申倍文，張振東，王 健

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

隨著汽車保有量的持續(xù)增長，城市公路建設(shè)正在跨越式發(fā)展，道路復(fù)雜程度越來越高，這些因素給交通管理和交通安全增加了難度[1]。車載GPS定位技術(shù)給車輛等交通工具提供了實(shí)時(shí)定位功能。通過車載GPS定位終端，駕駛員能隨時(shí)知道自己的位置，通過通信平臺(tái)將車輛定位信息發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控中心，從而對(duì)車輛進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理。

我國車載移動(dòng)終端技術(shù)還處在由傳統(tǒng)終端向新型終端轉(zhuǎn)型的過渡階段，各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用有待完善，特別是在復(fù)雜環(huán)境下的定位精度、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性等方面需要大力改進(jìn)[2]。江蘇大學(xué)劉軍等對(duì)智能車載終端硬件進(jìn)行了研究改進(jìn)；奇瑞汽車的姜竹勝等[3]在3G通信技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)車載定位終端進(jìn)行了研究；黃勇、王亞剛等[4]基于STM32、GPRS等技術(shù)，對(duì)車載終端進(jìn)行了相應(yīng)研究。以上研究對(duì)車載終端技術(shù)發(fā)展起到了推動(dòng)作用，但仍存在定位精度低、實(shí)時(shí)性不高等缺陷。本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于ARM芯片并結(jié)合當(dāng)前較為成熟的4G通信技術(shù)的新型車載GPS定位終端，為將來汽車網(wǎng)聯(lián)提供一定的技術(shù)支撐。

1 車載終端整體設(shè)計(jì)

車載定位終端是車輛監(jiān)控系統(tǒng)的前端設(shè)備，其基本功能是實(shí)現(xiàn)車輛定位及數(shù)據(jù)傳輸[5]。車載定位終端由主控芯片ARM處理器模塊、GPS定位模塊、4G無線通信模塊、LED顯示模塊、電源模塊等組成，總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

圖1 總體框架

圖2 硬件實(shí)物

GPS模塊接收衛(wèi)星定位信號(hào)，并將定位數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器，然后經(jīng)過ARM傳輸?shù)斤@示模塊，在屏幕上顯示定位，同時(shí)經(jīng)4G模塊傳送給遠(yuǎn)程控制中心。遠(yuǎn)程控制中心將其它車輛位置及交通狀況傳給車載終端，實(shí)現(xiàn)信息共享，讓車主了解目前的交通狀況，更好地作出決策。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控部分

在車載定位終端系統(tǒng)中，主控芯片對(duì)整個(gè)終端性能起著十分重要的作用。主控芯片主要用來控制GPS模塊、4G模塊、顯示模塊等，使它們都能按照所設(shè)計(jì)方式穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

本系統(tǒng)選用Samsung公司的S3C2440作為主控芯片。該芯片應(yīng)用資源豐富、性能優(yōu)越，功耗較小，價(jià)格也較為便宜，可有效控制車載定位終端成本[7]。S3C2440的最小系統(tǒng)包含最基本的電源電路、復(fù)位電路、標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試口、用戶指示燈及核心CPU和存儲(chǔ)單元6個(gè)部分[8]。

汽車電源主要為12V和24V兩種直流電源，而車載定位終端有5V、3.3V、1.8V、1.25V四種直流穩(wěn)壓電源[9]，因此電源解決方案如下：

第一級(jí)：將汽車提供的12V直流電源轉(zhuǎn)化成5V直流電源，見圖3。5V電源為LCD供電。這部分電路通常采用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM2596降壓芯片。LM2596的最高輸入電壓可達(dá)40V，適用于車內(nèi)12V或24V直流電源轉(zhuǎn)換，但在濾波電路中需要加33uH的電感[10]。

圖3 12V轉(zhuǎn)5V電路

第二級(jí)：由5V電源再分別轉(zhuǎn)化成3.3V與1.8V電源，見圖4。S3C2440的I/O口和部分器件需要3.3V電壓，內(nèi)核工作需要1.8V電壓。這部分電路所采用的降壓芯片分別是LM11117-3.3穩(wěn)壓芯片和LM1117-1.8V線性穩(wěn)壓芯片。

圖4 5V轉(zhuǎn)3.3V、1.8V電路

圖5 3.3V轉(zhuǎn)1.25V電路

第三級(jí)：由3.3V轉(zhuǎn)化成1.25V電源，見圖5，這部分選用MAX8860EUA18芯片。

ARM芯片與GPS模塊和4G模塊之間通過串口連接。由于GPS、4G芯片需要232電平，所以電路要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232轉(zhuǎn)換[11]。

2.2 GPS定位模塊

車載終端系統(tǒng)中的GPS定位模塊主要用于接收GPS衛(wèi)星定位信號(hào)，解算GPS導(dǎo)航電文，把得到的經(jīng)緯度、時(shí)間和速度等信息通過RS232串口輸出NMEA0183語句，傳送給ARM主控模塊[12]。NMEA0183語句格式如MYMGPRMC，092005，A，4 990.347 2，N，12 053.099 0，E，000.0，000.0，050318，002.5，W，A*71，表示目前的時(shí)間是18年3月5日9點(diǎn) 20分05秒(這是UTC時(shí)間，不是本地時(shí)間，兩者大約相差8小時(shí))，位置是北緯49度90.347 2分、東經(jīng)120度53.0990分,速度為0。

本設(shè)計(jì)選用美國U-Blox公司的NEO-7N為GPS定位信號(hào)接收芯片，GPS模塊與S3C2440串口通信波特率通過U-CENTER設(shè)置為38400，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。

2.3 無線傳輸模塊

本車載終端系統(tǒng)中的4G無線通信模塊是車載終端與后臺(tái)監(jiān)控中心進(jìn)行通信的通道，用來實(shí)現(xiàn)將處理好的GPS數(shù)據(jù)和其它監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，并接收后臺(tái)監(jiān)控中心發(fā)送給車載終端的控制數(shù)據(jù)[13]。

本車載終端選用芯訊通公司的SIM7600CE-L作為4G無線通信芯片。SIM7600CE-L是一款7模全網(wǎng)通的4G模塊，性能穩(wěn)定、性價(jià)比高，可以低功耗實(shí)現(xiàn)SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸，滿足客戶多種需求。另外，可直接使用AT命令對(duì)其控制，使用方便。

2.4 顯示模塊

S3C2440芯片集成了LCD控制器，可支持各種單色、偽彩、真彩液晶屏、TFT彩屏，還提供1通道的LCD專用DMA[14]。本系統(tǒng)外接的LCD是NEC3.5吋觸摸式彩色液晶屏，型號(hào)為NL2432HC22-23B。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

車載GPS定位終端軟件系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，由BSP層、框架層及應(yīng)用層軟件組合而成，如圖6所示。圖中灰色部分是車載終端定位相關(guān)的軟件模塊，相互之間通過消息進(jìn)行通訊。

圖6 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 軟件協(xié)議定義

車載模塊獲取到GPS數(shù)據(jù)后，按照表1所示軟件定義傳輸協(xié)議，進(jìn)行編碼壓縮后傳遞到后臺(tái)服務(wù)器監(jiān)控中心，進(jìn)行應(yīng)用層判斷。

表1 軟件協(xié)議與編碼定義

3.3 數(shù)據(jù)處理流程

GPS原始NMEA數(shù)據(jù)流需要進(jìn)行協(xié)議解析和處理。車載GPS定位終端軟件系統(tǒng)采用狀態(tài)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中圖7(a)為總體流程，圖7(b)為4G-LTE報(bào)文處理部分流程，圖7(c)為GPS報(bào)文處理部分流程。

圖7 程序總體結(jié)構(gòu)

首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主控制循環(huán)[15]。在主控制循環(huán)中首先對(duì)4G的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行檢查，檢查是否有完整的4G數(shù)據(jù)包。如果有則對(duì)其進(jìn)行解析，并根據(jù)相關(guān)協(xié)議中的控制命令改變終端所處狀態(tài)。接著判斷GPS數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否有完整的GPS數(shù)據(jù)包，如有則取出該數(shù)據(jù)包并且解析。最后，終端進(jìn)行操作。

GPS報(bào)文解析代碼如下：

_protocol(xGpsParserDelegate)

_optional(xBool, onGpsparser_NMEA_sentence(xGpsParser*, xpCChar NMEA, xUint8 length));

_optional(xVoid, onGpsparser_NMEA_GGA(xGpsParser*, stGGA& gga));//GPS全球定位數(shù)據(jù)

_optional(xVoid, onGpsparser_NMEA_GLL(xGpsParser*, stGLL& gll));//GPS大地坐標(biāo)信息

_optional(xVoid, onGpsparser_NMEA_GSA(xGpsParser*, stGSA& gsa));//GPS衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)

_optional(xVoid, onGpsparser_NMEA_GSV(xGpsParser*, stGSV& gsv));//GPS衛(wèi)星狀態(tài)信息

_optional(xVoid, onGpsparser_NMEA_RMC(xGpsParser*, stRMC& rmc));//運(yùn)輸定位信息

_optional(xVoid, onGpsparser_NMEA_VTG(xGpsParser*, stVTG& vtg));//地面速度信息

_optional(xVoid, onGpsparser_NMEA_ZDA(xGpsParser*, stZDA& zda));//UTC時(shí)間和日期

_endprotocol

其中void GpsDataParser::onGpsparser_NMEA_RMC(xGpsParser*, stRMC& rmc)為NMEA協(xié)議數(shù)據(jù)語句，包含GPS時(shí)間、經(jīng)緯度等信息，參數(shù)rmc為GPS信息結(jié)構(gòu)體，實(shí)現(xiàn)如下：

void GpsDataParser::onGpsparser_NMEA_RMC(xGpsParser*, stRMC& rmc){

…

Poco::DateTime now;

m_gpsInfo.currentTime.UTC_day = now.day();

m_gpsInfo.currentTime.UTC_month= now.month();

m_gpsInfo.currentTime.UTC_year= now.year()-2000;

m_gpsInfo.currentTime.UTC_hour= now.hour();

m_gpsInfo.currentTime.UTC_min= now.minute();

m_gpsInfo.currentTime.UTC_second= now.second();

m_gpsInfo.currentLatitude = rmc.latitude;

m_gpsInfo.currentLongitude = rmc.longitude;

m_gpsInfo.GpsSpeed = rmc.speed;

m_gpsInfo.azimuthAngle = rmc.azimuthAngle;

m_gpsInfo.declination = rmc.declination;

…

}

GPS信息傳輸至4G模塊為事件傳輸，應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

void GpsDataParser::NMEA_RMC_Gps_Net(xGpsParser*, stRMC& rmc)

4G模塊主要接收來自GPS模塊信息，報(bào)文處理代碼如下：

INetwork: MCommon::IObject, MCommon::IEventRegistration{

string SendGpsMsg();

string RecvGpsMeg();

…

}

GPS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)由GPS模塊自動(dòng)接收，傳送到ARM后，再由ARM把數(shù)據(jù)放入到外部存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)超出一定范圍后進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，經(jīng)解析，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至4G模塊。

4 試驗(yàn)測試

下面對(duì)本文設(shè)計(jì)的車載定位終端進(jìn)行試驗(yàn)測試，與其它同類產(chǎn)品比較。

4.1 測試方法

首先選定一條路線進(jìn)行實(shí)車測試，如圖8所示。在實(shí)車測試過程中，為驗(yàn)證終端性能，以一個(gè)業(yè)內(nèi)認(rèn)可的高精度設(shè)備作為參考基準(zhǔn)，另一個(gè)市場同類產(chǎn)品作為對(duì)比設(shè)備，如圖9所示。

圖8 測試路線

圖9 參考基準(zhǔn)和對(duì)比設(shè)備

4.2 測試結(jié)果及分析

測試結(jié)果如圖10所示，上排軌跡代表基準(zhǔn)軌跡，中排軌跡為本車載定位終端，下排軌跡為市場同類產(chǎn)品軌跡。

圖10 測試軌跡結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可知，本車載定位終端的行車軌跡與基準(zhǔn)更靠近，而市場中同類產(chǎn)品的測試軌跡與基準(zhǔn)偏離較遠(yuǎn)。測試結(jié)果中，同樣的路況場景，本終端定位測試精度為2m，市場同類產(chǎn)品的精度為3m。因此，本車載定位終端在精度方面優(yōu)于市場同類產(chǎn)品，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率也有較大提升。

5 結(jié)語

本文利用高性能嵌入式微處理器設(shè)計(jì)了一種新型車載定位終端，對(duì)其進(jìn)行測試得出如下結(jié)論：①在相同路況場景下，該終端的定位精度比其它同類產(chǎn)品精度高；②該車載定位終端搭載了4G通信模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率有了較大提升。

本設(shè)計(jì)方案解決了采用多層軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)車載定位技術(shù)問題，為汽車聯(lián)網(wǎng)提供了一種終端軟硬件解決方案。隨著未來互聯(lián)網(wǎng)汽車和無人駕駛汽車的普及，該新型車載定位終端必將得到廣泛應(yīng)用，為智能出行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。