基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计毕业设计.docx
《基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计毕业设计.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计毕业设计
理工学院
本科生毕业设计（论文）
基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计
HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPS
总计：
23页
表格：
3个
插图：
19幅
理工学院本科毕业设计（论文）
基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计
HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPS
学院（系）：
电子与电气工程系
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
94107062
指导教师（职称）：
（高工）
评阅教师：
完成日期：
理工学院
InstituteofTechnology
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计
电子信息工程专业吕红叶
［摘要］随着国民经济的发展，城市交通拥挤和阻塞现象日趋严重。
城市交通问题已严重阻碍了城市居民生活水平的提高和整个城市经济的可持续发展，成为城市发展的瓶颈。
城市公共交通具有运载量大、运送效率高、相对污染少等优点。
开发和建设先进的公共交通管理系统以改善公交管理和提高服务的质量，引导市民选择公共交通工具出行，从而改善整个城市交通状况是解决城市交通问题的关键。
本文分析了国内外智能交通系统的发展现状以及GPS定位原理，提出了一种基于GPS的嵌入式公交自动报站系统，论文详细介绍了硬件电路设计的开发过程，并制定了测试方案对系统进行测试，最后对所做工作进行总结，指出了进一步的研究方向。
［关键字］嵌入式；GPS；智能公交
HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPS
ElectronicInformationEngineeringSpecialtyLvHong-ye
Abstract:
Asthenationaleconomydevelopment，urbancongestionandobstructionphenomenonhasbecomeincreasinglyserious.Citytrafficproblemhasseriouslyhinderedtheimprovementoftheurbanresident’slivingstandardsandthecontinuableeconomicdevelopmentoftheentirecity．Itbecomesthebottleneckofurbandevelopment．Urbanpublictransporthasmanyadvantages，suchasthroughput，highefficiencytransport，relativelylesspollution.Itisthekeytosolveurbantrafficproblemsthatempolderingandconstructingmodempublictransportmanagementsystemtoimprovepublictransportmanagementandthequalityoftheservice．andguidingthechoiceofpublictransporttravel，therebyimprovingtrafficconditionsthroughoutthecity.Inviewofthepresentsituationofthedomesticandforeignpublictransportationsystem，automaticreportingstationsystemforbusbasedonGPStechnologyisputinthispaper.Andtherearedetailsofthehardwaredesigndevelopmentprocess.Andtestingsolutionsaredevelopedheretotestthesystem.Finally，therearetheanalysisofthecurrentworkandsuggestionsforimprovement．
Keywords:
Embedded；GPS；intelligentpublictransport
1引言
1.1论文选题的背景及研究意义
伴随着国民经济的飞速发展和城市化的不断进展，人口向城市集中，城市交通需求的总量急剧增长。
与此同时我国汽车化水平逐年提高，全国民用汽车特别是小汽车的绝大部分均在城市范围内使用。
城市交通拥挤和阻塞现象日趋严重，交通事故频发与环境污染越来越引起社会的普遍关注。
城市交通问题已严重阻碍了城市居民生活水平的提高和整个城市经济的可持续发展，成为城市发展的瓶颈。
最大限度的提高现有交通资源的利用效率是解决问题的根本出路。
城市公共交通由于具有运载量大、运送效率高（人均占用面积小）、能源消耗低、相对污染少等优点，能实现对交通资源的高效利用，从而有效地缓解城市交通压力。
因此，解决城市交通问题的关键是引导人们在出行时尽量选择公共交通工具。
但是要让市民心甘情愿的选择公共交通工具，就必须提高公共交通的服务质量，让市民真正感觉到公共交通的方便、省钱、可靠和快捷。
因此，开发和建设先进的公共交通管理系统以改善公交管理和提高服务的质量，从而改善整个城市交通状况是解决城市交通问题的关键。
[1]
当前国内各大城市的无人售票公交车大都采用半自动报站系统，即通过人工干预语音信箱进行语音报站，和传统的人工报站相比，声音洪亮清晰。
但是人工干预语音信箱必然会存在人为因素，如天气不好，道路打滑，驾驶员心情不好等原因使得漏报站、错报站的现象时有发生。
特别是旅游城市，外地游客和外国游客都很多，漏报站、错报站会导致乘客下错站，带来不必要的麻烦，也会相应的影响城市的形象。
目前公交车上的数字电视业务单一，仅播放广告，无相应站点附近景点、酒店等介绍信息。
乘客无法与系统交互，获得感兴趣的信息。
随着社会经济的发展，相关城市的公交智能化的重要性尤为突出。
[2]
1.2智能交通系统的国内外发展现状
对智能交通系统的研究许多国家都投入了巨大的人力和物力，并成为继航空航天、军事领域之后高新技术应用最集中的领域。
在美国，对智能交通系统（ITS）的研究虽然起步最晚，但由于投入较多，目前已处于该领域的领先水平。
美国建立有结合救助服务的辅助导航系统，该系统即为一个监控中心，由较为完善的功能强大的计算机管理系统并配有电子地图及通信连接设备组成，能为装有GPS设备的车辆提供定位跟踪管理、报警服务受理、求助服务受理、紧急救援提供、在线语音导航以及安全防盗服务等。
日本城市公共交通智能化的发展经历了3个阶段：
70年代末开始应用公共汽车定位系统——公交汽车接近显示系统；80年代初开始应用公交运行管理系统，其中包括乘客自动统计，运行监视和运行控制；进入90年代，由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度十分困难，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。
东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统（CTCS），旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。
欧洲在ITS的研究方面采取整个欧洲一体化的方针，由政府、企业和个人三方面共同出资进行智能运输系统的研究，著名的项目有PROMETHEUS和DRIVE等，欧洲许多国家同中国一样具有悠久的历史，城市街道一般都比较狭窄。
但是，它们通过实施公交优先政策，设立公交专用道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效益，这些经验值得中国许多大中城市借鉴。
[3][4]
我国在ITS领域的研究起步较晚，但随着全球范围智能交通技术研究的兴起，进入20世纪80年代，我国也加快了对智能交通技术研究的步伐。
一方面，北京、上海、沈阳等大城市陆续从国外引进了一些较为先进的城市交通控制、道路监控系统；另一方面，国家加大了自主开发的步伐，如国家计委、科技委组织开发的实时自适应城市交通控制系统HT-UTCS，上海交通大学与上海市交警总队合作开发的SUATS系统等；1998年交通部正式批准成立了ISO／TC204中国委员会，秘书处设在交通智能运输系统工程研究中心，代表中国参加国际智能运输系统的标准化活动，现在正进行中国智能运输系统标准体系框架的研究。
考虑到公交系统的特殊性，公交企业对智能公交管理的需要包括以下几个方面：
提高企业营运管理的自动化水平；能够提供自动报站、视频导视、电子站牌等人性化服务方便乘客；维护使用方便，产品成本尽可能低。
[5]
1.3论文章节安排
本文共分为六章，各章的内容安排如下：
第1章：
引言。
简述了发展智能公交的意义及国内外的发展现状，最后列出论文结构。
第2章：
基于GPS的嵌入式公交自动报站系统设计原理。
介绍了GPS定位的原理与应用、GPS数据帧格式、本公交自动报站系统的原理、误差分析以及系统优势。
第3章：
系统硬件设计。
提出了系统的模块组成、硬件选型，并详细介绍了硬件单元电路的设计。
第4章：
系统测试。
介绍了系统的测试方案、测试过程及测试结果。
第5章：
总结与展望。
总结了本文所做的工作，并讨论了系统进一步研究的方向。
2基于GPS的嵌入式公交自动报站系统设计原理
2.1GPS系统
2.1.1GPS系统介绍
GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系统是由24颗人造卫星和地面站组成的全球无线导航与定位系统。
GPS系统是由美国国防部于1973年开始设计、试验，1989年2月4日第一颗GPS卫星发射成功，1993年底建成实用的GPS网即（21+3）GPS星座，并开始投入商业运营。
GPS系统包括三大部分：
空间部分—GPS卫星；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。
如图1所示，GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗）,轨道倾角为55°。
此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。
卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图像。
这就提供了在时间上连续的全球导航能力。
根据“三角测量”原理，GPS信号接收机可以输出地面任何地点的位置信息。
图1GPS卫星分布图
GPS卫星提供了P码（精码）和C/A码（粗码）两种定位服务。
P码为军方服务，因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。
C/A码对社会开放，人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。
由于GPS对社会开放，因此各类接收机、测量设备如雨后春笋涌现，并广泛应用于各行各业，彻底改变了传统的定位导航方式。
[6]
2.1.2GPS的定位原理
本装置的定位系统使用GPS接收机进行自主定位，GPS接收模块接收GPS卫星发送的定位数据，将GPS信号的数据流提取出来，经过简单的字符串操作就可以分别找出GPS信号中的经度、纬度以及相应的格林威治时间（该时间加上8小时即为我国标准时）等定位信息。
在实际开发中，GPS接收机根据从三颗以上卫星发来的数据计算出自身所处的位置，完成定位。
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交汇的方法，确定待测点的位置。
如图2所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其他数据可以确定以下四个方程式：
[（x1－x）²﹢（y1－y）²﹢（z1－z）²]½﹢c（Vt1－Vt0）=d1
（1）
[（x2－x）²﹢（y2－y）²﹢（z2－z）²]½﹢c（Vt2－Vt0）=d2
（2）
[（x3－x）²﹢（y3－y）²﹢（z3－z）²]½﹢c（Vt3－Vt0）=d3（3）
[（x4－x）²﹢（y4－y）²﹢（z4－z）²]½﹢c（Vt4－Vt0）=d4（4）
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z及钟差；GPS模块再由此得到经纬度、时间等信息；最后将这些信息通过串口以GPS信息的形式发送出去。
[7]
图2卫星定位原理图
2.1.3GPS信息格式
通常GPS模块支持两种格式:
二进制消息格式和NMEA-0183ASCII消息格式。
前者的通信协议为9600b/s、无校验、8位数据位、1位停止位；后者的通信协议为4800b/s、无校验、8位数据位、1位停止位。
由于NMEA-0183ASCII格式直观、易于识别及应用,因此本设备采用ASCII格式。
系统接收到的GPS数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成。
根据数据帧的不同，帧头也不相同，主要有＄GPGGA、＄GPGSA、＄GPGSV以及＄GPRMC等。
这里选用推荐的＄GPRMC数据帧。
各类数据帧分别包含了不同的信息，在此列举出＄GPRMC的各项含义：
＄GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，*hh
<1>当前位置的格林威治时间，格式为hhmmss。
<2>状态，A为有效位置，V为非有效接收警告，即当前天线视野上方的卫星个数少于3颗。
<3>纬度，格式为ddmm.mmmm。
<4>标明南北半球，N为北半球、S为南半球。
<5>径度，格式为dddmm．Mmmm。
<6>标明东西半球，E为东半球、W为西半球。
<7>地面上的速度，范围为000.0节～999.9节（1节=1.852km/h）。
<8>方位角，范围为000.0度～359.9度。
<9>日期，格式为ddmmyy。
<10>地磁变化，从000.0度～180.0度。
<11>地磁变化方向，为E或W。
由于帧内各数据段由逗号分割，因此在处理缓存数据时一般通过搜寻ASCII码＄来判断是否是帧头。
在对帧头的类别进行识别后，再通过对所经历逗号个数的计数判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并做出相应处理。
GPS接收机只要与卫星处于通讯状态就会源源不断地把接收到的GPS导航定位信息通过串口传送到处理器。
串口通讯只负责从串口接收数据并将其放置于缓存，在没有进一步处理之前缓存中是一长串字节流，是无法加以利用的。
因此，需要对定位数据进行处理。
[8]
2.1.4GPS的应用现状
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度不高。
为提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一组修正数，并对外发布。
接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。
随着GPS的应用和发展，人们越来越认识到GPS作用的重大及应用领域的广阔。
它已被应用于大地测量、航空摄影测量、地壳运动监测、精细农业、个人旅游及野外探险、紧急救生等诸多领域，其应用形式也是多种多样。
GPS的优异性能引起各行各业的兴趣，也正如专家所预言，GPS已改变了许多行业的经营方式，它是继计算机革命之后的又一场革命。
目前，世界上很多国家及组织均投入巨大的人力物力对GPS加以研究和开发。
起初GPS的应用主要在军事上，如1991年海湾战争、1999年科索沃战争以美国为首的多国部队利用GPS技术，使武器的效率倍增。
GPS在和平利用也有广泛的应用，若在车辆或船只上安装GPS接收机，便能实现获知车辆或船只的位置、运行速度和运动方向，再把这些信息通过无线电台传输给主控中心，在主控中心的电子地图（或海图）上，就能清晰的显示出车辆或船只的运动轨迹；主控中心根据车辆或船只的运行82基于GPS的嵌入式公交自动报站系统设计原理情况，再发出调度指令，以完成对车辆或船只的管理和控制。
[9]
2.2嵌入式公交自动报站系统
2.2.1基于GPS公交自动报站系统的原理概述
车载卫星定位系统，属于智能交通系统的分支，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。
本文提出的新型公交车自动报站系统的原理如图3所示：
通过GPS接收机接收GPS工作卫星的导航信息，从而解算出车辆目前的经、纬度等信息。
根据GPS的定位数据计算出公交车的实时坐标，而后将其坐标与站点坐标相比较，公交车驶入站点一定距离范围内时，不用人工干预系统自动进行报站。
根据公交车位置的不同LCD显示屏上显示不同的公益信息、广告信息和景点信息等。
在离站、到站和拐弯点阈值范围内语音提示的同时，在显示屏上显示同类信息，给乘客一种全方位的提示与服务。
[10]
图3基于GPS的嵌入式公交自动报站系统原理图
2.2.2基于GPS公交自动报站系统的误差分析
公交自动报站系统在实际应用当中会有误差，就这些误差进行分析。
如图4所示，（X0，Y0）为指定播报点，（X1，Y1）为实际播报点（最远点）。
车辆行驶中，行走的路线和指定的路线总是要有一定偏差的，这种情况只有在行进方向的左右两侧产生，这种偏差的最大值记为ERL，一般情况下Erl是不会超过2m的，即Erl≦2m；另一个影响因素是在运行状态下，两次采集时间间隔中车辆行走可能越过指定播报点，这种影响只产生在行进方向的前后两个方向，这种误差的最大值记为Efa。
，由于公交快要进站的行驶速度是限制在30km／h之内的，而GPS数据采集间隔＜ls，所以两次采集时间间隔中车辆行走最远距离为8．3m，即Efa≦4.15m。
综合上述两种情况，产生的综合最大误差E=（Erl²+Efa²）½=4．61m。
一般公交车的长度在8米到12米之间，可见产生的综合最大误差远小于一个车长。
因此，在日常生活中是可以接受的。
[11][12]
图4行走偏差分析图
2.2.3嵌入式公交自动报站系统的优势
车载设备安装于公交车上，其工作环境比较恶劣，对设备的结构也有一定的要求，本系统采用工作稳定可靠、抗干扰能力强的嵌入式系统。
嵌入式系统固化于存储器中，可靠性高，成本低，体积小，功耗低。
有着广泛的应用领域，在车辆与交通工程中的应用则是其中一个重要的应用方面。
将嵌入式设备作为车载终端应用于智能公交系统，使车载终端设备具有更高的智能性、稳定性和扩展性，从而建立起全方位、实时准确、高效的智能交通系统。
本系统采用先进的卫星定位技术与多媒体播放器相结合的方式，将会改变传统公交车语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，准确、及时、不需要人工介入，实现了公交车报站器的完全智能化。
与显示屏直接连接，同步显示报站信息、播放广告等增值业务可以缓解目前公交公司在车辆维护、更换上所出现的资金问题。
站名及有关事项可以在计算机上形成电子文件，通过串口下载到系统中，方便快捷。
利用触摸屏作为人机交互界面，方便乘客查询相关信息。
可存储多条线路，即使由于整修道路等原因临时更换运营线路公交车仍可正常运营。
[13]
3系统硬件设计
3.1ARM公司及ARM芯片简介
ARM（AdvabcedRISCMachines），既可认为是一个公司的名字，也可认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。
1991年，ARM公司成立于英国剑桥，主要出售设计技术的授权。
ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，它本身不直接从事芯片生产，而是靠转让涉及许可，由合作公司生产各具特色的芯片。
世界各大半导体生产商从ARM公司购买其ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权。
因此，既使ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场并被消费者所接收，从而更具有竞争力。
ARM微处理器目前包括下面几个系列：
ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARMl0E系列、SecurCore系列、Inter的Xseale、Inter的StrongARM。
其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARMl0E为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。
各个厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。
[13]
3.2选择ARM微处理器的要求
从应用角度出发，在选择ARM微处理器时应考虑以下几个问题：
（1）ARM微处理器的内核选择。
ARM微处理器包含一系列内核结构，以适应不同的应用领域，用户如希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU（MemoryManageme
升级会员 