基于單片機(jī)的GPS車載終端設(shè)計與實現(xiàn)

警用車輛的指揮調(diào)度、運鈔車的監(jiān)控與安全調(diào)度、出租車的經(jīng)營管理和合理調(diào)度，已成為公安、銀行以及公交運輸系統(tǒng)中越來越重要的問題。GPS全球定位技術(shù)的出現(xiàn)給車輛、輪船等移動目標(biāo)的導(dǎo)航定位提供了精確、實時的定位能力。集成定位，通信、汽車行駛記錄儀等多項功能；具有強(qiáng)大的業(yè)務(wù)調(diào)度功能和數(shù)據(jù)處理能力；支持電話本呼叫、文字信息語音播報；具有安防報警、剪線報警及遠(yuǎn)程安全斷油、斷電安全保護(hù)功能；預(yù)留多個RS-232接口和RS485接口，可外接計價器、攝像頭、麥克風(fēng)、耳機(jī)、TTS語音合成盒子。分體式設(shè)計主機(jī)可隱蔽安裝，自備高量備用電池可供車載終端的無電情況下工作報警。

　　1 車載移動終端

　　GPS車載移動終端采用世界領(lǐng)先的GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)、無線通信技術(shù)及計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可為用戶提供全方位、全時域空間位置信息。GPS車載移動終端在GPS移動信息服務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　通過GPS移動信息服務(wù)系統(tǒng)，車載移動終端可以實現(xiàn)如下基本功能：

　　（1）實時定位功能：運用GPS實現(xiàn)定位獲得車輛高精度的位置及狀態(tài)信息，通過電子地圖系統(tǒng)查出車輛地理位置，實現(xiàn)定位和跟蹤，并根據(jù)需要通知車主或控制中心。

　　（2）報警功能：為確保人、車安全，設(shè)計了多種條件下觸發(fā)報警功能。

　?、倬o急報警：當(dāng)車主在遇到緊急情況、車輛故障、交通事故、醫(yī)療等情況下，只要按動緊急情況按鍵，即可通知車主家人、控制中心、汽車俱樂部。通過數(shù)據(jù)分析可得知車輛位置并設(shè)法盡快提供幫助。

　　②狀態(tài)報警：可遠(yuǎn)程遙控設(shè)置超速、超加速、越界、停車時間過長、振動、車門動作、GPS無信號、蓄電池電壓低等多種報警功能。報警后車主或控制中心會收到報警信息和車輛位置信息。狀態(tài)報警可以由用戶設(shè)定來選擇各種報警有效與否。

　　（3）車載電話功能：可以實現(xiàn)完全的GSM車載電話功能。配接免提裝置可實現(xiàn)免提通話功能，保證行車安全。

　　（4）汽車黑匣子功能：可記錄汽車最近一段時間的運行狀態(tài)和軌跡?？筛鶕?jù)設(shè)置記錄一定時間或距離的汽車狀態(tài)和軌跡，為運營和交通事故處理提供依據(jù)。

　?。?）汽車防盜器：具有近程和遠(yuǎn)程控制及報警功能。近程可通過RF來實現(xiàn)遙控解除和設(shè)置警界狀態(tài)功能；遠(yuǎn)程可通過GSM網(wǎng)絡(luò)將汽車狀態(tài)通知車主或控制中心，且車主和控制中心可遙控解除和設(shè)置警界狀態(tài)。

　?。?）具有嚴(yán)格的密碼認(rèn)證功能，車主具有隱私權(quán)。

　　2 GPS車載移動終端設(shè)計

　　GPS車載移動終端主要由GPS模塊及天線、GSM通信模塊、微處理器、LCD液晶顯示模塊、鍵盤等單元組成。

　　2.1 主要硬件模塊選型

　　2.1.1 微處理器

　　GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，而其中文簡稱為"球位系".GPS是20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) .其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰(zhàn)略的重要組成。經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。

　　GPS車載移動終端中控制器的選擇至關(guān)重要，它不僅影響整個系統(tǒng)的性能，而且關(guān)系到車載移動終端的成本。本車載移動終端選擇美國CYGNAL公司的C8051F020單片機(jī)做處理器。C8051F020與一般的8051相比，其優(yōu)點在于：（1）運行速度快。芯片采用流水線指令結(jié)構(gòu)，70%的指令其執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，當(dāng)工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25MHz時，執(zhí)行速度可達(dá)25MIPS.（2）ADC采樣速率高，可達(dá)到500Kbps,不必外加ADC芯片就能滿足需要。（3）片內(nèi)存儲空間大。（4）調(diào)試方便。（5）安全機(jī)制可靠。（6）外部資源豐富，有8個8位的I/O端口，硬件有SMBus（I2C兼容）、SPI及2個增強(qiáng)型UART串口等。

　　2.1.2 GPS模塊

　　GPS模塊選用瑞士U-BLOX公司的TIM GPS接收器。瑞士U-BLOX公司專門從事GPS集成電路開發(fā)，其突出特點是可以將高性能GPS定位接收機(jī)做得非常小。TIM GPS接收器自身包含低功耗GPS接收器，尺寸僅為25.4mm×25.4mm×3mm,相當(dāng)于一個普通芯片的大小，非常適合于對尺寸要求嚴(yán)格的高端應(yīng)用，如手機(jī)、PDA、車載導(dǎo)航等GPS的應(yīng)用。

　　2.1.3 通信模塊

　　TC35是SIEMENS公司推出的新一代無線通信GSM模塊，可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)和語音傳輸、短消息服務(wù)（Short Message Service）及傳真。模塊的工作電壓為3.3~5.5V,可以工作在900MHz和1800MHz 2個頻段，所在頻段功耗分別為2W（900MHz）和1W（1800MHz）。模塊有AT命令集接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真服務(wù)等。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話及漫游檢測功能。常用工作模式有省電、IDLE和TALK等模式。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。

　　2.2 GPS車載移動終端的工作原理

　　TIM GPS接收機(jī)通過GPS天線接收衛(wèi)星信號，解算出車載移動終端的位置信息，一方面存儲于緩沖區(qū)中，作為日后路徑回放用，另一方面直接由單片機(jī)通過串口發(fā)送到GSM模塊。GSM模塊再通過GSM短消息方式把位置信息發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過GIS軟件平臺就可以直觀、清晰地在電子地圖上發(fā)現(xiàn)車輛的軌跡，實現(xiàn)車輛的實時監(jiān)控。另外，車載終端也可以發(fā)送報警信息和語音信息到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心也可以通過文字或語音的方式對車輛實施調(diào)度。

2.3 GPS車載移動終端的軟件設(shè)計

　　2.3.1 GPS數(shù)據(jù)的提取

　　目前幾乎所有GPS廠商都遵循美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）制定的NMEA-0183V20通信標(biāo)準(zhǔn)格式。TIM GPS接收機(jī)的輸出語句按串行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)格式為8個數(shù)據(jù)位、1個起始位、1個停止位，無奇偶校驗?？梢愿鶕?jù)需要選擇傳輸速率。其輸出語句采用的是NMEA0183即ASCII格式碼，輸出語句達(dá)十多種，包括GGA、GSA、GSV、RMC、RMT、VTG等。這些定位數(shù)據(jù)語句不僅給出了位置、速度、時間等信息，而且指出當(dāng)?shù)氐男l(wèi)星接收情況。實際導(dǎo)航應(yīng)用讀取GPS的空間定位數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)需要每隔幾秒鐘更新一次經(jīng)緯度和時間數(shù)據(jù)。而更頻繁的數(shù)據(jù)更新就沒有必要了，而且不需要了解NMEA0183通信協(xié)議的全部信息，僅需要從中挑選出所需要的那部分定位數(shù)據(jù)。RMC數(shù)據(jù)設(shè)置描述如表1所示，其數(shù)據(jù)設(shè)置示例如下：

　　＄GPRMC,130304.0,A,4717.115,N,00833.912,E,000.04,205.5,200601,01.3,W*7C

　　單片機(jī)提取GPS數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示。

　　2.3.2 TC35的AT指令控制

　　單片機(jī)對TC35進(jìn)行初始化并通過AT指令控制短消息的收發(fā)。對短消息的控制有PDU模式和Text模式。Text模式不能發(fā)中文，所以本方案中采用PDU模式進(jìn)行短消息的接收和發(fā)送。

　　首先對TC35進(jìn)行初始化，設(shè)置短消息發(fā)送格式AT+CMGF=1,設(shè)置短消息中心AT+CSCA="+8613800531500"（短消息中心），設(shè)置短消息到達(dá)自動提示AT+CNM1=1,1,0,0,1.

　　發(fā)送短消息的過程：首先設(shè)置發(fā)送短消息的長度AT+CMGS=;等待TC35模塊返回字符">",則可以將PDU數(shù)據(jù)輸入；短消息發(fā)送成功后，模塊返回OK.

　　接收短消息的過程：單片機(jī)接收到指令+CMT1:"SM",INDEX（信息存儲位置），就開始讀取PDU數(shù)據(jù)，AT命令為AT+CMGR=INDEX.

　　2.3.3 車載移動終端軟件

　　車載移動終端軟件總流程圖如圖4所示。

　　本設(shè)計依據(jù)GPS全球定位系統(tǒng)、GSM公眾網(wǎng)絡(luò)以及通用的單片機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)了車輛的定位監(jiān)控。方案經(jīng)過試驗驗證其技術(shù)可行，并且構(gòu)成的系統(tǒng)成本低、應(yīng)用范圍廣，為智能交通系統(tǒng)中的定位監(jiān)控提出了一個較好的解決方法。