车载GPS智能终端的设计与实现.docx
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车载GPS智能终端的设计与实现
车载GPS智能终端的设计与实现
文章作者：
黄承安张跃
文章类型：
设计应用文章加入时间：
2003年12月16日23:
53
文章出处：
电子技术应用
摘要：
讨论了智能交通系统中车载终端的作用和意义；阐述了车载GPS智能终端的主要功能；介绍了GSM模块及其性能和使用方法。
着重讨论了车载GPS智能终端的软硬件设计与实现方法。
关键词：
智能交通系统（ITS）车载终端GSMGPS短消息
智能交通系统（IntelligentTransportSystem，即ITS）采用信息技术、计算机技术、控制技术等于手段对传统交通运行系统进行改造，以达到增强系统运行效率、提高系统可靠性和安全性、减少能源消耗和对自然界的污染等目的。
ITS总体来说包括四部分：
交通信息采集部分、车辆调度控制部分、电子收费系统和交通信息服务。
其中的每个部分都需要车载终端的参与：
在交通信息采集部分，需要车载终端提供车辆的准确定位信息和车辆运行情况信息；在车辆调度控制部分，车载终端作为控制的接收端，负责接收ITS中心的调度指挥信息；电子收费系统需要车载终端与收费站自动完成付费交易；车载终端还是交通信息服务的接收平台，把服务显示给车辆驾驶员和乘客。
因此，车载终端是ITS系统中非常重要的组合部分。
本文所介绍的“车载GPS智能终端”就是ITS车载终端的一个具体实现。
下面详细介绍车载终端系统的功能与设计实现方法。
1车载GPS智能终端的功能
根据ITS系统的要求，车载GPS智能终端应具有如下功能：
（1）车辆定位；
（2）终端与ITS控制中心通讯；（3）报警，包括主动报警和自动报警；（4）在必要时进行车内监听；（5）在必要时控制汽车熄火；（6）显示调度信息。
另外，车载GPS智能终端还根据用户需要实现了其它功能：
（1）可拨打车载电话；
（2）限制车辆行驶范围和行驶时间，监控车辆的行驶轨迹等。
车载GPS智能终端的这些功能使其特点适用于汽车保险、运输车队或出租车队的管理、调度等领域。
图1ITS系统的结构示意图
2基于GPS-GSM/GPRS的ITS系统设计
目前全球卫星定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）的技术已经比较成熟，使用也非常方便，通过专用的GPS模块即可方便地获得车载GPS智能终端所在的全球定位坐标。
其定位精度比较高，一般误小于15m。
如何把定位信息发送给ITS中心一直是比较难解决的问题之一。
以往的ITS系统多采用集群通信系统实现车载终端与ITS中心的通讯。
但是这种系统具有覆盖区域小、安装维护费用高、技术复杂等缺点。
近两年随着GSM/GPRS网在中国的普及，车载终端通过GSM/GPRS网与ITS中心通讯的方式已经成为最受欢迎的方式。
这主要由于以下原因：
（1）GSM/GPRS网覆盖面广，目前已经遍及我国大部分地区，包括乡村和边远地区；
（2）无需建网、维护；（3）GSM/GPRS网可靠性高、误码率低；（4）使用短消息功能或GPRS进行数据传输，费用比较低；（5）由于GSM/GPRS技术使用广泛，提供相应通讯模块的厂商较多，价格也比较合理。
这里设计的ITS系统就是基于GPS卫星系统和GSM/GPRS这两大系统的。
其结构如图1所示。
首先车载GPS智能终端通过GPS卫星定位自己的全球坐标；然后以消息或GPRS数据通讯方式把定位信息发送到ITS中心，ITS中心的控制调度命令也是通过GSM/GPRS网络发送到车载GPS智能终端中，终端与ITS中心的通讯符合专用的命令协议；最后，互联网的用户还可以通过VPN专用网技术或其它安全联网技术连接到ITS中心，以控制、查看车载终端的状态。
3车载GPS智能终端硬件系统的设计
车载GPS智能终端利用单片机与GSM模块联合设计了一个符合经济型终端功能需求的硬件解决方案。
其硬件系统结构如图2所示。
3.1主控单片机
主控单片机采用具有两个串口的高性能单片机W77E58。
在系统中，主控单片机负责接收用户的手柄输入信号和GPS输入信号；对GPS信号进行计算，以获得当前的经、纬度坐标；接收并解析ITS中心发送的短消息命令，按命令进行上传定位坐标、报警等操作；另外还负责把系统的运行状态及ITS的信息通过液晶屏显示出来。
3.2GSM模块
使用GSM模块可以方便地利用GSM网进行通讯。
它同主控制器以串行口的方式连接，并采用一定的波特率进行通信。
主控制器可以通过AT命令控制GSM模块使其发送短消息，使用GPRS传送数据或进行语音通话。
GSM模块硬件连接图如图3所示。
GSM模块与单片机之间采用标准的串行口进行通讯，通讯的最高波特率可以达到115200bit/s。
GSM模块与SIM卡之间主要通过SIMCLK和SIMDATA信号线进行数据通信。
为了保证发送短消息与短消息到达之间的时间间隔尽量短，选用的SIM卡最好是同一个电信运营商提供的。
在使用GPRS功能时，还需要选择支持GPRS的SIM卡，并开通GPRS服务。
GSM模块还支持驱动两路麦克风、两路扬声器和一路蜂鸣器。
其中一路麦克风和扬声器可以连到手柄的听筒上，以实现车载电话功能。
3.3GPS模块
GPS模块用于接收GPS卫星的信号，并计算出车载终端目前所在位置。
采用的GPS模块由变频器、信号通道、微处理器和存储单元组成。
GPS模块通过串行口向主控制器发送定位坐标；主控制器也可以向GPS模块发送设置命令，以控制GPS模块的状态和工作方式。
GPS模块需要配备专门的GPS天线接收GPS卫星信号。
一般在比较开阔的地区，需接收到三颗以上的GPS卫星信号才能进行准确定位。
在车载GPS智能终端系统中，把天线放置在车顶可以有比较好的定位效果。
3.4电源模块
电源模块用于给系统中的其它模块供电。
终端系统需要电源模块提供三路电压，分别为：
3.6V、5V、3.3V。
其中，GSM模块在发送和接收数据时需要的电流比较大（约为2A），选用了National公司的LM2576电源芯片。
它是一种PWM方式调制的高功率稳压芯片，可以提供高达3.5A的尖锋电流。
电源模块中还设计了后备电池系统，在车载电源不工作或被破坏时给车载GPS终端供电。
在车载电源工作正常的情况下，后备电池会自动被充电。
4车载GPS智能终端软件系统的设计
首先介绍程序响应的中断系统。
由于单片机与模块之间的通讯是不定期、不定长的通讯，为了保证不出现阻塞情况，系统采用中断接收方式：
把接收到的所有数据在中断过程中放入对应的循环缓冲区之中，然后由主程序解析接收到的串口数据。
单片机还要响应另外两个中断：
一个是报警按钮被按下时触发的中断；另一个是定时中断，它每20ms触发一次，用于检测GSM模块的超时应答。
车载GPS智能终端软件系统的主要功能是由主程序完成的。
主程序采用状态机的系统结构，其总体结构图如图4所示。
其中，（a）为总体流程框图，（b）为GSM报文处理部分流程图，（c）为GPS报文处理部分流程图。
终端可以处于8种状态：
空闲、上传定位信息、定时上传定位信息、拨号、通话中、网络无法连通、GPS无法定位、报警。
状态间的切换主要由ITS中心通过发送消息的命令报文控制。
程序工作时先进行初始化工作，然后进入主控制循环。
在主控制循环中首先检查GSM数据缓冲区中是否有完整的GSM数据包，如果有则进行解析，并根据协议中的控制命令改变终端所处的状态。
接着判断GPS数据缓冲区中是否有完整的GPS数据包，如果有则取出并解析出当前的全球定位坐标，以供上传坐标时使用。
最后根据终端所处的状态对终端进行操作，例如：
如果终端处于上传定位消息的状态，则控制GSM模块上传定的消息。
实验证明，车载GPS智能终端可以较好地完成终端定位、与ITS中心通讯、报警、拨打车载电话等功能，并且具有成本较低、系统覆盖面广、使用维护费用低、通讯可靠等特点。
但是，由于系统主要采用GSM系统的短消息进行通讯，因此无法做到实时通讯。
在本系统的基础上稍加改进就可以使用GPRS技术代替短消息进行数据传输，其“永远在线”的特点可保证数据的实时传输。
基于GPS15L的移动自组网终端系统设计
摘要：
无线通信的最终目标是5W。
基于TD-SCDMA的移动自组网（MANET）是一种极具发展潜力的个性化通信方式，而全球定位系统为通信、导航等提供了极为有力的帮助。
结合国家“863”研究项目，研究了基于GRS15L的TD-SCDMA移动自组网终端系统，分析了设计中可能存在的问题，提供了其设计思路和方法，指明了其系统设计的未来方向。
关键词：
全球定位系统移动自组网时分多工同步码分多址系统帧同步
移动自组网（MANET）是一种由相互间能直接通信而没有中心控制的移动节点组成的无线通信网络。
基于TD-SCDMA的MANET是在充分利用TD-SCDMA蜂窝网无线资源的条件下而设计的自组织网络。
基于TD-SCDMA的MANET的移动终端不但能够进行内部的信息交互，而且能够接入TD-SCDMA蜂窝网并进而连接到Internet。
本文分别从底层硬件、软件和协议的角度设计了基于GPS15L的TD-SCDMA自组网移动终端。
1MANET终端系统总体设计
与德国FleetNet移动自组网[1]不同，基于TD-SCDMA的MANET没有固定的网关、独立的频率资源和单独的无线传输技术（RTT）等。
因此，在移动终端（MT）的软硬件平台、通信协议设计及组网方式上与FleetNet均有较大差异。
同时，基于TD-SCDMA的MANET各个移动终端由于没有网络侧（包括NodeB）的协调控制，使得MT既可充当纯MANET的移动终端，也可是TD-SCDMA蜂窝网的普通用户设备（UE），或是集MT和UE于一身的网关（GW）。
因此，在MANET终端系统设计上，较普通的UE系统设计为更为复杂和深奥。
充分利用现有的研究成果是系统设计的首要原则。
硬件平台上，在原有的现场试验移动台（FTMS；相当于UE）上增加OMAP1510开发板（含手写显示彩屏、键盘、鼠标等外设）和GPS模块。
为使增加的外部设备能够与原有的FTMS协调工作，必须增加相应的硬件接口和驱动软件等。
同时，从物理层到应用层的协议软件均需做相应的修改或重写。
对基于TD-SCDMA的MANET移动终端系统设计本着从整体到局部、先概要设计到详细设计和软硬件并发设计的原则来进行。
2硬件及接口设计
基于TD-SCDMA的MANET移动终端系统由以下几部分组成：
射频及中频模块、模拟基带处理模块、数字基带处理模块、协议处理模块、语音编解码模块、SIM卡及电源管理模块、键盘及显示模块、GPS模块、PC接口模块和电源等。
其组成和相互关系如图1所示。
2.1GPS15L模块
为什么使用全球定位系统（GPS）？
GPS是一种使基于TD-SCDMA的移动自组网得以正常通信的最为简洁而高效的设备。
TD-SCDMA中的“S”代表上行同步，即所有发送到NodeB（基站）的用户设备（UE）信号同时到达NodeB。
由于移动自组网是一种无中心控制的网络，所以基于TD-SCDMA的移动自组网节点之间的通信需要一个统一的时间标志，使各个终端之间的信号接收和发送以一定的节拍进行（帧同步）。
美国GARMIN公司的GPS15L提供了秒脉冲（PPS），其精度为±100ns。
利用这一特性，当一个秒脉冲到来时（上升沿），把它定义为每200个5ms无线子帧的起始点。
在这里PPS的作用相当于NodeB发送的DwPTS。
除了提供PPS之外，GPS15L通过RS-232接口还提供了时间信息和地理位置信息，这些信息对设计功率控制算法和路由算法极为有利。
有了对方的相对位置，终端在计算发射功率时就更为准准确确可靠，路由寻址就更有目的性。
GPS15L的接口如图2所示。
GPS的PPS送到FPGA以后，与5ms的帧中断（帧同步）计数器进行比较。
如果在两个PPS之间多于200个帧中断信号，则减少帧中断计数器值，否则增加其计数值，直
到刚好有200个帧中断信号为止。
GPS的位置位置信息直接送到OMAP1510开发板，由运行在该开发板上的高层协议处理。
另外，GLS15L的串口速率是可以调整的，可以通过OMAP1510以一定的指令来调整其最佳工作速率（默认值为4800bps）。
由于GPS送出位置信息不是主动的，因此必须编写适当的指令以定期读取这些信息。
2.2OMAP1510接口模块
OMAP（OpenMultimediaApplicationPlatform）则由TI公司生产的集成TMS320C5510数字信号处理器和ARM9RISC处理器的高性能开放式多媒体应用平台。
DSP+MUC是未来嵌入式应用的必然趋势。
OMAP1510开发板提供了嵌入式操作系统、彩色显示屏、键盘和鼠标等外设，因此用它在未来的开发中替代目前配置的一个协议PC机和一个应用PC机，使FTMS具有更大的移动性和可靠性。
其接口如图3所示。
OMAP1510与GPS的接口比较简单，它通过RS-232接口从GPS得到位置信息。
位置信息经OMAP内的ARM9处理后送到其上运行的路由层。
OMAP1510通过双端口随机存储器（DPRAM）与FTMS的物理层控制芯片ARM7交换数据。
OMAP1510还提供了USB接口，用它做前期的仿真调试。
最初的路由和应用层协议将运行在PC机上。
为使PC与OMAP1510之间能有高速的数据交互（至少需要144kbps），使用了USB总线。
当这些协议都运行成功之后，将逐步移植到OMAP1510中。
因此，USB在这里只是过渡性质的。
2.3USB接口模块
OMAP1510上的USB控制器既可以在主控模式下（Master），也可以在从属模式下（Slave）工作。
在这里，只把它设置在Slave方式下工作，它允许外部USB主设备通过USB总线进行配置和读写。
3USB驱动程序及应用软件设计
实际上，USB驱动程序包括两部分：
工作在（OMAP1510上的）Sybian操作系统中的主USB驱动程序以及工作在Windows2000/XP（PC）中的从属USB驱动程序。
由于Sybian操作系统中的USB驱动程序由OMAP1510开发板供应商提供，只需要设计Windows环境下的USB驱动程序和应用程序即可。
笔者用Jungo公司[2]的WinDriver设计这些程序。
首先，用KernelDriver6.11驱动程序设计向导完成驱动程序源代码的生成（包括安装信息文件）。
然后用VC++6.0等C++语言工具对这些源程序进行编辑、修改和编译以产生系统文件（.DLL或.sys）。
驱动程序生成之后还需要在PC上安装以测试其可靠性和稳定性。
最后，用KernelDriver生成的应用程序加以修改和编译。
对编译生成的.exe文件做USB配置测试。
4基于TD-SCDMA的MANET协议软件设计
与TD-SCDMA的MANET协议栈相类似，基于TD-SCDMA的移动自组网协议软件由物理层（L1）、物理层控制层（L1C）、无线链路控制（RLC）/媒体接入控制（MAC）层、逻辑链
路控制（LLC）、TCP/IP（含MANET路由）层和应用层组成。
它们的相互关系及运行实本如图4所示。
L1层。
物理层包括信息编码、突发成帧、用户检测/联合检测、信道解码、测量和控制等模块。
由于基于TD-SCDMA的移动自组网使用了TD-SCDMA一致的无线帧/时隙结构及信道编解码技术，因此它们的物理层基本一致。
L1C层。
物理层控制层包括公共服务、接口处理、过程控制等。
主要用来解析高层命令和消息并把它转换成对L1的命令（CMD）或请求（REQ）。
接收来自L1的数据和信令，解析该数据/信令并把数据转发或在本软件中加以处理。
RLC/MAC层。
该层主要做开环/闭环功控策略、物理层调度和自动重传请求（ARQ）等以保证一定的链路质量等。
LLC层。
该层主要用来控制逻辑链路以使链路建立/保持/拆除连接。
TCP/IP层。
该层主要实现MANET的IP分配与绑定、自组网节点路由/寻径和传输控制等。
这一层和应用层目前在PC机上实际，下一步将把它们移植到OMAP开发板上。
应用层。
该层实现诸如HTTP、FTP等的网络应用。
以上简单介绍了基于TD-SCDMA的移动自组网协议栈设计。
更详细的信息请参看文献[3～4]。
目前，基于GPS15L的TD-SCDMA自组网移动终端正在测试之中，还有许多关键技术[5]需要测试和调整。
勿庸置疑，未来的基于TD-SCDMA的自组网移动终端将采用长码（PN码）自同步方式而不需要GPS的支持。
在终端的节电机制及唤醒机制等方面还需要更多更深入的研究。
基于TD-SCDMA的MANET移动终端系统设计
文章作者：
北京出电大学电子工程学院彭佛才北京邮电大学电信工程学院韩翠红
文章类型：
设计应用文章加入时间：
2004年6月7日23:
38
文章出处：
电子技术应用
摘要：
结合国家“863”研究项目，研究了基于TD-SCDMA移动通信系统的移动自组网软硬件系统，分析了系统设计上的一些问题，同了相应的处理策略。
关键词：
时分多工同步码分多址系统移动自组网网络接入
未来移动通信的发展将是通信的个性化，即任意两个通信节点要吧直接交互信息而无需其它节点的参与；同时，当存在其它节点时，又可以通过第三个节点与其它节点通信。
本文研究了基于TD-SCDMA移动通信系统的自组网系统组成原理，主要讨论了系统的硬件平台主协议软件，分析了构建移动自组网所需工作及面临的一，以及解决这些问题的策略和方法。
1硬件系统设计
TD-SCDMA移动通信协议是符合IMT-2000和3GPP规范的世界三大移动通信国际标准之一。
基于TD-SCDMA移动通信组网的通信节点在有中心控制器（NodeB）存在的情况下，信息交互都通过中心控制器转发（NodeB）存在的情况下，信息交互都通过中心控制器转发（纯TD-SCDMA电信网模型）。
当吣控制器不可获得时，这些通信节点又能自适应地切换到peer-to-peer通信的工作方式（纯计算机网模型）。
在整个切换过程中，网络的通信协议基本保持不变或作少量的自适应修改即可。
根据这一设计思想，基于TDSCDMA移动通信系统的自组网系统组成如图1所示。
1.1射频及A/D、D/A变换单元
射频单元用来接收、发送频率约为2GHz的已调制高速模拟信号并把高频模拟信号变换成带宽为1.6MHz的模拟基带信号（发送时相反；下同）。
模拟基带信号经过适当的滤波处理送到A/D单元做4倍频采样变换成数字信号。
采样数据为Chip结构余弦分量In和正弦分量Qn。
需要说明：
当自组网移动终端（UE）同时与电信网（NodeB）和自组网其它UE通信时（这时，UE可当作自组网的一个网关），UE需要两套RF和A/D、D/A单元。
1.2FPGA协处理模块
FPGA要完成采样后数字信号的滤波处理、系统帧号产生、物理层用户检测的矩阵乘法、Vitebi译码、GPS数据处理以及为DSP提供时钟等。
笔者选择了Xilinx公司的XCV1000E做FPGA芯片，用Foundation4.1i软件平台设计FPGA内部逻辑。
底层使用Verilog硬件描述语言设计其逻辑处理单元以使逻辑设计可移植，顶层使用原理图连接各逻辑单元和外部引脚。
1.3DSP处理模块
该模块用来完成物理层的所有操作，如小区初搜、临近UE搜索、用户数据检测、信道编解码、突发成帧和物理层的命令解析等。
用户DSP处理物理层的算法具有很大的优越性。
物理层的部分算法（如矩阵乘法和Vitebi译码等）由FPGA协议完成，称之为DSP的协处理器。
实际上，这些算法都可以用DSP实现，但硬件乘法具有较高的效率。
笔者使用TI公司的TMS320C6416完成这些实时算法。
DSP程序和FPGA逻辑数据存储在Flash中。
在系统板上电或复位后由ARM9处理器加载FPGA逻辑，之后DSP自行引导。
1.4GPS同步及位置信息处理模块
当基于TD-SCDMA的移动自组网终端工作无中心控制器的对等网络中时，相互之间的定时和步就成为一个极迫切又重要的问题。
在TD-SCDMA移动通信系统，定时和同步通过NodeB实现，而它在自组网中并不存在。
另外，TD-SCDMA系统使用了较短的扩频码（长度为1、2、4、8、16的Walsh码；最大为16比特），码片间的同步很难通过软同步的方法实现，帧同步也就无从谈起。
因此需要借助GPS提供绝对的时钟参考和同步基准。
另外一般的GPS还提供了位置信息，这对UE计算发送时间提前
量等有很大的帮助。
GPS能提供精度为100ns的秒脉冲（PPS），用来实现帧同步调整。
虽然帧同步调整频率远低于TD-SCDMA系统的200次/秒，但由于采用了稳定度较高的晶振（0.1ppm），所以PPS能够满足帧同步的要求。
为提高帧同步的精度和软件处理的灵活性，PPS在FPGA内部实现，位置信息由MCU处理（以产生系统帧号）。
接口电路如图2所示。
当MANET移动终端切换到TD-SCDMA移动通信系统与NodeB通信时，MCU发出指令使GPS系统停止工作，系统的定时和同步由NodeB控制。
1.5话音、键扫描及显示单元
这部分电路用来处理语音采集、语音回放、语音编解码、键盘扫描和液晶显示接口
等。
语音采集包括拾音器、线性放大器、采样保持器等。
采样后的数据送到PCF5087中的语音编码器RD16022变换成线性预测码。
话音回放电路包括D/A变换器、线性预放和功率放大器。
语音编解码由数字信号处理器RD16022完成，实现原始语音数据与话音性预测码变换。
键盘扫描实现电话拔号、短信号功能等。
PCF5087包含有LCD接口电路，可以直接连接以液晶显示屏，这部分电路如3图所示。
1.6MCU及PC接口模块
该模块用来处理二层（MAX/RLC）、三层通信协议软件（TCP/IP等）、高层应用程序（电子邮件、Internet浏览器等）和PC接口通信。
移动终端与PC的通信接口主要用于系统调试时，可以方便地在PC机实现移动自组网二层、三层和应用软件，这些协议软件都存
储在Flash中。
另外，可以通过该主接口控制移动终端的工作状态。
这部分的电路如图4所示。
应注意的是：
MCU与DSP之间有一以端口的共享内存，用来交互MAC层和物理层的数据。
另外一块内存区则为MCU专用，主要用来执行三层和应用程序。
与PC机通信的程序及数据也这里执行和存储。
2软件系统设计
软件设计的总体要求是软件的可移植性、稳定性、高性能。
对于底层软件，还求有实时性。
移动自组网终端软件系统中，各软件模块均用C/C++语音编写。
设计流程要求符合软件工程规范，在设计文档、版本定义。
代码编写和归并到版本管理器ClearCase等多方面都有严格要求。
2.1物理层协议软件
物理层协议软件直接控制硬件并为高层软件服务。
由于TMS320C6416内部有8个逻辑执行单元及巨大的吞吐能力（4800MIPS@600MHz），所以在物理层软件设计中只使用C语言不考虑汇编语言。
同时，TI的CodeComposerStudio2.0forC6x编译器有很高的编译效率（相对CCS1.2forC6x版本其编译成等效汇编程序的效率约提高70%），因此，物理层软件用C语言编写。
另外，CCS2.0编译器还提供了大量的可直接调用的库函数，这可以大大减少程序编写的工作量。
物理层协议软件如图5所示。
物理层接收来自高层的命令和上报物理层解调数据都通过共享内存与MCU传递信息。
DSP读完MCU写到内存的数据后就把内存清零，MCU读完DSP写到内存的数据后也把它清零。
这两块内存互不重叠。
共享内存机制可以快速地交互信息，提高程序运行效率。
2.2MAC/RLC协议软件
二层软件用来控制物理层使用的物理资源和进行无线链路的控制等。
目前的二
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