基于ARM的智能公交车载终端的设计.docx

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基于ARM的智能公交车载终端的设计

《嵌入式系统原理与应用》

课程设计报告

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摘要：

近年来，随着我国经济的快速发展，我国城市人口规模不断扩大，汽车保有量也逐步增长。

由此引发的城市交通问题越来越突出，如交通拥挤、交通堵塞、噪音污染、废气污染等，严重影响城市的可持续发展和居民的正常生活。

大力发展城市公共交通势在必行。

智能公交系统是现代控制技术、定位技术和无线通信技术等多种技术的有机结合，它的建设可以改善公交公司的企业管理方式，提高公交系统的运营效率和服务水平，是旨在解决城市交通问题的一项根本性方案。

GPS是由美国建立的新一代卫星导航与定位系统，具有全球性、全天候、陆海空全能等特点，特别适用于交通运输行业，配合中国移动稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度极快的GPRS网络作为信息传输的媒介，以GPS、GPRS为主要技术的智能公交系统较以往利用射频、数传电台技术方式建造的公交系统具有更加稳定、实时性更高等特点，是当前智能公交系统设计的理想方案。

本论文在研究国内外智能公交现状和现有GPS、GPRS等技术的基础上，提出了基于ARM的公交智能车载终端的设计与实现方法，包括终端总体设计方案、关键技术的研究、软件的设计、产品实现等内容。

文章在总体设计中提出了终端的功能要求，并针对功能要求提出了相应的设计方案；在硬件设计中给出了具体的硬件设计原理图，并就硬件选型、原理图设计中的关键问题进行了探讨；在软件设计中给出了终端主要软件设计的程序流程图，并对程序设计思路进行了细致的讲解；最后对个模块进行了调试和功能测试。

关键词：

车载终端，智能报站，ARM，GPS，GPRS

一、绪论

1.1论文选题的意义

随着国民经济的快速发展，我国城镇化步伐不断加快，来自农村的大学生和其他务工人员大批涌入城市，造成城市人口大幅度增长，同时由于人民生活水平的不断提高，城市的汽车保有量也在急剧上升，交通需求迅速扩大，而城市交通基础设施的建设却相对滞后，从而使城市“乘车难”、“行车难”的现象日益严重，交通拥挤、交通阻塞频发，噪音污染、废气污染加剧，严重影响城市公交的可持续发展和居民的正常生活。

解决城市交通拥挤和阻塞问题已成为我国城市交通面临的一项迫切的任务。

城市交通拥挤问题由来已久，早在19世纪中叶英国学者J.M.Thomson就把交通拥挤、行车速度归结为城市七个发展难题之首，并成为不同历史时期社会各界广泛关注的社会问题之一。

与此同时，由于受地理空间、资金投入等因素的制约，无限制的扩展道路空间几乎没有可能，致使城市交通系统的建设、运营与管理不得不从粗放型向效益型转变[2]。

为此智能公交系统（AdvancedPublicTransitSystem,APTS）近年来被许多学者提了出来，着重从如何提高城市道路系统营运效率入手，来缓解城市交通压力，有效的减少城市交通拥挤、交通阻塞现象。

智能公交系统运用系统工程理论，将信息控制、GPS卫星定位、GIS、多媒体、网络通信等技术集成，应用于整个公共交通领域，实现了公交车辆的智能调度，方便了公车车辆的运营管理，提高了公交服务水平。

使乘坐公交车出行变的更加快捷、方便和舒适。

从而使一部分人舍弃自驾车或打出租车出行，改乘公交车，进一步减少交通堵塞现象。

另外大力发展智能公交系统，也可以通过提高交通效率而节省大量的燃料和时间，减少交通事故的发生，能够创造巨大的经济和社会效益。

1.2智能公交系统在国内外的发展

在美国，城市公共交通管理局已经启动了智能公共交通系统项目。

它主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。

具体包括车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管理等几方面的研究。

其中车队管理主要研究通信系统、地理信息系统、自动车辆定位系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先。

出行者信息主要研究出行前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信息服务系统。

1.3智能公交系统中的智能车载终端简介

智能车载终端是一款专门为公交车辆设计，运行在公交车辆上的嵌入式产品，在智能公交系统中起着举足轻重的作用。

它融合了GPS定位、GPRS、信息存储、MP3语音播放及汽车黑匣等技术，能用于对公交车辆的现代化管理，包括对车辆的监控调度、正点考核、GPS导航电文等信息的采集、分析、处理、储存等[8]。

随着科学技术的发展，公交车载终端也在进一步升级，它的性能和服务质量都有了极大的提高，功能也日益完善。

1.4本论文的主要内容

本论文提出了基于ARM的智能公交车载终端的总体设计方案，重点介绍了车载终端的软硬件设计及自动报站、短信报警、实时监控等功能的实现。

完成的主要工作包括：

智能公交系统总体设计、智能公交终端硬件电路设计调试、软件调试及系统总体调试分析。

本论文主要内容包括：

第1章：

绪论。

综述智能公交系统基本概念、相关背景及国内外发展现状。

介绍了智能公交车载终端概念及主要功能，提出了本文的主要工作内容及课题开展的意义。

第2章：

智能公交系统（APTS）及其关键技术。

介绍了智能公交系统组成结构，并对GPS、GPRS等系统相关的关键技术进行了介绍。

第3章：

智能公交车载终端总体设计。

根据市场需求，提出了智能公交系统及车载终端的总体设计方案，重点对车载终端的总体设计进行了介绍，给出了车载终端设计中重要芯片的选型。

第4章：

智能公交车载终端硬件设计。

详细介绍了智能公交车载终端硬件设计，给出了整个终端系统的硬件设计电路。

第5章：

智能公交车载终端软件设计。

详细介绍了智能公交车载终端的软件设计，给出了软件设计流程图，并就系统关键部分的软件设计进行了重点的讲述。

总结和展望中，对本课题取得的成果以及局限性进行了分析和总结，对下一

步的工作和项目未来的发展进行了展望。

二、智能公交系统（APTS）及其关键技术

2.1APTS系统组成

智能公交系统主要由3个部分构成，即无线通讯部分、监控中心部分和车载终端部分。

无线通讯系统主要是利用通信运营商提供的数据和短信息服务，这里的通讯方式就是指无线通讯系统的通讯手段；监控中心由GPS服务器、数据库服务器、CTI呼叫中心系统、监控工作站、管理工作站路由器和防火墙组成；车载终端主要由GPS接收模块、GPRS通讯模块、车辆控制模块、屏幕等部分组成，主要有车辆定位、与监控中心进行双向通讯、车辆控制等功能。

监控中心在接收到车载终端传回的GPS位置数据后可以确定监控车辆的位置信息、历史运行轨迹进而分析其运行是否正常，是否偏离预定路线，速度是否异常。

在出现异常情况时，监控中心可以通过发布导航指令来实现实时的调度。

2.2GPS全球定位系统

2.2.1GPS全球定位系统的发展历史

GPS整个发展计划分为三个阶段实施。

第一阶段为原理方案可行性验证阶段，从1978年到1979年，共发射了4颗试验卫星，建立了地面跟踪网，研制地面GPS接收机，对系统的硬件和软件进行了试验，试验结果令人满意。

第二阶段为系统的研制与试验阶段．从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星。

第一阶段和第二阶段共发射11颗试验卫星，这些试验卫星称为第一代卫星：

与此同时，研制了各种导航型接收机和测地型接收机，试验表明，GPS的定位精度大大超过设计标准，其中粗码（C／A码）的定位精度远远超过设计指标，由此证明，GPS计划是成功的。

第三阶段为最后的工程发展与完成阶段。

1989年的2月4日，发射了GPS第一颗工作卫星，到1994年3月10日共研制发射了28颗工作卫星。

这些工作卫星称为BlockII和BlockIIA卫星，与此同时，不仅研制了高精度导航型接收机，还研制了能对卫星载被信号进行相位测量的定位精度极高的接收机和采用相位差分的GPS载体姿态测量接收机，满足了精密导航与制导等一系列军事目的之要求。

2.2.2GPS系统的组成

GPS系统主要由三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

全球定位系统的空间卫星星座见图2.1，由24（3颗备用卫星）颗卫星组成。

卫星分布在6个轨道面内，每个轨道上分布4颗卫星。

卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°在相邻轨道上，卫星的升交相差30°轨道平均高度约为20220km，卫星运行周期为11小时58分。

因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4分钟。

每颗卫星每天约5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。

2.2.3GPS定位的基本原理

GPS定位处理中，卫星轨道通常是已知的。

因此，为了确定地面观测站位置，GPS卫星的瞬间位置也应换算到统—的地球坐标系统中。

在GPS试验阶段，卫星的瞬间位置计算采用了1972年世界大地坐标系统（worldgeodeticsystem，1972,WGS72），从1987年1月10日开始采用改进的大地坐标系统WGS—84坐标系。

世界大地坐标系统（WGS）是属于协议地球坐标系（CTS）。

WGS—84坐标系的原点为地球质心M；Z轴指向BIHl984.0定义的协议地极（conventionalterestrialpole,CTP）；X轴指向BIH1984．0定义的零子午面与CTP相交的赤道交点，Y铀垂直于XMZ平面，且与Z、X轴构成右手坐标系。

测距码即伪随机噪声码（Pseudo-randomNoiseCode）是一种可以预先确定并可重复产生和复制，具有白噪声随机统计待性的二进制码序列，简称为伪随机码，或伪噪声码，或PRN码。

40年代末和50年代初，仙农（G．E．Shannon）等人建立了“噪声通信”理论；证明具有白噪声统计特性的信号对充分利用信道的容量与信号的功率，抗多径干扰和测定距离等具有明显的优点。

到60年代中期，噪声通信理论获得实际应用和发展。

利用伪随机码信号可以实现低信噪比接收，可实现码分多址通信．具有良好的保密性。

现在，伪随机码已广泛用于通信、无线电测距等领域。

GPS卫星的基带信号是指包含导航信息的导航电文。

导航电文包括卫星星历，卫星工作状态，卫星历书，时间系统，星钟改正参数，轨道摄动改正参数，大气折射改正参数，遥测码以及由C/A确定P码的交换码等。

导航电文是二进制编码文件，按照规定格式组成数据帧，一帧导航电文由遥测字，转换字和数据块三部分组成，是用户利用GPS进行导航定位的数据基础。

导航电文的每个子帧含有10个字，第一个字为遥测字。

作为捕获导航电文的前导，其中所含的同步信号，为各子帧提供了一个同步的起点，使用户便于解释电文数据。

转换字的主要功能是向用户提供用于捕获P码的Z计数。

导航电文的数据块分三部分。

数据块I包含的内容有卫星时间计数器，调制码标识，卫星测距精度，导航数据状态，电离层延迟改正参数，时钟数据龄期，卫星时钟参数对应的参考时刻，卫星钟改正参数。

数据块II是导航电文中的核心部分，一般称为卫星星历，包括的主要参数分为开普勒六参数，轨道摄动九参数，时间两参数。

第三数据块提供全部GPS卫星的历书数据。

当用户GPS接收机捕获到某颗卫星后，利用数据块III所提供的其它卫星的概略星历，时钟改正数，码分地址和卫星工作状态的数据，用户可以利用码分地址较快的捕获其他卫星信号并选择最合适的卫星，这对于选择适当的卫星构成最佳的观测星几何图形，提高导航定位精度是非常重要的。

GPS卫星导航定位系统是由24颗卫星组成。

在世界各地用户可同时看到4～11颗卫星。

这些卫星导航电文通过两个载波频率F1＝1575．42MhZ，F2=1227．6Mhz向地面发射。

如何区分这24颗卫星信号呢?

GPS定位系统采用了码分多址技术。

即给不同的卫星指配不同结构的伪随机码，当接收某颗卫星信号时，用户只要在机内产生与该卫星的伪码结构相同的本地码，并让本地码移位直到与卫星伪码相关函数为“1”。

此时对于其他卫星，由于伪码结构不同，其互相关函数值很小，这样就可以达到捕获跟踪GPS卫星信号的目的。

GPS导航定位系统采用了两种伪随机码。

一种是用于分址、搜捕卫星信号、粗测距，具有一定抗干扰能力的明码，并提供民用，称为C/A码。

另一种是用于分址、精密测距，具有较强的抗干扰能力的军用密码，称为P码[18]。

GPS系统使用单向测距方法来测定某颗卫星与用户的相对距离。

它使用两台时钟，一台在用户接收设备上，一台在卫星上。

计算卫星与用户之间的距离，实质上是通过比较GPS接收机中恢复的卫星钟和用户本身的时钟之间的差，即测量卫星钟传播到用户所花的时间-传播时延得以实现。

如果两个时间精确同步，即两时钟信号同频同相，那么，利用距离等于时间乘以光速的原理，得到卫星和用户间的真实距离R=C´t。

但是卫星时钟和用户时钟往往不能精确同步，当两者存在钟差Dt时，这样测得的距离不是用户和卫星间的真实距离，而是伪距离（Pseudorange），简称PR，表示为PR=R+C´Dt，Dt取值是有正负的，用户钟慢于卫星钟时取正，反之取负。

GPS的基本定位原理是:

卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、方向以及运动速度和时间信息。

每一颗卫星连续不断地向GPS接收机发送可跟踪的唯一编码序列，GPS接收机可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。

设有四颗卫星1,2,3,4，坐标为（ix,iy,iz）（i=1,2,3,4），用户坐标为（ux,uy,uz）,iR为伪距离，即接收机到卫星的距离iiR=C´t（C-光速，it-信号从一颗卫星到达接收机所需的时间（i=1，2，3，4）；Dt是用户时钟偏差。

2.3GPRS移动通信系统

2.3.1GPRS简介

GPRS是通用分组无线服务技术（GeneralPacketRadioService）的简称，经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代和第三代移动通讯技术之间。

它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。

与GSM的数据业务相比，有以下优点：

1）通信费用低廉。

GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）的方式来传输的，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。

2）传输速率高，连接容易。

GPRS通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，传输速率得到了提升，可至56甚至114Kbps。

GSM网络传输数据采用的是电路交换的方式，而GPRS通过增加了相应的功能实体和改造了现有的部分基站系统，实现了数据的分组交换，得到了较高的用户数据速率，相对来说投入并不大。

而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。

3）资源利用率高。

GPRS采用分组交换的通信方式，在通信中，数据被分成一定长度的带有分组头的数据包，分组头里面含有地址信息，指明该包发往的目的地址。

当数据包到达时，根据此地址信息，临时寻找可用的信道资源发送数据，不必预先分配信道。

在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道不占用固定的信道，所有的用户共享使用信道资源，使信道资源的利用率得到了提高。

2.3.2GPRS网络连接及数据传输

GPRS模块的网络连接、数据传输等所有操作都是通过AT命令来实现的。

1）AT命令介绍

AT即Attention，AT命令集是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的。

通过发送AT指令来控制移动台的功能，与GPRS网络业务进行交互。

用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。

2）连接网络与数据传输

GPRS模块的网络连接通过几条简单的AT命令即可实现，耗时不过半分钟左右。

GPRS模块有两种传输模式，分别为透明传输模式和命令模式。

透明传输模式为纯数据传输模式，即使发送AT命令，也会被当成数据发送出去。

命令模式则只接收AT命令，若非AT命令，模块自动返回错误信息。

由于系统主要用来传输数据，所以联网成功后一般选择为透明传输模式。

连接步骤如下：

1>设置模块的返回值即为不带命令的返回值

发送：

ATE0回车

成功返回：

回车OK回车

失败返回：

回车ERROR回车

2>设置透明传输模式

发送：

AT+CIPMODE=1回车

成功返回：

回车OK回车

失败返回：

回车ERROR回车

3>激活PDP

发送：

AT+CGATT=1回车

成功返回：

回车OK回车

失败返回：

回车ERROR回车

4>设置GPRS连接模式

发送：

AT+CIPCSGP=1,"CMNET"回车

成功返回：

回车OK回车

失败返回：

回车ERROR回车

5>GPRS拨号连接

发送：

AT+CIPSTART="TCP","219.243.86.9","8080"回车（其中IP地址为公网IP）

命令正确且成功返回：

回车OK回车回车CONNECT回车

命令不正确返回：

回车ERROR回车

失败则返回：

回车OK回车（延迟）回车STATE:

回车（延迟）回车CONNECTFAIL回车

其中可以取值如下：

IPINITIAL

IPSTART

IPCONFIG

IPIND

IPGPRSACT

IPSTATUS

TCP/UDPCONNECTING

IPCLOSE

若命令返回正确，则连接网络成功，GPRS模块进入透明传输模式，可以进行数据传输了。

2.3.3透明传输模式和命令模式的转换

GPRS模块中，打电话和读GPRS信号强度的操作需要发送AT命令，是在命令模式下进行的，所以在数据传输过程中，当需要打电话或读信号强度时，需要使GPRS模块从透明传输模式转变为命令模式。

下面以打电话为例，介绍一下发送命令步骤：

1）退出透明传输模式

发送：

+++

返回：

回车OK回车

2）拨打电话

发送：

ATD电话号码;回车

拨打成功返回：

回车OK回车

对方挂断返回：

回车NOCARRIER回车

对方无人接听返回：

回车NOANSWER回车

对方占线返回：

回车BUSY回车

没有拨号音返回：

回车NODIALTONE回车

3）通话完毕后返回透明传输模式。

发送：

ATO回车

成功返回：

回车CONNECT回车

失败返回：

回车NOCARRIER回车

三、智能公交车载终端设计

由上文可知，系统设计工作主要包括两大部分：

（1）智能车载终端设计

（2）

数据中心管理软件设计。

由于数据中心管理软件设计属上层应用软件设计，并且

设计过程与智能车载终端设计完全分离，本文以下部分将只重点对智能车载终端设计与开发进行论述。

设计与开发进行论述。

3.1智能车载终端总体设计

如上文所述，智能车载终端是一款以ARM处理器为核心，利用GPS、GPRS

等先进技术，集车辆实时监控、正点考核、紧急事件报警等功能于一身的专为公

交车辆设计的嵌入式智能终端产品。

它是整个智能公交系统的数据来源，也是车

载功能的执行者，因此它是整个系统是的重要组成部分。

车载终端主要实现的功能包括：

到站自动播报到站提示音，出站自动播报出

站提示音；定时向数据中心发送车辆位置信息，实现中心对车辆的监控；能够任意设置站点为考核点，对车辆运行正点情况进行考核；液晶屏幕实时显示时间、车辆运行速度、当前停靠站点等信息；按键控制特殊语音播报、背景音乐播放；按键控制紧急情况报警短消息发送；驱动车载LED屏，实现站点名称、广告语的显示。

图3．1智能车载终端结构框图

3.2主要模块基本功能介绍

整个智能车载终端分为若干功能模块，每个模块除完成自身功能外，还配合其它模块共同工作，实现车载终端整体功能。

（1）ARM中央处理器模块：

作为车辆终端核心控制模块，完成GPS数据的

提取解析，经纬度数据匹配，GPRS无线通讯、语音播放控制等功能。

高性能高可靠性的ARM处理器选取是系统稳定运行的关键。

（2）GPS定位模块：

通过不断的接收卫星传来的导航电文，为系统提供经纬度、时间、速度等信息。

（3）GPRS无线通信模块：

系统的数据传输模块，将车辆定位信息等通过GPRS网络发送至车辆调度中心，实现实时监控等功能。

（4）语音及功放模块：

提供高质量、高清晰的语音及音乐播放功能。

（5）LCD液晶显示模块：

实时显示当前时间、车辆当前所在站点、车辆当前运行速度等信息。

键盘控制模块：

为使用者提供简洁方便的设备操作方式。

（7）电源模块：

为系统多个功能模块提供适当的工作电压，保证各功能模块

的稳定工作，本终端中需要提供的电压分别有1．8V、3．3V、4．2V、5V、12V。

3.3主要芯片及模块选型

3.3.1MCU芯片

LPC2124是PHILIPS公司生产的单片32位ARM微控制器，是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI．SCPU，并带有256KB的嵌入的高速FLASH存储器。

LPC2124具有非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、PWM输出、46个GPIo以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机（PoS）。

由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。

LPC2124特性如下：

（1）16／32位ARM7TDMI．S核，超小LQFP64封装；

（2）16kB片内SRAM；

（3）256kB片内F1ash程序存储器，128位宽度接口／加速器可实现高达60

MHZ工作频率：

可加密。

全球首个实现可加密的ARM微控制器；

（5）通过片内boot装载程序实现在系统编程（IsP）和在应用编程（IAP）;

（6）512字节行编程时间为1ms。

单扇区或整片擦除时间为400ms；

（7）EmbeddedICE可实现断点和观察点。

当使用片内RealMonitor软件对

前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行；

嵌入式跟踪宏单元（ETM）支持对执行代码无干扰的高速实时跟踪；

LPC2124具有的16K静态RAM，可以用作代码和数据的存储，支持8位、

16位和32为访问。

LPC2124集成的一个256K的FLASH存储器，可以用作代码和数据的存储。

对FLASH存储器的编程可以通过几种方法来实现：

（1）通过JTAG接口；

（2）通过ISP和URATO；（3）通过在线应用编程（IAP）。

3.3.2GPS模块

系统GPS模块采用HoLux的GR87模块。

HOLUXGR87Sirf3代GPS模块采用SiRF第三代高灵敏度、低耗电量芯片StarIII，内建ARM7TDMICPU可符合模块需求，具备快速定位及追踪20颗卫星的能力，内置标准陶瓷GPS天线模块，并预留外接口。

体积超小，仅25×25×2mm。

芯片内建200000个卫星追踪运算器，大幅提高搜寻及运算卫星讯号能力。

内建wASS／EGNoS解调器。

低耗电量，具备有省电模式（Trickle．Power）功能，以及在设定的时间才启动的定时定位（Push．to．Fix）功能。

支持NMEAOl83．22版本规格输出。

该模块的应用范围主要包括：

车用导航、航海导航、舰队管理、基地服务、自动驾驶、个人导航、旅游设备、轨迹设备、系统及绘图应用程序。

3.3.3GPRS模块

系统GPRS模块选用