车载卫星定位导航系统设计毕业设计论文Word文档格式.docx

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关键词：

GPS,北斗，android，定位导航，ARM

DISSERTATIONTITLEINENGLISH

ABSTRACT

Carsatellitepositioningandnavigationsystemwasproposedinordertosolvethegrowingproblemofurbantrafficautomobilecivilization.CurrentlythemostwidelyusedsatellitenavigationsystemistheU.S.GPS（GlobalPositioningSystem）,ThisarticleisstudyingonGPS.

Thisarticlefirstbrieflydescribesthefourglobalnavigationandpositioningsystem,comparingtheprosandconsofeachsystem,anddecidedtousethemodulecompatiblewiththeGPSsystemandtheBeidousystem.FocusesonthedesignconceptandprocessofcarsatellitenavigationsystembasedonARM（AdvancedRISCMachines）chipandtheandroidsystem.ToacceptthefunctionofparsingtheGPSdatabywritingtestcode,testmoduledevelopmentboard,andthencontinuetothemiddleoftheandroidsystemlayertocompletethecalloftheAndroidapplicationlayertoLinuxthebottomoftheGPSmodule,thefinalpanelinthedevelopmentofbasicmapinrealtimepositioningfunction.

KeyWords:

GPS,Beidou,android,positioningandnavigation,ARM

第1章绪论

1.1引言

二十世纪五十年代，前苏联学导航的概念起源于航海业，最初是引导船只安全航行。

早在中国先秦时期发明的司南以及宋朝时期发明的指南针，都是人类在导航和定位方面做出的早期探索。

随着近代科学技术的发展，后来出现了汽车、飞机、火箭等高级的载运工具，导航的领域也扩充到了整个人类的生活空间乃至宇宙空间，人们对导航提出了更高的要求，保证航行安全、并且信息要实用丰富[1]。

GPS全称为GlobalPositioningSystem，即全球定位系统，是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、精密、实时连续、高效的特点。

广泛应用于陆海空导航、导弹制导、精密定位、时间传递及速度测量等方面[2]。

近几十年来，全球定位系统GPS的出现和飞速发展，导航定位进入了一个新时代。

在车辆导航方面，用户不必去考虑庞大的GPS系统是如何运转的，只需要一个客户端接收机就可以实现动态定位，并且目前接收机的价格越来越低，性能也越来越好，越来越多的车辆需要配备GPS导航定位系统。

电子地图是计算机与地图学的结合产生和发展而来的。

广义上讲，电子地图是通过计算机技术并在计算机环境中使用的地图。

狭义上讲，电子地图即屏幕地图[3]。

随着计算机技术及其硬件的迅猛发展，电子地图方面也得到了极大地发展，逐渐形成以电子地图为雏形，以信息系统为基础的GIS（GeographicInformationSystem）地理信息系统，即一种采集、存储、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。

在资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域得到了广泛的应用[4]。

伴随着GIS电子地图的出现和快速发展，GPS定位结果的准确性和GIS电子地图中数据处理和直接显示结合在一起即和GPS的GIS结合使得导航事业进入了嵌入式车载导航系统的研究与开发全新的领域。

通过GPS定位信息，人们可以知道所处的坐标位置。

再配合具有坐标系统的电子地图，就可以通过计算机在电子地图中实时、准确、形象地显示出自己所处的地理位置，以及获得所处位置的周围环境和其他更多的信息。

使得导航系统导航性能更准确，服务项目更丰富[5]。

1.2国内外的研究发展现状

我国智能交通系统的发展起步较晚，二十世纪九十年代之前，主要是在一些大城市引进和消化城市交通信号控制系统。

九十年代以后开始逐步应用GPS车辆监控调度系统。

从我国的情况来看，GPS车辆导航系统不如车辆跟踪定位监控系统市场来得成熟，发展还处在初始阶段[6]。

相关的基础配套设旌与资源正在完善之中，对于实时交通信息的发布和完善的电子导航地图的提供与更新机制，缺乏实际的解决方案和途径，因而市场推进困难重重。

但面对庞大的汽车市场，GPS车载系统的潜力不可估量，其发展前景比较乐观。

市场上，许多新的硬件产品层出不穷，由于生产成本的降低，其价格大体上一直都在降低，而性能却在提高。

许多嵌入式操作系统的应用与推广，也为人们的研发提供了极大的便利[7]。

车载卫星定位系统，属于智能交通系统（即通过运用先进的信息、通信和控制等高新技术对传统运输系统进行改造而形成的一种信息化、智能化和社会化的交通运输方式）的分支，在智能交通系统这一庞大的体系中，占有极其重要的地位。

作为整个智能交通系统的基础，车载卫星定位系统的主要目的就是找出特定车辆在特定时间的位置。

目前，车辆导航电子地图的规范的行业标准和国家标准正在由中国全球定位系统技术应用协会承担制订，适合我国应用的GPS与某些GLONASS（GlobalNavigationSateliteSystem,全球卫星导航系统）相关标准也正在由信息产业部电子第四研究所牵头制订中[8]。

国外对于智能交通系统的研究，已经开展了三、四十年，美国，日本和欧洲等国都为此投入了大量的资金、人力和物力，取得了很多有价值的成果，并成为世界智能交通系统研究的三大基地。

另外一些国家和地区对智能交通系统的研究也有相当大的规模，如澳大利亚、韩国、新加坡和香港等。

目前可以说，全球正在形式一个新的智能交通系统产业，发展规模和速度惊人。

在这样的形势下，车载导航系统肯定会迎来一个新的发展时期。

我们必须立足于新技术和新形势，着眼于该领域中的关键问题，在这方面做出创造性的研究和实践[9]。

1.3研究背景及意义

随着城市化进程的加快，城市交通势必成为城市化发展的重大问题。

汽车产业的快速发展，使得汽车已成为并且在相当长的时期内将还是城市交通的主要运载工具。

城市交通中面临的交通拥挤和堵塞、交通事故频发、以及交通中存在的资源浪费等问题，将严重制约影响着城市化的发展和人民的生活[10]。

近年来我国汽车数量猛增，由于车辆增多引起的城市交通问题也将日益突出，为此非常有必要加强车载导航定位系统的研究[11]。

目前，在我国大部分车辆都还没有配装有GPS导航定位系统，能够配有包含诸多功能及丰富信息的导航电子地图更是极少。

导航电子地图作为GPS（全球卫星定位系统）技术、GIS（地理信息系统）技术、计算机技术、数据库技术、网络技术等众多学科技术的集成产品。

其功能实用，信息丰富，大体上是将空间信息、地理信息通过计算机技术转化为电子地图信息产品，传达给用户，以达到商业、民用、军用等目的[12]。

导航电子地图的质量是由其覆范围、信息含量、精确度、表现形式的水平来衡量。

并逐步发展为信息具体，信息量大能够反映现实世界的三维高质量地图。

导航电子地图与普通电子地图相比，有位置精确、查询快速明确、灵活方便等特征。

导航电子地图中定位精度的高低直接影响着产品的质量好坏及其应用层次。

空间位置信息是GIS导航电子地图中的基本信息，例如在算

距离，计算面积等方面，位置信息是不可缺少的[13]。

GPS和GIS的结合在应用范围上不断扩大，深度上也逐步加深，由此而产生的导航电子地图也越来越受到社会的关注，在餐饮、娱乐、旅游、医疗救护、交通疏散、消防等方面都得到了应用。

国家的相关部门和企业都对此投入了大量的人力、财力，物力从事这方面的科研与应用研究。

导航电子地图也将成为高新技术产业[14]。

另外一个重要问题就是目前国内厂商缺乏核心技术，无法深入到芯片级的开发，当前的手持车载导航终端上帝GPS模块基本都是美国或者台湾的产品[15]。

第2章车载卫星定位系统简介

2.1GPS卫星定位系统

全球定位系统是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空等进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、T程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命[16]。

全球定位系统属美国第二代卫星导航系统。

该系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。

21+3颗卫星均为近网形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道四颗），轨道倾角为55度。

卫星的分布使得在地球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形[17]。

这就提供了在时叫上连续的全球定位能力。

随着全球定位系统的不断政进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地扩展，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。

2.2定位原理

利用GPS定位的方法很多种，按照参考点的不同可分为：

单点定位（绝对定位）和相对定位（差分定位）[18]。

单点定位是利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值，直接确定用户接收机天线在WGS一84（WorldGeodeticSystem）坐标系中相对于坐标系原点一地球质心的绝对位置。

该方法的优点是只需一台GPS接收机。

但由于单点定位的结果受卫星星历误差和卫星信号传播过程中的大气延迟误差的影响比较显著，定位精度较差[19][20]。

相对定位也叫差分定位，即使用至少两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星。

其中一台接收机被安置在地面的已知点上作为基准点，将实际的观测量与已知的精确位置比较得出差分修正量，然后将此修正量传输给其它的用户接收机，用户再根据此修正量来修正自身的观测量，从而提高定位结果的精度。

GPS定位系统的工作原理是：

在离地面2万2百公里的高空上有24颗GPS卫星，它们环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星由于卫星的位置精确可知，在GPS模块中，可得到卫星到模块的距离，利用三维坐标中的距离公式，只要接收到3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。

图2-1GPS定位原理

根据图2-1（出自文献《智能车辆定位导航系统及应用》）可以确定下面的方程式：

上面方程中c为GPS信号的传播速度（即光速）。

通过解上述方程组，再经过处理分析后，消去大部分误差，得到一个较准确的位置。

以上就是GPS定位的基本原理[21]。

2.3车辆监控终端解决方案

图2-2车载监控终端方案设计

（1）北斗/GPS导航模块：

接收北斗卫星信号和GPS卫星信号，解算出终端的实时位置，并发送给应用处理单元。

（2）应用处理单元：

运行监控终端内部程序，进行数据处理和周边设备控制，主要包括信息显示、告警、数据存储、车辆状态采集、通信协议处理以及相关接口。

（3）GPRS/CDMA（CodeDivisionMultipleAccess,码分多址）模块：

负责车载监控终端与控制中心之间的通讯，可以是GSM（GlobalSystemofMobilecommunication,全球移动通讯系统）/CDMA短信通道或GPRS/CDMA数据通道。

（4）电源模块：

负责系统供电。

第3章需求分析

3.1CPU选择及分析

3.1.1CPU型号

考虑到ARM处理器的强大性能和发展前景，以及一体机系统设计需要的大量外围设备，我们选择TI公司的DM3730芯片作为CPU（Central 

Processing 

Unit,中央处理器）。

3.1.2DM3730芯片介绍

DM3730采用ARM®

Cortex™-A8与C64x+™DSP（DigitalSignalProcessing,数字信号处理）内核，在单个片上系统上集成影像及视频加速器、3D图形处理器（仅DM3730）以及高性能外设，是要求高清视频处理或大规模数据处理应用的理想选择。

这些应用包括导航系统、媒体播放器、医疗患者监护设备、工业测量测试设备、工业视觉以及便携式通信等。

　　DM37x处理器与OMAP35x系列处理器软件兼容，与Sitara™AM37x器件引脚对引脚兼容，可便捷地将产品升级到更高性能选项。

DM3730与DM3725之间的差异在于DM3725不具备3D图形加速器。

从OMAP3530升级到DM3730的客户能够在功耗锐降约40%的情况下，实现提高50%的ARM性能与提高40%的DSP性能，以及2倍的图形性能。

　　800MHzC64x+™DSP与硬件视频加速器可实现独立于ARM处理器的音频与高清720p视频解码与编码（配套提供音频与视频编解码器），从而可在ARM上进一步扩展，运行更多高级应用以及支持各种响应的2D或3D图形用户界面，实现工业个人数字助理等应用。

DM3730特性：

1.融合了ARMCortexA8以及TMS320C64+，主屏分别为1-GHz和800-MHz

2.对TMS320C64有先进的长指令

a.每个时钟都有一个12*12位和32*32位的乘法器

b.8个独立的高速功能单元

c.有64/32位的通用存储器

d.指令代码大小集成降低

e.所有的指令是有条件的

3.SDRAM控制器

a.16/32位的的内存控制器并且可以寻址1G字节的地址空间

b.SDRAM为低电平接口

4.通用存储器控制器控制器

a.16位的地址数据乘法器

b.多达8个芯片选择引脚，每个芯片选择一脚有128M字节的地址空间

c.和NORFLISH、NADEFLISH、SRAM、Pseudo-SRAM为无缝接口

5.1.8V的输入输出，0.9V到1.2V用处理器上

6.串行通信

a.有5个多通道缓冲串口

—1、3、4、5串行端口有512字节的收发缓冲区

—2端口有5k字节的收发缓冲区

—128通道的收发方式

—IIS（InternetInformationServices,互联网信息服务）、PCM（PulseCodeModulation,脉冲编码调制）驱动、T总线有直接接口

b.高速/全速/低速的USB（UniversalSerialBUS,通用串行总线）的多端口USB

c.一个HDQ/1-weite接口

d.4个UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter,通用异步接收/发送装置）

7.ARMCortex–A8

a.ARMv7的结构

b.32K字节的指令缓存

c.32K字节的数据缓存

d.256K字节的L2缓存

e.32K字节的ROM

f.64K字节的共享SRAM

g.12个32位的通用程序定时器

h.2个32位的看门狗

i.1个32为的安全监管看门狗

j.高达188GHz的I/O管脚

8.515-pins-PBGA封装

9.423-pins-PBGA封装

与ARM9相比的优缺点

1.优点：

a.DM3730处理器复杂的流水线架构基于双对称的，顺序发射的，13级流水线，带有先进的动态分支预测，可实现2.0DMIPS/MHz。

b.结合功率优化的加载存储流水线，为功率敏感型应用提供2.0DMIPS/MHz的速率遵从ARMv7架构规范。

c.集成的L2缓存：

使用标准编译的ARM建立而成，64K到2MB的可配置容量，可编程的延迟。

d.优化的L1缓存：

经过性能和功耗的优化，结合最小访问延迟和散列确定方式，以便将性能最大化，将功耗最小化。

e.处理器集成了一个可调尺寸的二级高速缓冲寄存器，能够同高速的16K或者32K一级高速缓冲存储器一起工作，从而达到最快的读取速度和最大的吞吐量。

2.缺点：

a.由于频率太高，很容易引起型号的不完整。

b.ARM9仍然占有很大一部分的市场空间。

c.成本相对于ARM9来说成本太高。

d.由于芯片更加复杂，对于学习来说，难度增加。

3.2串口

3.2.1串口介绍

串行接口（SerialInterface）是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。

一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。

串行通讯的特点是：

数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；

成本低但传送速度慢。

串行通讯的距离可以从几米到几千米；

根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。

根据实际情况，考虑到还有一些模块需要通过串口与CPU相连，因此我们决定设计5个串口,其中TTL电平的串口有4个，RS232电平的串口有1个，由于DM3730只提供了3个串口，因此需要用到串口扩展模块。

3.2.2RS-232

RS-232也称标准串口，最常用的一种串行通讯接口。

它是在1970年由美国电子工业协会联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。

传统的RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座，后来使用简化为9芯D型插座（DB9），现在应用中25芯插头座已很少采用。

RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。

RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。

所以RS-232适合本地设备之间的通信。

在一般的微处理器中集成了3.3V的LVTTL电平串口，其中LVTTL的标准所定义逻辑1对应2~3.3V电频，逻辑0对应0~0.4V电频，可以直接使用。

为了和标准的RS-232串行设备通信，采用一块MAX3232芯片。

3.2.3串口扩展芯片

由于DM3730采用的是CUS封装，因此完整的串口占有3个，而根据实际情况，需要5个串口，因此需要串口扩展芯片。

串口扩展芯片有很多，比如SP2237、GM8125、VK3200等同类系类。

这次我们选择VK3233。

VK3233是业界首款具备UART/SPI（SerialPeripheralInterface-,串行外设接口）接口的3通道UART器件。

可以通过模式选择使得该芯片工作于以下任何一种主接口模式下：

当主接口为UART时，VK3233将一个标准3线异步串口（UART）扩展成为3个增强功能串口（UART）。

主接口UART在数据传输时可以选择需要转义字符和不需要转义字符两种模式。

此外，主接口的UART以通过引脚配置为红外通模式。

当主接口为SPI接口时，VK3233实现SPI桥/扩展3个增强功能串口（UART）的功能。

扩展的子通道的UART具备如下功能特点：

a.每个子通道UART的波特率、字长、校验格式可以独立设置，最高可以提供1Mbps的通信速率。

b.每个子通道可以独立设置工作在IrDA红外通信、RS-485自动收发控制、9位网络地址自动识别、硬件自动流量控制、广播收等高级工作模式下。

c.每个子通道具备收/发独立的16BYTEFIFO（FirstInputFirstOutput,先入先出队列），FIFO的中断为4级可编程条件触发点。

d.提供一个子通道的调制解调器控制信号。

芯片管脚及其属性（图3-1，3-2来自VK3233数据手册）：

图3-1VK3233

（3）芯片连接图

图3-2芯片连接图

T管脚连接DM3730的UART3_TX

R管脚连接DM3730的UART3_TX

3.3GPS、导航电子地图应用

3.3.1芯片选择

该车载多媒体一体化拟采用了和芯星通UM220三系统高性能GNSS模块，基于公司具有完全自主知识产权的多系统多频率高性能SoC（SystemOnChip,片上系统）芯片，能够同时支持BD1S/L、GPSL1两个频点。

UM220外形尺寸紧凑，采用SMT（SurfaceMountedTechnology,表面贴片技术）焊盘，支持标准取放及回流焊接全自动化集成，尤其适用于低成本、低功耗领域。

下图为其性能指标。

表3-1UM220性能指标

通道

基于192通道Nebulas芯片

定位精度（RMS）

3m三维

频率

速度精度（RMS）

0.1m/s

BD2B1

1PPS*

20ns

GPSL1

数据更新率

1Hz（可升级更高频率）

定位模式

单系统独立定位