸速度和可靠性；同時選用了工業級的帶有內存管理功能的ARM9芯片AT91RM9200作為處理器，并圍繞它進行電路設計，使得該終端有很高的可靠性，并且能夠適應比較惡劣的環境，因為選用了帶內存管理功能的ARM9芯片，所以可以移植Linux操作系統，該操作系統自帶的資源十分豐富，使得應用程序的功能更加強大，同時也增加了軟件的擴展性；最后本車載定位終端融合了GPS全球定位技術，GPRS無線通信技術,ARM嵌入式技術以及嵌入式Linux系統的移植與編程，屬于一個交叉學科的工程項目。自該系統投入市場半年以來，創造了50余萬元的經濟效益。