基于ARM的智能公交车载终端的设计

嵌入式系统原理与应用课 程 设 计 报 告题目：专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 1目 录目录 .1摘 要 .31 绪论 .51.1 论文选题的意义 .512 智能公交系统在国内外的发展 .61.3 智能公交系统中的智能车载终端简介 .615 本论文的主要内容 .62 智能公交系统(APTS)及其关键技术 .721 APTS 系统组成 .72.2 GPS 全球定位系统 .72.2.1 GPS 全球定位系统的发展历史 .72.2.2 GPS 系统的组成 .82.2.3 GPS 定位的基本原理 .82.3 GPRS 移动通信系统 .102.3.1 GPRS 简介 .102.3.2 GPRS 网络连接及数据传输 .112.3.3 透明传输模式和命令模式的转换 .123 智能公交车载终端设计 .133.1 智能车载终端总体设计 .133.2 主要模块基本功能介绍 .153.3 主要芯片及模块选型 .153.3.1 MCU 芯片 .153.3.2 GPS 模块 .163.3.3 GPRS 模块 .163.3.4 语音模块 .173.3.5 液晶显示 .1734 本章小结 .184 智能公交车载终端硬件设计 .18241 电源模块设计 .1842 ARM 微控制器模块 .184.3 时钟及复位电路 .194.4 FLASH 存储器电路设计 .204.5 SDRAM 存储器电路设计 .204.5.1 SDRAM 模块功能介绍 .204.5.2 HY57V281620 的实际连接 .214.6 调试与测试接口 .224.7 GPS 模块电路设计 .224.8 GPRS 模块电路设计 .234.9 语音及功放电路设计 .234.10 硬件电路设计中需要注意的问题 .244.11 本章小结 .255 智能车载终端系统的软件设计 .255.1 嵌入式操作系统的选型 .255.2 交叉编译环境的建立过程 .265.3 配置编译内核 .265.3.1 内核源码的下载及安装 .275.3.2 配置内核 .275.3.3 编译内核 .275.4 嵌入式引导程序移植 .285.5 应用软件的设计 .285.5.1 Linux 下的串口编程 .285.5.2 Linux 下的网络编程 .305.5.3 Linux 下的多线程编程 .305.5.4 应用程序介绍 .32参考文献 .333摘 要：近年来，随着我国经济的快速发展，我国城市人口规模不断扩大，汽车保有量也逐步增长。由此引发的城市交通问题越来越突出，如交通拥挤、交通堵塞、噪音污染、废气污染等，严重影响城市的可持续发展和居民的正常生活。大力发展城市公共交通势在必行。智能公交系统是现代控制技术、定位技术和无线通信技术等多种技术的有机结合，它的建设可以改善公交公司的企业管理方式，提高公交系统的运营效率和服务水平，是旨在解决城市交通问题的一项根本性方案。GPS 是由美国建立的新一代卫星导航与定位系统，具有全球性、全天候、陆海空全能等特点，特别适用于交通运输行业，配合中国移动稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度极快的 GPRS 网络作为信息传输的媒介，以 GPS、GPRS 为主要技术的智能公交系统较以往利用射频、数传电台技术方式建造的公交系统具有更加稳定、实时性更高等特点，是当前智能公交系统设计的理想方案。本论文在研究国内外智能公交现状和现有 GPS、GPRS 等技术的基础上，提出了基于 ARM 的公交智能车载终端的设计与实现方法，包括终端总体设计方案、关键技术的研究、软件的设计、产品实现等内容。文章在总体设计中提出了终端的功能要求，并针对功能要求提出了相应的设计方案；在硬件设计中给出了具体的硬件设计原理图，并就硬件选型、原理图设计中的关键问题进行了探讨；在软件设计中给出了终端主要软件设计的程序流程图，并对程序设计思路进行了细致的讲解；最后对个模块进行了调试和功能测试。关键词：车载终端，智能报站，ARM，GPS，GPRS4一 、绪论1.1 论文选题的意义随着国民经济的快速发展，我国城镇化步伐不断加快，来自农村的大学生和其他务工人员大批涌入城市，造成城市人口大幅度增长，同时由于人民生活水平的不断提高，城市的汽车保有量也在急剧上升，交通需求迅速扩大，而城市交通基础设施的建设却相对滞后，从而使城市“乘车难” 、 “行车难”的现象日益严重，交通拥挤、交通阻塞频发，噪音污染、废气污染加剧，严重影响城市公交的可持续发展和居民的正常生活。解决城市交通拥挤和阻塞问题已成为我国城市交通面临的一项迫切的任务。城市交通拥挤问题由来已久，早在 19 世纪中叶英国学者 J. M. Thomson 就把交通拥挤、行车速度归结为城市七个发展难题之首，并成为不同历史时期社会各界广泛关注的社会问题之一。与此同时，由于受地理空间、资金投入等因素的制约，无限制的扩展道路空间几乎没有可能，致使城市交通系统的建设、运营与管理不得不从粗放型向效益型转变2。为此智能公交系统（Advanced Public TransitSystem, APTS）近年来被许多学者提了出来，着重从如何提高城市道路系统营运效率入手，来缓解城市交通压力，有效的减少城市交通拥挤、交通阻塞现象。智能公交系统运用系统工程理论，将信息控制、GPS 卫星定位、GIS、多媒体、网络通信等技术集成，应用于整个公共交通领域，实现了公交车辆的智能调度，方便了公车车辆的运营管理，提高了公交服务水平。使乘坐公交车出行变的更加快捷、方便和舒适。从而使一部分人舍弃自驾车或打出租车出行，改乘公交车，进一步减少交通堵塞现象。另外大力发展智能公交系统，也可以通过提高交通效率而节省大量的燃料和时间，减少交通事故的发生，能够创造巨大的经济和社会效益。1.2 智能公交系统在国内外的发展在美国，城市公共交通管理局已经启动了智能公共交通系统项目。它主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。具体包括车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管理等几方面的研究。其中车队管理主要研究通信系统、地理信息系统、自动车辆定位系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先。出行者信息主要研究出行前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信5息服务系统。 1.3 智能公交系统中的智能车载终端简介智能车载终端是一款专门为公交车辆设计，运行在公交车辆上的嵌入式产品，在智能公交系统中起着举足轻重的作用。它融合了 GPS 定位、GPRS、信息存储、MP3 语音播放及汽车黑匣等技术，能用于对公交车辆的现代化管理，包括对车辆的监控调度、正点考核、GPS 导航电文等信息的采集、分析、处理、储存等8。随着科学技术的发展，公交车载终端也在进一步升级，它的性能和服务质量都有了极大的提高，功能也日益完善。1.4 本论文的主要内容本论文提出了基于 ARM 的智能公交车载终端的总体设计方案，重点介绍了车载终端的软硬件设计及自动报站、短信报警、实时监控等功能的实现。完成的主要工作包括：智能公交系统总体设计、智能公交终端硬件电路设计调试、软件调试及系统总体调试分析。本论文主要内容包括：第 1 章：绪论。综述智能公交系统基本概念、相关背景及国内外发展现状。介绍了智能公交车载终端概念及主要功能，提出了本文的主要工作内容及课题开展的意义。第 2 章：智能公交系统(APTS)及其关键技术。介绍了智能公交系统组成结构，并对 GPS、GPRS 等系统相关的关键技术进行了介绍。第 3 章：智能公交车载终端总体设计。根据市场需求，提出了智能公交系统及车载终端的总体设计方案，重点对车载终端的总体设计进行了介绍，给出了车载终端设计中重要芯片的选型。第 4 章：智能公交车载终端硬件设计。详细介绍了智能公交车载终端硬件设计，给出了整个终端系统的硬件设计电路。第 5 章：智能公交车载终端软件设计。详细介绍了智能公交车载终端的软件设计，给出了软件设计流程图，并就系统关键部分的软件设计进行了重点的讲述。总结和展望中，对本课题取得的成果以及局限性进行了分析和总结，对下一6步的工作和项目未来的发展进行了展望。二、智能公交系统(APTS)及其关键技术2.1 APTS 系统组成智能公交系统主要由 3 个部分构成，即无线通讯部分、监控中心部分和车载终端部分。无线通讯系统主要是利用通信运营商提供的数据和短信息服务，这里的通讯方式就是指无线通讯系统的通讯手段；监控中心由 GPS 服务器、数据库服务器、CTI 呼叫中心系统、监控工作站、管理工作站路由器和防火墙组成；车载终端主要由 GPS 接收模块、GPRS 通讯模块、车辆控制模块、屏幕等部分组成，主要有车辆定位、与监控中心进行双向通讯、车辆控制等功能。监控中心在接收到车载终端传回的 GPS 位置数据后可以确定监控车辆的位置信息、历史运行轨迹进而分析其运行是否正常，是否偏离预定路线，速度是否异常。在出现异常情况时，监控中心可以通过发布导航指令来实现实时的调度。2.2 GPS 全球定位系统2.2.1 GPS 全球定位系统的发展历史GPS 整个发展计划分为三个阶段实施。第一阶段为原理方案可行性验证阶段，从 1978 年到 1979 年，共发射了 4 颗试验卫星，建立了地面跟踪网，研制地面GPS 接收机，对系统的硬件和软件进行了试验，试验结果令人满意。第二阶段为系统的研制与试验阶段从 1979 年到 1984 年，又陆续发射了 7 颗试验卫星。第一阶段和第二阶段共发射 11 颗试验卫星，这些试验卫星称为第一代卫星：与此同时，研制了各种导航型接收机和测地型接收机，试验表明，GPS 的定位精度大大超过设计标准，其中粗码(CA 码)的定位精度远远超过设计指标，由此证明，GPS 计划是成功的。第三阶段为最后的工程发展与完成阶段。1989 年的 2 月 4 日，发射了 GPS 第一颗工作卫星，到 1994 年 3 月 10 日共研制发射了 28 颗工作卫星。这些工作卫星称为 BlockII 和 BlockIIA 卫星，与此同时，不仅研制了高精度导航型接收机，还研制了能对卫星载被信号进行相位测量的定位精度极高的接收机和采用相位差分的 GPS 载体姿态测量接收机，满足了精密导航与制导等一系列军事目的之要求。2.2.2 GPS 系统的组成GPS 系统主要由三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。全球定位系统的空间卫星星座见图 2.1，由 24（3 颗备用卫星）颗卫星组7成。卫星分布在 6 个轨道面内，每个轨道上分布 4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55，各轨道平面升交点的赤经相差 60在相邻轨道上，卫星的升交相差 30轨道平均高度约为 20220km，卫星运行周期为 11 小时 58 分。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前 4 分钟。每颗卫星每天约 5 个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为 4 颗，最多可达 11 颗。2.2.3 GPS 定位的基本原理GPS 定位处理中，卫星轨道通常是已知的。因此，为了确定地面观测站位置，GPS 卫星的瞬间位置也应换算到统的地球坐标系统中。在 GPS 试验阶段，卫星的瞬间位置计算采用了 1972 年世界大地坐标系统(world geodetic system，1972,WGS72)，从 1987 年 1 月 10 日开始采用改进的大地坐标系统WGS84 坐标系。世界大地坐标系统(WGS)是属于协议地球坐标系(CTS)。WGS84 坐标系的原点为地球质心 M；Z 轴指向 BIHl984.0 定义的协议地极(conventional terestri alpole,CTP)；X 轴指向 BIH19840 定义的零子午面与 CTP 相交的赤道交点，Y 铀垂直于 XMZ 平面，且与 Z、X 轴构成右手坐标系。测距码即伪随机噪声码(Pseudo-random Noise Code)是一种可以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声随机统计待性的二进制码序列，简称为伪随机码，或伪噪声码，或 PRN 码。40 年代末和 50 年代初，仙农(GEShannon)等人建立了“噪声通信”理论；证明具有白噪声统计特性的信号对充分利用信道的容量与信号的功率，抗多径干扰和测定距离等具有明显的优点。到 60 年代中期，噪声通信理论获得实际应用和发展。利用伪随机码信号可以实现低信噪比接收，可实现码分多址通信具有良好的保密性。现在，伪随机码已广泛用于通信、无线电测距等领域。GPS 卫星的基带信号是指包含导航信息的导航电文。导航电文包括卫星星历，卫星工作状态，卫星历书，时间系统，星钟改正参数，轨道摄动改正参数，大气折射改正参数，遥测码以及由 C/A 确定 P 码的交换码等。导航电文是二进制编码文件，按照规定格式组成数据帧，一帧导航电文由遥测字，转换字和数据块三部分组成，是用户利用 GPS 进行导航定位的数据基础。导航电文的每个子帧含有10 个字，第一个字为遥测字。作为捕获导航电文的前导，其中所含的同步信号，为各子帧提供了一个同步的起点，使用户便于解释电文数据。转换字的主要功能是向用户提供用于捕获 P 码的 Z 计数。导航电文的数据块分三部分。数据块 I 包含的内容有卫星时间计数器，调制码标识，卫星测距精度，导航数据状态，电8离层延迟改正参数，时钟数据龄期，卫星时钟参数对应的参考时刻，卫星钟改正参数。数据块 II 是导航电文中的核心部分，一般称为卫星星历，包括的主要参数分为开普勒六参数，轨道摄动九参数，时间两参数。第三数据块提供全部 GPS 卫星的历书数据。当用户 GPS 接收机捕获到某颗卫星后，利用数据块 I II 所提供的其它卫星的概略星历，时钟改正数，码分地址和卫星工作状态的数据，用户可以利用码分地址较快的捕获其他卫星信号并选择最合适的卫星，这对于选择适当的卫星构成最佳的观测星几何图形，提高导航定位精度是非常重要的。GPS 卫星导航定位系统是由 24 颗卫星组成。在世界各地用户可同时看到 411 颗卫星。这些卫星导航电文通过两个载波频率 F1157542MhZ，F2=12276Mhz 向地面发射。如何区分这 24 颗卫星信号呢?GPS 定位系统采用了码分多址技术。即给不同的卫星指配不同结构的伪随机码，当接收某颗卫星信号时，用户只要在机内产生与该卫星的伪码结构相同的本地码，并让本地码移位直到与卫星伪码相关函数为“1” 。此时对于其他卫星，由于伪码结构不同，其互相关函数值很小，这样就可以达到捕获跟踪 GPS 卫星信号的目的。GPS 导航定位系统采用了两种伪随机码。一种是用于分址、搜捕卫星信号、粗测距，具有一定抗干扰能力的明码，并提供民用，称为 C/A 码。另一种是用于分址、精密测距，具有较强的抗干扰能力的军用密码，称为 P 码18。GPS 系统使用单向测距方法来测定某颗卫星与用户的相对距离。它使用两台时钟，一台在用户接收设备上，一台在卫星上。计算卫星与用户之间的距离，实质上是通过比较 GPS 接收机中恢复的卫星钟和用户本身的时钟之间的差，即测量卫星钟传播到用户所花的时间-传播时延得以实现。如果两个时间精确同步，即两时钟信号同频同相，那么，利用距离等于时间乘以光速的原理，得到卫星和用户间的真实距离 R = C t。但是卫星时钟和用户时钟往往不能精确同步，当两者存在钟差 Dt 时，这样测得的距离不是用户和卫星间的真实距离，而是伪距离(Pseudo range)，简称 PR，表示为 PR = R +C Dt，Dt 取值是有正负的，用户钟慢于卫星钟时取正，反之取负。GPS 的基本定位原理是:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、方向以及运动速度和时间信息。每一颗卫星连续不断地向 GPS 接收机发送可跟踪的唯一编码序列，GPS 接收机可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。设有四颗卫星 1,2,3,4，坐标为( i x , i y , i z )(i=1,2,3,4)，用户坐标为( u x , u y , u z ) , i R 为伪距离，即接收机到卫星的距离 i i R = C t ( C 9-光速， i t -信号从一颗卫星到达接收机所需的时间(i=1，2，