车载定位导航终端的设计
郑凯1,方康玲2
(11海华电子企业(中国)有限公司,广州510656;21武汉科技大学信息科学与工程学院,武汉430081)
摘要:设计了一种GSM/GPRS的车载定位导航终端。该终端基于先进的SOC技术,开发了单片机IP核中内嵌的特定功能,利用单片机的内置闪存ROM技术扩展系统存储空间,实现大量定位信息的存储,并设计了串口扩展电路、GPS模块和GSM/GPRS模块的双模控制等电路。介绍了车载终端的硬件和软件设计以及实现方法。实践证明:在实际的定位导航过程中,该终端具有较高的灵敏度、精确度和强大的信息处理能力。
关键词:车载导航终端;片上系统;全球定位/通用分组无线业务中图分类号:TN402 文献标识码:A 文章编号:10032353X(2007)0120055203
DesignofOrientationandNavigationTerminalforVehicles
ZHENGKai1,FANGKang2ling2
(11HaihuaElectronicsEnterprise(China)Corporation,Guangzhou510656,China;21WuhanUniversityofScienceand
Technology,Wuhan430081,China)
Abstract:AkindofGSM/GPRSorientationandnavigationterminalforvehicleswasdesigned.SOCwasusedfordesigningthespecialfunctionembeddedinIPcoreofsingle2chip,andflash2memoryROMwasusedtoextendthespacetostoreagreatdealoforientationinformation1Thecircuitsincludedexpandedserialports,GPSmoduleanddoublecontrolledmoduleofGSM/GPR.Thehardwareandsoftwareoftheterminalwereintroduced.Theresultshowsthatithashighsensitivity,precisionandhighprocesscapabilityinpractice1
Keywords:orientationandnavigationterminal;SOC;GPS/GPRS
1 引言
随着智能交通信息系统的发展,很多国家都相
继开展了关于智能车辆系统的研究。车载定位导航终端是智能车辆系统的主体,它一方面负责从GPS接收机中取得数据,并对数据进行处理和分析;另一方面和监控中心通信,并执行监控中心的各种命令。目前,车载定位导航终端一般采用基于嵌入式、单板机或单片机的实现方案[122]。基于嵌入式的车载定位导航终端开发难度较大,开发周期也相对较长;单板机开发成本较高,体积大,一般适用于大型监控系统。因此,为了开发成本低、体积小、性能稳定的车载定位导航终端,选择一种合适的控制器至关重要。
在工业控制领域,高性能、高可靠性、低价位
基金项目:国防科技攻关引导资助项目(2005BA102C)
January 2007
的SOC单片机已经广泛应用。使用SOC单片机不仅优化系统性能,而且节约资源和成本。SOC单片机克服了普通单片机功能单一、资源分配不灵活的缺点。本文采用基于SOC技术的单片机SPCEO61A作为核心控制器,设计了车载定位导航终端,并利用单片机的内置闪存ROM技术扩展系统存储空间,实现大量定位信息的存储。另外,还设计了串口扩展电路、GPS模块和GSM/GPRS模块的双模控制等电路。
2 车载定位导航终端的设计
本设计采用基于SOC单片机的实现方案,即采用GPS接收机、GSM/GPRS模块与SOC单片机构成车载定位导航终端。该终端主要由广州鑫图公司的GR285卫星接收模块、SIMCOM有限公司的SIM100GSM/GPRS模块和凌阳的16位SOC单片机SPCEO61A组成。车载终端的供电来自车辆携带的
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蓄电池,储存的能量有限,对功耗要求较严,所以车载终端采用低功耗设计技术,全部采用低功耗器件。
211 硬件设计
21113 SPCEO61A串口扩展和电平转换
SPCEO61A的UART模块提供了一个全双工标
21111 总体设计
终端主要由基于SOC技术的单片机SPCEO61A、串口扩展芯片GM8123,SIM100GSM/GPRS模块和GR285卫星接收模块组成。车载定位导航终端以SPCEO61A作为核心控制器,由于SPCEO61A本身只有一个串口,因此通过串口扩展芯片GM8123分别控制SIM100GSM/GPRS模块和GR285卫星接收模块进行串行通信,并控制SIM100GSM/GPRS模块以SMS/GPRS服务形式把数据发送给监控中心。车载定位导航终端系统结构如图1所示。准接口,用于完成SPCE061A与外设之间的串行通
信。由于SPCEO61A须控制SIM100GSM/GPRS模块和GR285卫星接收模块进行串行通信,因此本文通过串口扩展芯片GM8123来实现两个模块的控制。采用芯片GM8123的单通道工作模式,其母串口和子串口的工作波特率可由软件调节,不需要修改外部电路和晶振频率。通过SPCEO61A单片机的I/O端口控制串口扩展芯片GM8123实现两个串口的通信。所扩展的两个串口均采用TTL电平输入输出,串口1可直接与GR285卫星接收模块通信(GR285卫星接收模块采用TTL电平接口)。串口2使用电平转换芯片MAX232和SP3238与SIM100GSM/GPRS模块接口。SPCEO61A串口扩展和电平转换电路如图2所示。21114 SIM100GSM/GPRS模块接口设计
依据车载定位导航终端自身功能需要,为SIM100GSM/GPRS模块各功能单元设计了相应的电
图1 车载定位导航终端系统图
21112 SPCEO61A简介
路,以实现模块开启及关闭、模块工作模式选择、短消息传送和GPRS数据流传输等功能。模块各个功能单元如下。
(1)系统连接器。SIM100的系统连接器(60pin)的客户端型号是IL23122A60P2VF2A,系统连接器是SIM100模块与应用系统的连接接口,主要提
随着单片机功能集成化的发展,其应用领域也逐渐由传统的控制扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理(DSP)等领域。本文采
用凌阳的16位SOC单片机SPCEO61A,它的CPU内核采用μ’nSPTM16位微处理器芯片。围绕μ’nSPTM所形成的16位μ’nSPTM系列单片机采用的
是模块式集成结构,它以μ’nSPTM内核为中心,集成不同规模的ROM,RAM和功能丰富的各种
外设接口部件。
图2 SPCEO61A串口扩展和电平转换电路图
半导体技术第32卷第1期56
2007年1月
供外部电源、RS2232串口、SIM接口和音频接口。
(2)电压。SIM100模块使用外部直流电源供电,电源电压范围为313～416V,电源应该具有至少2A的峰值电流输出能力,电源参考电路如图3所示。2V汽车电源由X201端子引入,经由电压调节芯片MIC29302BT转换为313～416V供给SIM100模块使其正常工作。当直流电压低于313V时,模块将会自动关机,所以须在靠近模块电源的输入端加一个470μF/613V以上的稳压电容,电容
Ω,以增强供电电压的等效串联电阻应小于100m
在模块发射期间的稳定性。
模块的操作,还可以通过模块的GPRS功能实现无线上网(需要GPRS网络支持)。串行口支持以下通信速率:300,1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200(起始默认)。当模块启动后,可以首先使用模块默认速率115200与模块通信,并可通过AT+IPR=命令自由切换至其他通信速率。用AT+IPR=命令改变通信速率后会自动写到模块的NVRAM中,支持掉电保存功能。在应用设计中,当MCU需要通过串口与模块进行通信时,可以只用三个引脚:TXD,RXD和GND。如果需开发模块更多的功能,可使用全部的串口信号引脚,包括DTR,RTS,DCD,CTS,DCD,TXD,RXD,RI,GND。如RI变化是表示有来电呼入,可以连到MCU的中断引脚,或者连到MCU的其他输入引脚供MCU查询其状态。
(4)SIM卡接口。模块支持外部SIM卡,可以直接与310VSIM卡或者118VSIM卡连接。模块自动监测和适应SIM卡类型,SIM卡连接的设计电路如图4所示。为了防止静电损坏,在靠近SIM卡座各引脚的位置放置瞬变电压抑制二极管ESDA6V1W5TVS管。X202为SIM卡插槽,用于安装SIM卡。
图3 电源参考电路图
(3)串行口。SIM100提供标准的RS2232串行
接口,用户可以通过串行口使用AT指令完成对
图4 SIM卡连接电路图
212 软件设计
将其存储至SPCE061A的32k字内嵌式闪存中;SMS/GPRS数据发送模块可实时将定位信息以SMS/GPRS方式进行无线发送;读取并发送历史定
本车载定位导航终端软件采用模块化的设计方法,其软件模块主要包括系统初始化模块、GPS定位信息截取和存储模块、SMS/GPRS数据发送模块、读取并发送历史定位数据模块、报警处理模块等。GPS定位信息截取和存储模块及SMS/GPRS数
据发送模块以循环方式执行,读取并发送历史定位数据模块和报警处理模块以中断方式执行。系统初始化模块实现单片机串口初始化、看门狗监视器初始化及低电压监测/低电压复位(LVD/LVR)功能初始化;GPS定位信息截取和存储模块
位数据模块用于读取SPCE061A的内嵌式闪存中大量定位信息,并将其一次性发送至监控中心;报警处理模块则是在遇到危险情况时,执行向监控中心报警的功能。
3 试验研究
将基于SOC技术的车载定位导航终端用于实际,对车载定位导航终端进行了灵敏度测试。
(下转第61页)
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用于截取GPS接收机发送的大量定位信息,然后
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表2为改进前后关键路径上互连部分的延时情况,对比表1可看出,互连路径上延时在本文提到的FPGA电路中占据很大部分,如本文跨8个逻辑模块的关键路径模型中占到高于40%,其他FPGA电路中要比这个比例大得更多。性能上可看出,长互连路径(跨8个逻辑模块)上改进后互连路径部分上的延时性能提高高于10%。由于改进结构中对晶体管尺寸设计上仅采用了一种与改进前互连路径占据相同有源区面积的方法,这显然不能达到改进后的最优性能。对改进结构的更合理晶体管尺寸等设计可进一步提高这个性能数据。
表2 改进前后关键路径上互连部分的延时
路径长改进前延时/ns改进后延时/ns
跨过4逻辑块
11251131跨过8逻辑块
119116
FPGA中,较长的互连(跨过多于5个逻辑模块时)中采用4单位导线可使性能提高大于10%,从而提高了FPGA器件的工作频率。
参考文献:
[1]SHENGM,ROSEJ.MixingbuffersandtransistorsinFPGA
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andbufferingtooptimizingspeedanddensity[C]∥FPGA’99,Monterey.CA,USA,1999:59268.[3]孙,童家榕.层次式布线资源FPGA连线开关的设计
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[4]XILINXInc.XC3000SeriesFieldProgramableGateArrays
[K].1998:328.
(收稿日期:2006207218)作者简介:
),男,河北人,硕士研究生,主要研究方向侯卫华(1980—
为现场可编程门阵列(FPGA)器件结构的设计;
),男,山东维坊人,博士,教授,博士生导于宗光(19—
师,中国电子学会理事,学术委员会委员,获部级科技进步奖10次,发表论文100多篇,出版专著3部,现任中国电子科技集团公司58所副总工程师,从事集成电路的设计开发工作,先后主持完成了30多项国家重点项目的开发。
5 结论
本文介绍了一块基于SRAM的FPGA电路通用互连结构,该电路已通过CSMC016μm工艺下流片,其触发器翻转频率可达到100MHz。通过对其通用互连结构改进前后的仿真结果发现:改进后的
(上接第57页)
具体实验步骤:
11将车载定位导航终端放在某个固定位置;21通过手机短信接收该位置的经纬度信息;31将车载定位导航终端向正南方向缓慢移动,
4 结束语
本文基于先进的SOC技术实现了GPS/GPRS车载定位导航终端的设计,详细说明了该终端的硬件和软件结构。其中,设计了串口扩展电路和GSM/GPRS模块的接口电路,通过核心控制器SPCE061A对GPS模块和GSM/GPRS模块进行双模块控制;开发了内置闪存ROM功能扩展系统存储空间,实现大量定位信息的存储;实现了核心控制器看门狗和低电压检测/低电压复位功能,提高系统的集成度和抗干扰性。试验表明,该终端基于SOC技术的单片机SPCEO61A作为核心控制器,优化了系统性能,节约了成本,缩短了开发周期,具有良好的灵敏度和实时性,适合各种车辆定位监控系统。参考文献:
[1]向怀坤,刘小明.车辆导航系统的研究开发现状与趋
势[J].汽车工程,2001,23(5):2962299.
[2]陈雷,丁晓明,赵惠芳,等.GPS/GPRS车辆监控系统
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(收稿日期:2006205212)作者简介
),男,湖北丹江口人,工学硕士,硬件工程郑 凯(1979—
师,研究方向嵌入式系统的开发与应用。
移动位移分别为:0103,0106,0109,0110和0120m。在车载定位导航终端移动的同时,通过手机接收各个位移的经纬度信息,实验结果如表1所示。
表1 终端灵敏度测试表
序号
123456
GPS接收机格式
纬度(北纬)
303714783303714783303714783303714782303714782303714781
经度(东经)
114211902911421190291142119029114211902911421190291142119029
移动位移/m
010001030106010901100120
实验结果表明,在移动过程中,车载定位导航
终端发出的经度数据不发生改变,纬度数据在位移接近0110m的时候发生改变。据实验数据统计,车载定位导航终端的灵敏度可控制在0110m左右。
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