基于SOC的定位監(jiān)控設(shè)計(jì)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，無線通信已經(jīng)普及。接觸式監(jiān)控已經(jīng)不能滿足社會(huì)的發(fā)展，移動(dòng)定位監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文討論基于SoC單片機(jī)技術(shù)的定位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由2部分組成：定位終端和監(jiān)控中心。定位終端以C8051F021作為核心微處理器，通過2個(gè)串口與SIEMENS M-C35i GPRS模塊和GR-87衛(wèi)星接收模塊進(jìn)行串行通信，接收GPS接收機(jī)發(fā)出的定位數(shù)據(jù)并控制SIEMENS MC35i GPRS模塊。該系統(tǒng)采用看門狗電路，以保障控制器的正常運(yùn)行。定位終端所采集的定位信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，以短信的形式發(fā)送到監(jiān)控中心。本文以VC為開發(fā)平臺(tái)，采用VC++進(jìn)行MapX二次開發(fā)制作電子地圖，從而在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)了定位信息的采集、處理和顯示。實(shí)際定位過程表明：該系統(tǒng)定位精度高、信息傳輸速率快。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要由基于SoC技術(shù)的單片機(jī)C805lF021，SIEMENS MC35i GSM/GPRS模塊和GR-87衛(wèi)星接收模塊組成。定位終端以C8051F021作為核心控制器，通過兩個(gè)串口UART0，UART1分別控制 SIEMENS MC35i GSM/GPRS模塊和GR-87衛(wèi)星接收模塊進(jìn)行串行通信，并控制SIEMENS MC35i

GSM/GPRS模塊以GPRS服務(wù)形式把數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。SoC單片機(jī)C8051F021接收來自GR-87衛(wèi)星接收模塊的定位信息，并對(duì)接收的信息進(jìn)行校驗(yàn)，選擇所需信息再添加相應(yīng)的代碼，組成數(shù)據(jù)包，然后將它們存儲(chǔ)在C8051F021內(nèi)置的FLASH(程序儲(chǔ)存器FLASH上有只用于數(shù)據(jù)的臨時(shí)儲(chǔ)存器)上。

采集、處理、顯示定位信息在上位機(jī)上，由電子地圖完成。監(jiān)控中心通過調(diào)用MapX的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)電子地圖的一系列功能來處理和顯示定位信息。

SIEMENS MC35i GSM/GPRS模塊有SMS和GPRS通信兩種數(shù)據(jù)工作模式。模塊上電啟動(dòng)過程為3～5 s，若SIEMENS MC35i GSM/GPRS模塊接有有效的SIM卡，模塊將附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，通過串口以AT指令的方式要求模塊將經(jīng)、緯度信息以短消息的形式發(fā)到監(jiān)控中心，當(dāng)然監(jiān)控中心也可以通過模塊發(fā)送相關(guān)的指令給SoC單片機(jī)，SoC單片機(jī)分析所接受的指令，然后通過I/O口做出相應(yīng)處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 核心控制器的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用的單片機(jī)是CYGNAL公司生產(chǎn)的SoC單片機(jī)C8051F02X，該單片機(jī)是集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核(運(yùn)算速度高達(dá)25 MIPS)，與MCS-51指令集完全兼容;C8051F單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口，可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試;C8051F高速SoC的芯片上還集成了構(gòu)成單片機(jī)控制系統(tǒng)所需的幾乎所有模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件(包括ADC、DAC、可編程增益放大器、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列PCA、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時(shí)器及電源監(jiān)視器等)。這些外設(shè)的高度集成，為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了極大的方便，可大大降低系統(tǒng)的整體成本。

控制器采用串口和GPS以及GPRS進(jìn)行通信;引出JTAG串行接口，即全速、非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))，通過該接口能對(duì)控制器內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行系統(tǒng)編程，并可與片內(nèi)調(diào)試支持電路通信。

本系統(tǒng)把單片機(jī)的P0.0，P0.1，P0.4配置為GPRS模塊的輸入、輸出和啟動(dòng)，通過三極管啟動(dòng)GPRS后接收和發(fā)送定位信息;P0.2，P0.3配置為GPS模塊的輸入和輸出，來獲取定位信息。

2.2 SIEMENS MC35i GPRS模塊

MC35i 是SIEMENS公司推出的新一代無線通信GPRS模塊，MC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊供電模塊(ASIC)、FLASH、 ZIF連接器天線接口6部分組成。通過獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器實(shí)現(xiàn)電源、連接指令、數(shù)據(jù)、語音信號(hào)及控制信號(hào)的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50 Ω天線連接器可分別連接SIM卡座和天線。MC35i的40個(gè)引腳通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、SIM 卡電路、狀態(tài)指示燈電路等連接。MC35i外圍接口電路如圖2所示。

2.3 GR-87衛(wèi)星接收模塊

GPS信號(hào)接收機(jī)功能：捕獲按一定衛(wèi)星高度截止角度所選擇的待測衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測量站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間，最后經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的I/O口輸出定位數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用臺(tái)灣長天科技股份有限公司(HOLUX) 的GR-87衛(wèi)星接收模塊來獲得定位數(shù)據(jù)。GPS接收機(jī)的輸出語句均按串行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)格式為8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)，可以根據(jù)需要選擇波特率，本系統(tǒng)選擇波特率為4 800 b/s。本系統(tǒng)中接收NMEA格式消息作為原始數(shù)據(jù)輸入，它的輸出頻率為1 Hz。輸出數(shù)據(jù)采用ASCII字符碼，輸出語句達(dá)多十幾種，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(shí)間等信息，而且指出當(dāng)?shù)氐?strong>衛(wèi)星接收情況，其中GGA定位數(shù)據(jù)語句是最常用的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 定位終端的軟件實(shí)現(xiàn)

該定位終端的軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，其模塊主要包括系統(tǒng)的初始化、GPS定位信息的處理、GPRS定位信息的發(fā)送。GPS定位信息的處理以串口UART1的中斷方式執(zhí)行，GPRS定位信息的發(fā)送以循環(huán)方式執(zhí)行。

系統(tǒng)的初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、端口初始化、串口初始化和GPRS的啟動(dòng)。系統(tǒng)時(shí)鐘初始化采用外部晶振22.118 4 MHz，不分頻;端口初始化配置交叉開關(guān)，給URAT0，URAT1分配端口引腳;串口初始化設(shè)置串口的工作方式，通過GPS和GPRS的波特率，計(jì)算定時(shí)器的值。

3.2 上位機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控中心是將GIS軟件MapInfo嵌入到VC6中進(jìn)行開發(fā)，這使得 MapInfo中的地圖窗口可以合并到VC中，從而利用VC在數(shù)據(jù)庫方面的強(qiáng)大功能，也很好地利用了Maplnfo對(duì)地理信息直觀形象地處理優(yōu)勢。通過調(diào)用MapX的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)電子地圖的一些基本功能。編寫程序?qū)⒍ㄎ唤K端和監(jiān)控中心連接起來，將定位終端獲取的定位信息顯示在電子地圖上。[!--empirenews.page--]

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文將基于SoC技術(shù)的定位監(jiān)控用于實(shí)際定位過程中，對(duì)定位監(jiān)控進(jìn)行了測試，定位區(qū)域選擇為武漢科技大學(xué)校本部圖書館前的馬路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行良好，滿足定位監(jiān)控的定位要求。

5 結(jié)語

本文基于先進(jìn)的 SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了GPS/GPRS定位監(jiān)控的設(shè)計(jì)，詳細(xì)說明了該系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，通過核心控制器C8051F021對(duì)GPS模塊和GPRS模塊進(jìn)行雙模塊控制。用VC++進(jìn)行MapX二次開發(fā)，將MapInfo中的地圖窗口合并到VC中，利用了VC在數(shù)據(jù)庫方面的強(qiáng)大功能，也很好地利用了 Maplnfo對(duì)地理信息直觀形象的處理優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)基于SoC技術(shù)的單片機(jī)C8051F021作為核心控制器，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期，性能良好。