北斗卫星定位车载终端技术方案.docx

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北斗卫星定位车载终端技术方案

北斗卫星定位车载终端技术方案

三、技术原理 

北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。

北斗卫星导航系统为用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性。

北斗卫星定位车载终端采用了多模块化、组合式优化设计，内置高性能芯片，各模块之间的接口采用标准接口，充分利用系统平台、移动通讯网络、因特网络，将汽车行驶记录仪、卫星定位、卫星导航、油耗检测功能集于一体，通过无线数据通讯接口（GSM、GPRS、CDMA）和GPS接口，能与监控中心系统进行数据通信和移动位置的定位，能够满足用户的多种需求。

除具有传统行驶记录仪的功能外增加了定位导航、监控跟踪、数据实时传送、油耗检测等功能，并且能够实现对车辆实时监管、调度，遇险报警远程网络监控，彻底改变了现有汽车行驶记录仪只能实地监管、事后监督的弊端；GPS/北斗2双模卫星定位模块，可以灵活配置信号处理通道工作于单GPS模式，或单北斗2模式，或GPS/北斗2混合模式；兼容目前现有的GPS单模定位，且能实现双模捕获、双模跟踪更加智能化、集成化。

因此，基于以上原理设计的卫星车载终端监控系统，大大超出了传统行驶记录仪的功能，具有极为光明的发展前景。

四、设计方案 

（一）设计原则 

 1、先进性和适用性相结合 

系统采用成熟的高新科技，以目前较为先进的方法实现需要的功能，保证系统具有深厚的发展潜力，在相当长的时间内具有领先水平。

2、通用性和安全性相结合 

在系统设计过程中，均留有相应的通信接口，系统的各个模块构成一个有机的整体。

系统数据库中的各种数据在交换和共享的过程中，充分考虑到了系统的安全性。

对每一个用户的权限有严格的认证（司机卡身份识别）体制，对每一个用户的权限进行分级控制和限定。

3、安全可靠性 

在经济条件允许范围内，从系统结构、设计方案（考虑到非法用户及病毒入侵，数据采用纠错冗余技术）、技术保障等方面综合考虑；系统尽可能地采用成熟的技术、商品化的软硬件产品，保证系统可靠稳定运行。

4、实用性 

整个系统的操作以方使、简捷、高效为目标，多操作平台整体设计，统一操作，既充分体现快速反应的特点，又能便于工作人员进行业务处理和综合管理，便于运输交通管理层及时了解各项统计信息和决策信息，便于执法部门的远程监督。

5、可扩展性 

考虑到业务功能在不断发展、变化，因此要求系统在结构、容量、通信和处理能力等方面具有可扩充性和升级能力。

（二）设计依据 

1、多样化的完备的授权模式能够满足账户和权限管理上的各种需求

 2、中华人民共和国道路交通安全法 

3、公安部道路交通违法信息代码 

4、公安部道路交通违法数据交换格式 

5、公安部道路交通机动车违法信息规范 

6、符合国家关于车载终端管理要求（试行）  

7、参考国家关于危险品车辆运输要求规范 

8、产品和系统同时符合公安交警部门制定的信息采集和联网传输要求。

 9、卫星车载终端监控系统采用模块化设计，确保系统能搭载今后拓展功能。

五、实施方案及采取的关键技术措施 

（一）硬件系统主要元件的选择及电路设计 

根据设想功能，主控板通过串口接口完成与GPRS和GPS数据交换，GPRS与GPS都有独立的CPU串口接口。

与铁电存储器及FLASH连接可保存用户设置资料；主控板电源有高压（大于30V）保护电路，耐压可达100V左右。

主控板上开关电源电路，分别给GPRS模块和GPS 模块供电。

电源逻辑开关控制GPRS模块和GPS 模块的电源。

后备电池电路保证主电源断电的情况下，继续给主控板一定时间的供电。

后备电池电路具有自充电功能。

可检测多路开关信号，并可进行油路控制。

可检测主电源断电和主电源欠压。

硬件系统组成：

主机部分、通信部分、定位模块部分、显示及打印扩展通信接口部分、传感器接口五部分组成：

（1）主机部分包括ARM处理器、数据存储器、数据传输信号接口组成； 

（2）通信部分主要由RS232接口和华为EM310无线通信模块组成，其中无线通信模块EM310 用于车载终端同监控中心之间的通信； 

（3）定位模块采用GPS/北斗双定位模块（CC50-BG或UM220），其主要是对车辆进行实时定位； 

（4）显示及打印扩展通信接口，可外接调度屏或手柄； 

（5）传感器信号主要是ACC油路，温度，车速，空调、劫警等信号。

1、ARM处理器的选择 

本系统采用STM32F103VCT6 芯片作为核心信号处理器，该芯片大容量片内存储器，它采用3.3V电压供电，功耗低，宽电压范围。

CPU与北斗接收模块、GPRS通信模块之间采用串行通信。

基于Cortex- M3内核的STM 32F103系列芯片是新型的32位嵌入式微处理器， 它是不需操作系统的ARM, 其性能远高于51系列单片机；提供很高的代码效率，该系列微处理器工作频率为72MHz，内置高达128K 字节的Flash存储器和20K 字节的SRAM，具有丰富的通用I /O 端口。

STM32F103系列微处理器主要资源和特点如下：

（1）多达51个快速I /O 端口， 所有I/O口均可以映像到16个外部中断， 几乎所有端口都允许5V 信号输入。

每个端口都可以由软件配置成输出（推挽或开漏）、输入（带或不带上拉或下拉） 或其它的外设功能口。

（2） 2个12位模数转换器， 多达16个外部输入通道， 转换速率可达1MH z, 转换范围为0~ 36V； 具有双采样和保持功能； 内部嵌入有温度传感器， 可方便的测量处理器温度值。

  （3）灵活的7路通用DMA 可以管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输， 无须CPU 任何干预。

通过DMA可以使数据快速地移动， DMA 控制器支持环形缓冲区的管理， 避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。

它支持的外设包括：

 定时器、ADC、SPI、I2C和USART 等。

  （4）调试模式：

 支持标准的20脚JTAG 仿真调试以及针对Cortex- M3内核的串行单线调试（ SWD ）功能。

通常默认的调试接口是JTAG 接口。

  （5）内部包含多达7个定时器， 具体名称和功能如表1所示。

（6）含有丰富的通信接口：

 三个USART异步串行通信接口、两个I2C 接口、两个SPI接口、一个CAN 接口和一个USB接口

图2  STM32F103 引脚功能图

图3CPU外部接口电路

2、通讯部分 

EM310无线通讯模块负责移动车辆和监控中心的双向通信，车辆的状态信息即通过无线通讯模块发送到监控中心，因此，信息传输是否及时、可靠是卫星车载终端监控系统性能的一个重要环节。

GPRS的移动通信网络，具有系统容量大、频谱利用率高、频率规划简单、不易掉线、抗干扰能力强的特点。

本系统采用GPRS短信息通讯方式，北斗车载的定位数据经过格式转换利用GPRS通信模块的短信息信道传到监控中心，监控中心亦通过GPRS短信息信道向车辆发送指挥调度信令。

GPRS短信息通讯方式，具备GPRS语音调制方式，覆盖范围广、容量大的优点，同时短信息业务具备传输速度快、不影响语音通话、价格便宜等优点，因此本系统即应用其SMS（短消息服务）作为通讯系统的首选方式。

EM310无线通讯模块，它具有标准RS232串行接口，支持语音、数据以及短消息（SMS），并能适应较宽的电压范围，在系统的设计中主要使用其短消息发送接收功能。

软件控制方面，使用AT指令对EM310模块进行控制。

3、定位部分 

GPS/北斗双定位模块的主要功能是实时接收 BD2 和 GPS 导航卫星信号，提取原始观测量并解调数据，通过卫星电文分析及数据处理，完成应用系统所要求的各项功能。

主要包含三个功能单元，即RF前端、基带信号处理和应用处理单元，其功能结构图如图3所示：

图3GPS/北斗双定位模块功能结构图

RF前端单元包含了从天线到数字信号处理器之间的所有部件，其主要功能是将定位卫星射频信号变换为信号处理器工作范围内的中频信号，尽可能抑制多径干扰和带外干扰，同时将信噪（信号和噪声）提高到信号处理器可工作的电平，并提供一定的信号变化动态范围。

其中预放（前置放大器）将直接影响接收信号的信噪比，一般采用噪声系数小、增益高和动态范围大的放大器。

信号处理单元是GPS/北斗双定位模块的核心，主要功能是从多址信号中分离识别各卫星信号，对扩频卫星信号进行相关解扩；在恢复信噪比的基础上解调载波，消除频率偏移（包括多普勒频移等）的影响，恢复基带信号；最后将相关解扩、解调处理的历元时刻所对应的码状态、载波及相位状态形成原始观测量，与定位导航数据一起传送给应用处理单元，对信号处理模块提供实时控制，并对其输出作进一步的处理，解算出位置、速度、时间（PVT ）和其他信息以满足各种应用的要求。

当GPS/北斗双定位模块与定位卫星通信正常时，我们可以得到如下格式的定位数据：

$GPGGA,<1>, <2>, <3>, <4>, <5>, <6>, <7>, <8>, <9>,<10>,，，，〈11〉，<12>, 

 各字段代表的意义如下:

 $GPGGA，消息ID, GGA协议头

 <1>时间，hhmmss.sss格式

 <2>纬度，ddmm.mmmm格式

 <3>N/S指示，N=北，S=南

 <4>经度，dddmm.mmmm格式

 <5>E/W指示，W=西，E=东

<6>定位指示，0；没有定位；1:

 SPS模式，定位有效；2:

差分，SPS模式，定位有效；3:

  PPS模式，定位有效 

<7>卫星数目，范围0到12

<8>水平精度因子

 <9>天线高度 

<10>大地椭球面高程

 <11>差分ID 

图4  模块外围接口电路

4、显示部分 

车载调度屏配接定车载位终端主机，用于通话、打印、短信通信和终端设置；主要功能有收发短信、阅读短信、打印、拨打接听（免提）电话、车辆调度、USB等功能；终端在完成将车辆状态信息向监控中心传送的同时，车上的显示部分也将显示出各个状态量，以供驾驶员参考，液晶模块显示这些信息，主要包括驾驶员编号、车辆的经纬度、行驶速度、实时时间等，是人机交流的窗口，具有操作简便、安全可靠、一目了然等特点。

5、听筒与麦克风接入单元 

听筒与麦克风，作为系统的音频输入和输出部分。

由于GPRS芯片内部已包括对于音频的处理，通过MC34119芯片放大后，由音频接口输出。

6、电源电路

车载终端的供电电源为车载蓄电池，供电电压9~24V。

终端各个组成部分对输入电压的要求依次为：

CPU电压3.3V ，GPS 模块需要5.0V，GPRS通信模块要求3．8V，因此必须专门设计电源电路以满足各组成部分的要求。

如图CPU供电电路：

图5CPU供电电路

图6GPRS模块供电电路

图7  北斗模块供电电路

（二）系统平台的软件开发 

1、软件设计原则 

（1）软件设计与硬件电路设计需综合考虑； 

（2）软件设计必须保证系统的各个硬件功能模块能够协调工作，完成指定的系统功能； 

（3）各项功能程序设计实现模块化； 

（4）合理规划程序存储区和数据存储区，为功能的扩展预留空间，方便今后系统的功能完善和软件升级； 

（5）采取软件抗干扰措施，保证系统更可靠的运行。

2、软件设计方法 

 软件设计应该采用模块化设计的方法。

模块化设计就是把软件按照规定的原则，划分为一个个较小的、相对独立但又相互关联的模块。

分解、信息隐藏和模块独立性，是实现模块化设计的重要指导思想。

“分解”是人们处理复杂问题常用的方法。

模块的接口工作量却随着模块数的增加而增大。

每个软件都存在一个最小成本区，把模块数控制在这个范围内，可以使总的开发工作量保持最小。

“信息隐藏”就是指一个模块内部的数据与过程应该对不需要了解这些数据与过程的其它模块隐藏起来。

目的，是为了提高模块的独立性，当修改或维护模块时，减少把一个模块的错误扩散到其它模块中去的机会。

“模块独立性”概括了把软件划分为模块时要遵守的准则，也是判断模块构造是否合理的标准。

模块的独立性愈高，则块内联系越强，块间联系越弱。

3、软件开发工具 

多功能车载通信系统是采用KEILC51进行软件开发的。

KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点。

C51被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：

编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。

uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。

 C51 V7版本是目前效率最高、最灵活的8051开发平台，它可以支持所有8051的衍生产品。

4、主程序设计流程 

编程语言采用C语言，实现的功能包括：

信令的接收、处理与发送，GPS数据处理及电源控制，报警，话音业务，无线通信模块的通信，I／O口信号采

集与控制等，车载终端主程序主要用来实现开机自检、协调整个系统工作、在不同时间调用不同程序实现记录仪的各种功能。

开机自检功能主要是CPU与外围器件，如存储器RAM、实时时钟模块、显示模块等模块的通信状态检查及实现对这些器件的初始化。

如果各外围器件状态良好、初始化通过，则记录仪开始工作循环实现既定功能同时绿色的工作指示灯闪亮指示；如记录仪开机自检没有通过，则实现红色报警指示灯闪烁和报警蜂鸣器的轰鸣报警提示。

5、项目产品技术性能比较优势 

利用我们在客车总线系统、汽车行驶记录仪的研究中积累的大量实践经验，掌握的客车车载卫星定位终端研究关键技术。

针对本项目产品定位漂移、语音滞后两个问题，分别作了改进提升：

（1）采用高动态北斗接收机及先进的32位ARM处理器解决车载导航的信号漂移问题 

北斗模块接收卫星的定位信号运算出自身的位置（经度、纬度、高度）、时间和运动状态（速度、航向），每秒1次送给单片机并存储，以便随时提供定位信息。

MCU单片机控制整个车载台的协调工作。

而同类产品只能做到每5秒一次处理定位信息。

本产品在车辆行驶速度超过40千米时依然可以正确的提供车辆行驶定位数据，而其他产品在超过40千米时会出现5%～15%的漂移误差。

6、产品创新点：

1） 采用高动态北斗接收机解决车载导航的信号漂移问题。

 2） 与CAN总线衔接，信息共享。

3） 开发的软件一专多能，兼容多家通信协议；解决语音滞后问题。

 4） 在硬件和软件上采取了许多抗干扰措施，能保证记录数据的可靠性。

  5） 可以自导航、GPRS无线上网及数据通讯、多媒体播放等。

6） 通过GSM公网组成监控系统：

可用于车辆的监控、调度；支持WINDOWS操作系统。

你脸上云淡风轻，谁也不知道你牙咬得多紧。

你笑得没心没肺，没人知道你哭起来只能无声落泪。