宋辰，侯立剛

（北京工業(yè)大學(xué) 集成電路與系統(tǒng)研究室，北京　100124）

基于嵌入式平臺(tái)的GPS車載定位裝置的設(shè)計(jì)

宋辰，侯立剛

（北京工業(yè)大學(xué) 集成電路與系統(tǒng)研究室，北京100124）

隨著社會(huì)的進(jìn)步，推動(dòng)城市的發(fā)展同時(shí)兼顧環(huán)保，電動(dòng)自行車、自行車的數(shù)量也跟著機(jī)動(dòng)車數(shù)量一起增加，為了非機(jī)動(dòng)車的監(jiān)管，采用GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的短消息服務(wù)，設(shè)計(jì)了一種低成本，易使用的GPS車載定位裝置，實(shí)現(xiàn)了GPS位置的接收與發(fā)送。根據(jù)實(shí)際測試，該裝置具有方便快捷，成本低，便于使用的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

嵌入式系統(tǒng)；GPS；GSM；定位裝置

隨著全球各國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)新的階段,用戶將面臨四大系統(tǒng)(GPS/GLONASS/Galileo/北斗)近百顆導(dǎo)航衛(wèi)星同時(shí)并存、互相兼容的局面，而它們的民用部分也將呈現(xiàn)彼此補(bǔ)充、共享的態(tài)勢，在這之中，用戶將面臨多系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的組合、選用和最優(yōu)化問題。用戶要根據(jù)各個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的不同特點(diǎn)和優(yōu)勢，針對用戶所需的準(zhǔn)確度、可靠性和費(fèi)用，選擇如何最佳綜合利用多系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星的信息。導(dǎo)航衛(wèi)星領(lǐng)域必將在硬件、應(yīng)用技術(shù)和數(shù)據(jù)處理等方面會(huì)繼續(xù)不斷的改善和提高，價(jià)格更便宜、硬件更小型更輕型、應(yīng)用多功能，使用智能化;它的各類成果在準(zhǔn)確度和可靠性方面將大幅度提高，并將在各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域里得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。

而近年來，中國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致GPS導(dǎo)航系統(tǒng)市場的發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮?，由于?dǎo)航衛(wèi)星、車載導(dǎo)航設(shè)備商業(yè)化應(yīng)用環(huán)境以及衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的成熟，車載導(dǎo)航系統(tǒng)被消費(fèi)者更加廣泛地接受，不僅僅是社會(huì)消防車，救護(hù)車，出租車等集體車輛，類似私人機(jī)動(dòng)車，電動(dòng)車，自動(dòng)車，乃至易走失的老年人都攜帶有GPS功能的產(chǎn)品，這導(dǎo)致在選擇GPS裝置時(shí)，會(huì)更加細(xì)致的考慮成本，功耗，質(zhì)量，大小等問題。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1定位原理布局

GPS車載定位裝置需要許多部分構(gòu)成，在邏輯上由3大部分組成:GPS衛(wèi)星定位，GSM無線通信，監(jiān)控中心。

GPS衛(wèi)星定位主要通過車載裝置上的GPS模塊接收衛(wèi)星信號(hào),類似“收音機(jī)”一樣，解調(diào)衛(wèi)星廣播的信號(hào)，并根據(jù)收到的信號(hào)計(jì)算出此時(shí)車載裝置的地理位置，并轉(zhuǎn)化為可讀的經(jīng)緯度信息。

無線通信采用GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)的短消息功能,該部分主要用來發(fā)送包括位置、時(shí)間，衛(wèi)星可用數(shù)量等信息，和用來接收來自監(jiān)控中心的控制信令，從而是監(jiān)控中心更好的操控裝置的運(yùn)行。

監(jiān)控中心主要功能是用來接收位置信息，分析并發(fā)送控制指令。監(jiān)控部分采用GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù),主要用來顯示省、市、地區(qū)的電子地圖,并在圖上標(biāo)出受控車輛的當(dāng)前位置和發(fā)送控制信令，這為后續(xù)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)[3]。

GPS定位裝置上的應(yīng)用具體流程如圖1所示。

本文要設(shè)計(jì)的是基于嵌入式平臺(tái)上的系統(tǒng)，為了使用方便，選擇帶有GPS定位功能的手機(jī)作為系統(tǒng)的終端設(shè)備作為硬件支持。

圖1　應(yīng)用流程圖Fig.1　The flow chart of the application

同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能還需要許多接口函數(shù)，使系統(tǒng)能夠安全移植到其他平臺(tái)系統(tǒng)中，所以也要對平臺(tái)終端通訊協(xié)議規(guī)范進(jìn)行一定的整理刪改，使其符合系統(tǒng)移植的要求。所以在開發(fā)工程中，都使用標(biāo)準(zhǔn)C語言進(jìn)行編程開發(fā)，這既符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，也為后續(xù)系統(tǒng)完善奠定了基礎(chǔ)。

1.2硬件裝置

在車載終端硬件的選擇上，為了符合平臺(tái)的要求，選擇了MTK6225作為GPS裝置的硬件終端，主設(shè)備硬件圖如圖2所示。

圖2　主設(shè)備硬件圖Fig.2　The main equipment hardware diagram

1.3GPS模塊

對于GPS模塊，市場上大部分選用U-blox公司的芯片。對于U-blox公司，發(fā)展的GPS定位芯片主要有如下3種，下面3種芯片主要性能介紹，如表1所示。

表1　芯片性能介紹Tab.1　Chip performance is introduced

由于本設(shè)計(jì)是基于mtk智能手機(jī)平臺(tái)而設(shè)計(jì)，本著低功耗，低成本的原則，我們選擇UBX-G6010-NT芯片，該芯片的性能符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。選擇了U-blox的vk16u6模塊搭載UBX-G6010-NT芯片，該模塊的性能符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)GPS模塊正常工作，需要車載終端裝置提供電源以及其他硬件要求，當(dāng)裝置開始工作時(shí)，GPS模塊能夠自動(dòng)檢測并接收 GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，獲取位置信息。

車載終端在接收到中心發(fā)送的定位指令后，對接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解析運(yùn)算，按照協(xié)議轉(zhuǎn)為可讀取的經(jīng)緯度等信息，從主界面上可以進(jìn)入 GPS界面，查看 GPS信息（包括經(jīng)緯度、高度、時(shí)間等）。

1.4GSM模塊

對于GSM模塊，我們選擇了SIM900A模塊，該模塊的性能符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高，該模塊的正常工作也需要車載終端裝置的硬件支持，再以后的測試中，該模塊可以集成到車載終端裝置內(nèi)，降低了成本，測試更加穩(wěn)定。正常工作時(shí)能夠檢測到GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，能夠與指定手機(jī)號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

1.5工作原理

本系統(tǒng)主要是應(yīng)用 GPS模塊和 GSM模塊來實(shí)現(xiàn)地理位置定位和位置信息傳輸[4]，系統(tǒng)主要具有定位功能、報(bào)警功能。定位功能主要是控制器通過串行接口接收 GPS模塊輸出的語句信息，并從中解析出所要的定位數(shù)據(jù)，最終通過并行接口輸出至液晶顯示屏進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)GPS定位信息的實(shí)時(shí)接收與顯示。利用 GSM網(wǎng)絡(luò)[5-7]向預(yù)先設(shè)定好的手機(jī)號(hào)碼以短消息的形式發(fā)送從GPS模塊中獲得的定位信息。

2　系統(tǒng)測試

2.1系統(tǒng)調(diào)試軟件介紹

本系統(tǒng)軟件調(diào)試使用的是Visual studio2010，是微軟公司推出的開發(fā)環(huán)境。

2.2主程序設(shè)計(jì)

主程序是按以下所示步驟執(zhí)行的，首先進(jìn)行主程序初始化，接下來判斷 GPS接收位是否有效，有效后開始接收 GPS數(shù)據(jù)，之后對接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，幾乎所有的GPS接收機(jī)都遵循NMEA0813所指定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格[8-9]。

GPS定位數(shù)據(jù)表示有多種表達(dá)方式：本文顯示的最終形式為小數(shù)形式，需要將度數(shù)由度分形式轉(zhuǎn)換為小數(shù)形式，之后進(jìn)行定位信息顯示。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序main.c，和5個(gè)子程序構(gòu)成（gps.c、id.c、debug.c、sms.c、nv.c）。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.3　The software design structure

主程序main.c：完成主模塊的初始化，傳輸數(shù)據(jù)和處理函數(shù)，設(shè)定初始手機(jī)號(hào)碼，調(diào)用gps.c確定采集時(shí)間，處理定位數(shù)據(jù)，調(diào)用sms.c處理短信息數(shù)據(jù)，調(diào)用debug.c進(jìn)行測試，調(diào)用id.c，顯示當(dāng)前狀態(tài)。

gps.c:控制GPS的開關(guān)，完成定位信息讀取，根據(jù)數(shù)據(jù)格式的定義，通過轉(zhuǎn)換，提取經(jīng)緯度信息等。

id.c:注冊主模塊的WINID，保證測試顯示屏窗口的正常輸出。

debug.c:用于輸出調(diào)試信息，設(shè)置文本框文本，便于測試。

sms.c:解析制定手機(jī)號(hào)碼發(fā)送的信息，完成發(fā)送指令的讀取與修正。

nv.c:注冊主模塊的NV，保證數(shù)據(jù)完整性，在系統(tǒng)重啟時(shí)，仍然保留原有設(shè)置。

通過編譯，運(yùn)行，下載，測試之后，在車載終端的外接測試顯示屏上，從主界面可讀出GPS經(jīng)度、緯度等信息，如圖4所示。

圖4　主界面視圖Fig.4　Main interface view

從圖8中，可看出，顯示了當(dāng)前的終端開啟時(shí)間，接收到指定手機(jī)的號(hào)碼等信息。

GSM模塊功能的實(shí)現(xiàn)，向車載定位裝置發(fā)送命令”guard on”，開啟終端服務(wù)，發(fā)送命令”pos cur”，將GPS模塊獲取的位置信息，通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳遞到手機(jī)端，手機(jī)端顯示出此時(shí)GPS的經(jīng)緯度信息，實(shí)現(xiàn)位置發(fā)送與接收，如圖5所示。從圖5中可看出，車載終端從開啟服務(wù)到傳輸位置信息到指定手機(jī)，大約需要30 s時(shí)間，速度傳輸較快。但因外界因素影響，定位時(shí)間會(huì)有較大變化，特別在室內(nèi)等信號(hào)弱的地方，這有待于后續(xù)技術(shù)完善。

圖5　手機(jī)端視圖Fig.5　Mobile view

3　結(jié)束語

通過在北京各地區(qū)的實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)對于的地理位置定位和地理位置接收，確實(shí)能夠達(dá)到較高的通訊質(zhì)量、大的覆蓋范圍的實(shí)際應(yīng)用的要求。GPS模塊和GSM模塊能基本實(shí)現(xiàn)各自功能，系統(tǒng)存在的不足之處也會(huì)隨著技術(shù)的更新而得到完善，相信該系統(tǒng)會(huì)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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The design of the GPS vehicle positioning device based on embedded platform

SONG Chen，HOU Li-gang
（VLSI&System Lab，Beijing University of Technology，Beijing 100024，China）

With the progress of society，to promote the development of the city at the same time taking into account environmental protection，the number of electric bicycle，bicycle also increases along with motor vehicle number，in this paper，application of short message service of GSM digital cellular mobile communications network，design a kind of low cost，easy to use GPS vehicle positioning devices，realize the GPS location of the sending and receiving.

embedded system；GPS；GSM；positioning device

TN965

A

1674－6236（2016）01-0128-03

2015-06-01稿件編號(hào)：201506010

國家自然科學(xué)基金（61204040；60976028）；教育部博士點(diǎn)基金（20121103120018）；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（JC002999201301）；北京市自然科學(xué)基金（4152004）

宋 辰（1991—），男，河北石家莊人，碩士。研究方向：集成電路工程。