第1章 緒論
第1章 緒論1.1 課題背景衛(wèi)星導(dǎo)航定位是指利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供的位置、速度及時(shí)間等信息來(lái)完成對(duì)各種目標(biāo)的定位、導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是全球發(fā)展最快的三大信息產(chǎn)業(yè)之一，涉及集成電路技術(shù)、軟件技術(shù)、通訊技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等多領(lǐng)域的戰(zhàn)略性高新科技，在信息、交通、安全防衛(wèi)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、防災(zāi)、救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面發(fā)展前景十分廣闊[1]。
隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，車(chē)輛在人們的生活中起了越來(lái)越重要的作用，而車(chē)輛帶來(lái)的問(wèn)題也日趨明顯，車(chē)載衛(wèi)星定位系統(tǒng)集合全球衛(wèi)星定位技術(shù)，現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)，地理信息系統(tǒng)技術(shù)于一身，不僅在智能交通系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)主要作用，同時(shí)還可以提供防盜防搶劫報(bào)警，緊急醫(yī)療求助等多種服務(wù)[2]。
車(chē)載導(dǎo)航和監(jiān)控系統(tǒng)是ITS的重要組成部分，它們?cè)诤艽蟮某潭壬弦揽縂PS定位技術(shù)、GIS地圖服務(wù)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。GIS電子地圖，為車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)車(chē)輛位置信息的一個(gè)形象的可視化表現(xiàn)手段，GPS定位技術(shù)使車(chē)輛監(jiān)控中的實(shí)時(shí)跟蹤定位成為可能，而GPRS無(wú)線通信技術(shù)則在GIS和GPS之間建立一座無(wú)線數(shù)據(jù)通信的橋梁，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能。通過(guò)準(zhǔn)確的定位，配合無(wú)線通信技術(shù)以及數(shù)字地圖，車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控、規(guī)劃出行路線、引導(dǎo)車(chē)輛避開(kāi)擁擠路段，提高道路通行能力，緩解道路擁擠和堵塞[3]。
1.2 本系統(tǒng)研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)車(chē)輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究比較早，大約開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，最初主要應(yīng)用于軍事上。近十年來(lái)車(chē)輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)的研究已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，開(kāi)發(fā)了各種智能化車(chē)載導(dǎo)航與監(jiān)控電子裝置，并被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)上。就目前情況來(lái)看，日本是當(dāng)今車(chē)輛導(dǎo)航定位監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展最為成功的國(guó)家之一。在日本的一些豪華汽車(chē)上，電子導(dǎo)航設(shè)備已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。在日本和歐美，裝載有導(dǎo)航設(shè)備的汽車(chē)數(shù)量比例非常高。2005年日本汽車(chē)車(chē)載導(dǎo)航設(shè)備安裝率高達(dá)59％，歐美約在25％左右。同時(shí)，在北美、歐洲、日本等地，汽車(chē)導(dǎo)航銷(xiāo)售額居各類(lèi)GPS市場(chǎng)之首。車(chē)輛導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)可以很方便的使駕駛員得到車(chē)輛的具體位置、速度和方向等信息；還可以提供路線查詢、路徑查詢，以使駕駛員可以更快的到達(dá)目的地；以及遭遇人身安全問(wèn)題時(shí)，獲得緊急求助[4]。
目前，國(guó)內(nèi)的車(chē)載導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)存在著很多問(wèn)題。首先從衛(wèi)星導(dǎo)航的整個(gè)應(yīng)用而言，我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域基本上都是依靠進(jìn)口的GPS芯片，國(guó)內(nèi)廠商在這些芯片產(chǎn)品上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)車(chē)載終端、自導(dǎo)航和手持定位儀等產(chǎn)品。2007年國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的首款應(yīng)用于車(chē)載的衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片“航芯二號(hào)”的設(shè)計(jì)成功，表明國(guó)內(nèi)已經(jīng)完全具備GPS、伽利略、北斗等全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的開(kāi)發(fā)能力，可以替代進(jìn)口產(chǎn)品，成為中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要技術(shù)突破[5]。另外，國(guó)內(nèi)GPS應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)普及，并非是技術(shù)和硬件問(wèn)題，而主要在于滿足用戶需求的服務(wù)比較少。國(guó)內(nèi)在智能車(chē)載裝置的研發(fā)還要進(jìn)一步加大投入，增加系統(tǒng)的功能、提高系統(tǒng)性能。隨著嵌入式微處理器的不斷發(fā)展和我國(guó)自主研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片的不斷完善，相信我國(guó)的車(chē)載監(jiān)控終端會(huì)朝著功能越來(lái)越完善、性能越來(lái)越穩(wěn)定、設(shè)計(jì)越來(lái)越人性化的方向快速發(fā)展。
1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容和工作近年來(lái)，GPS在車(chē)輛管理和調(diào)度系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用STM32為控制器，用GPS模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)空間的定位，用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的通信控制，具有數(shù)據(jù)管理、精確定位、實(shí)時(shí)監(jiān)控和直觀顯示等功能，十分適合車(chē)輛定位系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。
基于以上的設(shè)計(jì)方案，采用性價(jià)比高的STM32處理器為控制核心，采用UART接口讀取車(chē)輛的GPS定位信息，經(jīng)過(guò)信息處理把信息顯示在屏幕上，利用AT指令通過(guò)串口和GPRS模塊進(jìn)行通訊，通過(guò)GPRS模塊把采集到的信息通過(guò)TCP/IP協(xié)議送到Internet網(wǎng)絡(luò)或通過(guò)短信發(fā)送到指定的手機(jī)上，在遠(yuǎn)程收到定位信息后通過(guò)已有的數(shù)據(jù)庫(kù)確定路況，路線等信息。實(shí)時(shí)連續(xù)地對(duì)車(chē)輛的準(zhǔn)確位置，速度，方向以及周?chē)脑敿?xì)地理環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和查詢，對(duì)最優(yōu)路徑進(jìn)行計(jì)算和規(guī)劃，幫助駕駛員及時(shí)了解車(chē)輛目前的位置和狀況，從而快速，安全，準(zhǔn)確地到達(dá)目的地。
基于以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，我將從GPRS模塊、GPS模塊、STM32處理器等模塊詳細(xì)介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文結(jié)構(gòu)如下：
第1章，緒論。簡(jiǎn)要介紹了論文選題的背景及意義、課題的來(lái)源及各章節(jié)結(jié)構(gòu)。
第2章，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)。主要介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想，然后詳細(xì)介紹了與此相關(guān)的GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，全球定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)格式，和STM32處理器等關(guān)鍵技術(shù)，為后面的應(yīng)用做準(zhǔn)備；
第3章，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，詳細(xì)介紹了定位系統(tǒng)的GPRS模塊的硬件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)；GPS模塊的電氣特性和接口設(shè)計(jì)；STM32處理器的總線結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)時(shí)鐘、電源等必備硬件結(jié)構(gòu)；LCD液晶顯示等人機(jī)接口的電路設(shè)計(jì)；電源模塊等輔助電路的設(shè)計(jì)；
第4章，操作系統(tǒng)的移植和軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。鑒于系統(tǒng)復(fù)雜繁多的任務(wù)量，把適用于嵌入式系統(tǒng)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)UCOS-II移植到本系統(tǒng)中，為后面的任務(wù)分配做好準(zhǔn)備工作；并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)各模塊的通信協(xié)議和軟件接口并編寫(xiě)相應(yīng)的各模塊的程序；最終結(jié)合硬件完成整個(gè)系統(tǒng)的軟件硬件搭建；
第5章，總結(jié)與展望。首先對(duì)本課題完成的工作進(jìn)行了總結(jié)，然后結(jié)合本課題涉及領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了展望。
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第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)
第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)2.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用性價(jià)比高的STM32處理器為控制核心，采用UART接口讀取車(chē)輛的GPS定位信息，經(jīng)過(guò)信息處理把信息顯示在屏幕上，利用AT指令通過(guò)串口和GPRS模塊進(jìn)行通訊，通過(guò)GPRS模塊把采集到的信息通過(guò)TCP/IP協(xié)議送到Internet網(wǎng)絡(luò)或通過(guò)短信發(fā)送到指定的手機(jī)上，在遠(yuǎn)程收到定位信息后通過(guò)已有的數(shù)據(jù)庫(kù)確定路況，路線等信息。
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圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
整個(gè)系統(tǒng)如圖2-1所示，采用STM32為控制器，使用GPRS和GPS為功能模塊，外加鍵盤(pán)和屏幕顯示為輔助輸入輸出模塊，提供一個(gè)人性化的交互平臺(tái)。通過(guò)這個(gè)整體有機(jī)的把各個(gè)模塊結(jié)合在一起，完成所要設(shè)計(jì)的功能。
此系統(tǒng)將包含GPRS通信模塊、GPS定位模塊、STM32處理器等模塊，本章將主要介紹將要用到的各模塊的主要工作原理
2.2 GPRS技術(shù)GPRS是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說(shuō)是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌�，是以封包（Packet）式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。
GPRS經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來(lái)說(shuō)并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。而且，因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無(wú)線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。GPRS分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長(zhǎng)度的包（分組），每個(gè)包的前面有一個(gè)分組頭（其中的地址標(biāo)志指明該分組發(fā)往何處）。數(shù)據(jù)傳送之前并不需要預(yù)先分配信道，建立連接。而是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中的信息（如目的地址），臨時(shí)尋找一個(gè)可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道之間沒(méi)有固定的占用關(guān)系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用[6]。
由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在絕大多數(shù)情況下都表現(xiàn)出一種突發(fā)性的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送將能夠更好地利用信道資源。
2.2.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)GPRS網(wǎng)絡(luò)引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍睿@樣使得GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持從網(wǎng)絡(luò)體系上得到了加強(qiáng)。圖2和圖3從不同的角度上給出了GPRS網(wǎng)絡(luò)的組成示意圖。GPRS其實(shí)是疊加在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的另一網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)在原有的GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加了SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）、GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）等功能實(shí)體。GPRS共用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的BSS系統(tǒng)，但要對(duì)軟硬件進(jìn)行相應(yīng)的更新；同時(shí)GPRS和GSM網(wǎng)絡(luò)各實(shí)體的接口必須作相應(yīng)的界定；另外，移動(dòng)臺(tái)則要求提供對(duì)GPRS業(yè)務(wù)的支持。GPRS支持通過(guò)GGSN實(shí)現(xiàn)的和PSPDN的互聯(lián)，接口協(xié)議可以是X.75或者是X.25，同時(shí)GPRS還支持和IP網(wǎng)絡(luò)的直接互聯(lián)[7]。GPRS網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2-2所示。
圖2-2 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖
2.2.2 GPRS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)目前，用手機(jī)上網(wǎng)還顯得有些不盡人意。因此，全面的解決方法GPRS也就這樣應(yīng)運(yùn)而生了，這項(xiàng)全新技術(shù)可以令您在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能快速方便地實(shí)現(xiàn)連接，同時(shí)費(fèi)用又很合理。簡(jiǎn)單地說(shuō)：速度上去了，內(nèi)容豐富了，應(yīng)用增加了，而費(fèi)用卻更加合理。
(1) 高速數(shù)據(jù)傳輸
速度10倍于GSM，更可滿足您的理想需求，還可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質(zhì)量音頻與視頻文件，可謂不一般的巨大進(jìn)步。
(2) 永遠(yuǎn)在線
由于建立新的連接幾乎無(wú)需任何時(shí)間(即無(wú)需為每次數(shù)據(jù)的訪問(wèn)建立呼叫連接)，因而您隨時(shí)都可與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。
(3) 僅按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)
即根據(jù)您傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量(如：網(wǎng)上下載信息時(shí))來(lái)計(jì)費(fèi)，而不是按上網(wǎng)時(shí)間計(jì)費(fèi)也就是說(shuō)，只要不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，哪怕您一直“在線”，也無(wú)需付費(fèi)。它真正體現(xiàn)了少用少付費(fèi)的原則。
(4) 相對(duì)低廉的連接費(fèi)用
資源利用率高在GSM網(wǎng)絡(luò)中，GPRS首先引入了分組交換的傳輸模式，使得原來(lái)采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化，這在無(wú)線資源稀缺的情況下顯得尤為重要。對(duì)于分組交換模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無(wú)線信道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶的計(jì)費(fèi)以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，體現(xiàn)了“得到多少、支付多少”的原則。
(5) 傳輸速率高
GPRS可提供高達(dá)115kbit/s的傳輸速率 (最高值為171.2kbit/s，不包括FEC)。這意味著數(shù)年內(nèi)，通過(guò)便攜式電腦GPRS用戶能和ISDN用戶一樣快速地上網(wǎng)瀏覽，同時(shí)也使一些對(duì)傳輸速率敏感的移動(dòng)多媒體應(yīng)用成為可能。
(6) 接入時(shí)間短
分組交換接入時(shí)間縮短為少于1秒，GPRS是一種新的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它可以給移動(dòng)用戶提供無(wú)線分組數(shù)據(jù)接入股務(wù)。GPRS主要是在移動(dòng)用戶和遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（如支持TCP／IP、X.25等網(wǎng)絡(luò)）之間提供一種連接，從而給移動(dòng)用戶提供高速無(wú)線IP和無(wú)線X.25業(yè)務(wù)。
GPRS采用分組交換技術(shù)，它可以讓多個(gè)用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口上的TDMA幀中的8個(gè)時(shí)隙都用來(lái)傳送數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)164kb/s。GSM空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用。當(dāng)然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為GPRS專用信道。要實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)，需要在傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)中引入新的網(wǎng)絡(luò)接口和通信協(xié)議。目前GPRS網(wǎng)絡(luò)引入GSN（GPRS Surporting Node）節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)臺(tái)則必須是GPRS移動(dòng)臺(tái)或GPRS/GSM雙模移動(dòng)臺(tái)[8]。
2.3 GPS技術(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航定位是指利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供的位置、速度及時(shí)間等信息來(lái)完成對(duì)各種目標(biāo)的定位、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)和管理。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供高精度、全天時(shí)、全天候的導(dǎo)航、定位和授時(shí)信息，是一種可供海、陸、空軍民用戶共享的信息資源[11]。
2.3.1 導(dǎo)航定位技術(shù)現(xiàn)狀自1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功以來(lái)，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感、大地測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛的應(yīng)用[12]。
世界上最早的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是美國(guó)的子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)(1964年開(kāi)始運(yùn)行)。隨后，為滿足日益增長(zhǎng)的軍事需要，20世紀(jì)60年代末70年代初，美國(guó)和前蘇聯(lián)分別開(kāi)始研制全天候、全天時(shí)、連續(xù)實(shí)時(shí)提供精確定位服務(wù)的新一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，到90年代中期全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GPS和GLONASS均已建成并投入運(yùn)行。我國(guó)也建設(shè)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)：“北斗一號(hào)”于2003年底正式開(kāi)通運(yùn)行。歐盟籌建的Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在計(jì)劃實(shí)施之中[13]。以下是幾種主要導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀比較：
目前GPS在實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化上處于國(guó)際壟斷地位。特別是從美國(guó)于2000年5月1日宣布中止了SA政策后，GPS以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廉價(jià)的使用成本，在全球得到廣泛應(yīng)用，涉及野外勘探、陸路運(yùn)輸、海上作業(yè)及航空航天等諸多行業(yè)，其相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)市場(chǎng)的年產(chǎn)值達(dá)80億美元，成為當(dāng)今國(guó)際公認(rèn)的八大無(wú)線產(chǎn)品之一。
GLONASS比GPS系統(tǒng)起步晚9年，全系統(tǒng)正常運(yùn)行比GPS晚近3年。在1996-1998年間，由于經(jīng)濟(jì)困難，GLONASS星座得不到正常的維護(hù)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能衰退。目前，俄羅斯已下決心恢復(fù)和進(jìn)一步發(fā)展該系統(tǒng)。
我國(guó)目前正在自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)填補(bǔ)了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的空白，成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國(guó)家。于2003年底建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，2007年分別成功研發(fā)了我國(guó)首款應(yīng)用于車(chē)載的衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片“航芯一號(hào)”和應(yīng)用于手機(jī)的首款CMOS全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片“航芯二號(hào)”，標(biāo)志著我國(guó)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平。未來(lái)幾年將分別在軍用、民用領(lǐng)域發(fā)揮作用。
歐洲于1992年2月提出的獨(dú)立自主研發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)—Galileo系統(tǒng)將成為第一個(gè)民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有配置、頻率分布、信號(hào)設(shè)計(jì)、安全保障及其多層次、多方位的導(dǎo)航定位特點(diǎn)，其在通信、定位精度、信號(hào)功率等方面的性能優(yōu)于GPS，目前正在建設(shè)中。
綜合考慮各系統(tǒng)性能以及全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)芯片技術(shù)等方面，本系統(tǒng)中選用了全球定位系統(tǒng)GPS，獲得高精度的定位信息。
2.3.2 GPS衛(wèi)星定位原理全球定位系統(tǒng) (Global Position System——GPS)是美國(guó)從本世紀(jì)70年代由美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資300億美元，于1994年全面建成，是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng)：用戶設(shè)備部分——GPS信號(hào)接收搬。
空間部分為21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座。衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道平面上有4顆衛(wèi)星，在約2萬(wàn)千米高空的衛(wèi)星，從地平線升起至沒(méi)落，可以在用戶視野持續(xù)5小時(shí)左右。每一個(gè)用戶在任何地方都能夠同時(shí)接收到來(lái)自4～12顆GPS衛(wèi)星的定位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全球性全天時(shí)的連續(xù)不斷的導(dǎo)航定位[13]。
控制部分主要由1個(gè)主控站、5個(gè)監(jiān)控站、3個(gè)地面注入站組成，形成一個(gè)分布在全世界的地面控制監(jiān)視網(wǎng)，監(jiān)視著各個(gè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)。主控站主要協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作，監(jiān)控站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)采集中心，地面注入站的主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘偏差、導(dǎo)航電文等其他指令等注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)。
用戶設(shè)備的主要任務(wù)是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位功能。
GPS是利用測(cè)距交會(huì)原理確定點(diǎn)的位置來(lái)進(jìn)行定位的。它采用多星高軌測(cè)距體制，以接收機(jī)到GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測(cè)量。當(dāng)?shù)孛嬗脩舻腉PS接收機(jī)同時(shí)接收到3顆以上衛(wèi)星的信號(hào)后，通過(guò)使用偽距測(cè)量或載波相位測(cè)量，測(cè)算出衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)所需要的時(shí)間、距離，再結(jié)合各衛(wèi)星所處的位置信息，將衛(wèi)星至用戶的多個(gè)等距離球面相交后，即可確定用戶的三維(經(jīng)度、緯度、高度)坐標(biāo)位置以及速度、時(shí)間等相關(guān)參數(shù)。定位原理圖如圖2-3所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間
，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式：
(2-1)
(2-2)
(2-3)
(2-4)
圖2-3 GPS定位原理
上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)X，Y，Z和
為未知參數(shù)，其中
。
分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。
分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。C為GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。
四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：
X，Y，Z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。
、
、
分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。
分別為衛(wèi)星l、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。
為接收機(jī)的鐘差。
由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)X，Y，Z和接收機(jī)的鐘差
。
全球定位系統(tǒng)GPS擁有全球性、全能性、全天候性的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速等優(yōu)點(diǎn)。在諸多領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，最早應(yīng)用于軍用定位和導(dǎo)航。隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，目前全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS已逐步從軍用擴(kuò)展到民用，主要涉及海、陸、空的導(dǎo)航和定位，使世界交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)生了深刻變革，推動(dòng)了航天事業(yè)的發(fā)展。同時(shí)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、測(cè)繪、氣象等領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用[14]。下面就GPS在智能交通中的應(yīng)用做一下介紹。
GPS在ITS中主要應(yīng)用于車(chē)輛定位、導(dǎo)航和交通管理，是ITS的重要組成部分。在任一時(shí)刻任一目標(biāo)能通過(guò)GPS系統(tǒng)得知汽車(chē)的經(jīng)緯度、速度和準(zhǔn)確時(shí)聞，然后把這些信息通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)提供給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)在電子地圖上顯示出車(chē)輛運(yùn)行軌跡；同時(shí)，監(jiān)控中心可根據(jù)路況信息，發(fā)出調(diào)度指令，來(lái)完成對(duì)車(chē)輛的集中監(jiān)控。國(guó)外早已進(jìn)行研究，并已取得了一定得成果，已廣泛地應(yīng)用于公共醫(yī)療事業(yè)、公共服務(wù)事業(yè)、銀行、消防、公安等行業(yè)。
在發(fā)達(dá)國(guó)家，GPS技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于交通運(yùn)輸和道路工程中。目前，GPS技術(shù)在我國(guó)道路工程和交通管理中的應(yīng)用還剛剛起步，相信隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、高等級(jí)公路的快速修建和GPS技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，其在道路工程中的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用[15]。
GPS與其它導(dǎo)航系統(tǒng)相比，具有的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：
(1) 定位精度高：通過(guò)很多應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS相對(duì)定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)
1，100-500km可達(dá)
，1000km以上可達(dá)
，在300-1500m工程精密定位中，1小時(shí)以上觀測(cè)的解算，其平面位置誤差小于1 mm�；�邊長(zhǎng)越長(zhǎng)越能突顯其定位精度高的優(yōu)勢(shì)。
(2) 觀測(cè)時(shí)間短：采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在30-40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間更短。目前20km以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15km以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站只需觀測(cè)1-2分鐘；動(dòng)態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，流動(dòng)站出發(fā)時(shí)觀測(cè)1-2分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)僅需幾秒鐘。
(3) 測(cè)站間無(wú)需通視：GPS測(cè)量不要求站點(diǎn)間相互通視，只需測(cè)站上空開(kāi)闊即可。
(4) 可提供三維坐標(biāo)：經(jīng)典大地測(cè)量將平面與高度采用不同方法分別測(cè)量，而GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，目前GPS水準(zhǔn)可達(dá)到四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。
(5) 操作簡(jiǎn)單：隨著GPS的不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，體積也越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕。
(6) 全天候作業(yè)：目前GPS觀測(cè)可在一天24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等天氣狀況的影響。
功能多、應(yīng)用廣：GPS系統(tǒng)不僅可以用于定位測(cè)量，還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè)速精度可達(dá)0.lms，測(cè)時(shí)精度可達(dá)幾十毫秒，精度都比較高。隨著GPS技術(shù)的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的擴(kuò)大。
2.4 STM32處理器目前市場(chǎng)上流行的32 位微控制器多采用ARM 處理器核心。采用ARM 處理器核心的32 位微控制器在手機(jī)、PDA等產(chǎn)品中有著大量的應(yīng)用，隨著采用ARM核心的32 位微控制器新品的層出不窮以及價(jià)格的不斷下降，也為其應(yīng)用的下移提供了機(jī)會(huì)。ARM公司于2006年推出了一款針對(duì)價(jià)格敏感但又需具備高效能需求的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的微處理器核心—Cortex-M3[16]。
Cortex－M3處理器采用ARMv7-M架構(gòu)，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架構(gòu)，Cortex-M3處理器不能執(zhí)行ARM指令集。Thumb-2在Thumb指令集架構(gòu)（ISA）上進(jìn)行了大量的改進(jìn)，它與Thumb相比，具有更高的代碼密度并提供16/32位指令的更高性能。
STM32有兩個(gè)系列的產(chǎn)品，分別是基本型和增強(qiáng)型，基本型和增強(qiáng)型都在片上有5 路的串口，2路的SPI和2路的I2C，片上具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，2個(gè)獨(dú)立的看門(mén)狗，片上集成了上電復(fù)位和掉電復(fù)位。最多11 路的DMA 通道，所有芯片的管腳有80% 是GPIO�；拘秃驮鰪�(qiáng)型的區(qū)別在增強(qiáng)型產(chǎn)品有獨(dú)立的ADC 通道，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為1u秒， 增強(qiáng)型產(chǎn)品還具有USB1.1傳輸接口， 并且其功耗也是32位微控制器領(lǐng)域內(nèi)最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz�；拘彤a(chǎn)品的最高運(yùn)行時(shí)鐘為36MHz，增強(qiáng)型產(chǎn)品的最高運(yùn)行時(shí)鐘為72MHz。此外，對(duì)于電機(jī)的矢量控制，STM32 還具有特別的優(yōu)勢(shì)：2 路獨(dú)立的A/D采樣，定時(shí)器可產(chǎn)生6 路的PWM輸出，具有硬件上的乘法和除法指令，具有死區(qū)控制。意法半導(dǎo)體公司為基于STM32系列微控制器提供了完全的免費(fèi)的底層外設(shè)的驅(qū)動(dòng)庫(kù)文件，這使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)變得非常容易[18]。
2.4.1 總線構(gòu)架主系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：
四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元： Cortex™-M3內(nèi)核 DCode總線(D-bus)，和系統(tǒng)總線(S-bus)、通用 DMA1和通用 DMA2。
四個(gè)被動(dòng)單元：內(nèi)部 SRAM、內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器、FSMC、AHB到 APB的橋(AHB2APBx)，它連接所有的 APB設(shè)備。
這些都是通過(guò)一個(gè)多級(jí)的AHB總線構(gòu)架相互連接的[19]，如圖2-4所示：
圖2-4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
ICode總線 :該總線將Cortex™-M3內(nèi)核的指令總線與閃存指令接口相連接。指令預(yù)取在此總線上完成。
DCode總線：該總線將Cortex™-M3內(nèi)核的DCode總線與閃存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接口相連接(常量加載和調(diào)試訪問(wèn))。
系統(tǒng)總線：此總線連接Cortex™-M3內(nèi)核的系統(tǒng)總線(外設(shè)總線)到總線矩陣，總線矩陣協(xié)調(diào)著內(nèi)核和DMA間的訪問(wèn)。
DMA總線：此總線將DMA的AHB主控接口與總線矩陣相聯(lián)，總線矩陣協(xié)調(diào)著CPU的DCode和DMA到 SRAM、閃存和外設(shè)的訪問(wèn)。
總線矩陣：此總線矩陣協(xié)調(diào)內(nèi)核系統(tǒng)總線和DMA主控總線之間的訪問(wèn)仲裁。此仲裁利用輪換算法。此總線矩陣由四個(gè)驅(qū)動(dòng)部件(CPU的DCode、系統(tǒng)總線、DMA1總線和DMA2總線)和四個(gè)被動(dòng)部件(閃存存儲(chǔ)器接口(FLITF)、SRAM、FSMC和AHB2APB橋)構(gòu)成。 AHB外設(shè)通過(guò)總線矩陣與系統(tǒng)總線相連，允許DMA訪問(wèn)。
AHB/APB橋(APB)：兩個(gè)AHB/APB橋在AHB和2個(gè)APB總線間提供同步連接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。當(dāng)對(duì)APB寄存器進(jìn)行8位或者16位訪問(wèn)時(shí)，該訪問(wèn)會(huì)被自動(dòng)轉(zhuǎn)換成32位的訪問(wèn)：橋會(huì)自動(dòng)將8位或者32位的數(shù)據(jù)擴(kuò)展以配合32位的向量[18]。
2.4.2 存儲(chǔ)器組織STM32系列處理器的程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器和輸入輸出端口被組織在同一個(gè)4GB的線性地址空間內(nèi)。數(shù)據(jù)字節(jié)以小端格式存放在存儲(chǔ)器中。一個(gè)字里的最低地址字節(jié)被認(rèn)為是該字的最低有效字節(jié)，而最高地址字節(jié)是最高有效字節(jié)。外設(shè)寄存器的映像請(qǐng)參考相關(guān)章節(jié)�？稍L問(wèn)的存儲(chǔ)器空間被分成8個(gè)主要塊，每個(gè)塊為512MB。其他所有沒(méi)有分配給片上存儲(chǔ)器和外設(shè)的存儲(chǔ)器空間都是保留的地址空間。
在 STM32F10xxx里，可以通過(guò) BOOT[1:0]引腳選擇三種不同啟動(dòng)模式，如表2-1所示。
表2-1 啟動(dòng)模式
| | |
| |
| | | 用戶閃存存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域 |
| | | 系統(tǒng)存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域 |
| | | 內(nèi)嵌SRAM被選為啟動(dòng)區(qū)域 |
在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK的第4個(gè)上升沿，BOOT管腳的值將被鎖存。用戶可以通過(guò)設(shè)置BOOT1和BOOT0引腳的狀態(tài)，來(lái)選擇在復(fù)位后的啟動(dòng)模式。
根據(jù)選定的啟動(dòng)模式，主閃存存儲(chǔ)器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器或SRAM可以按照以下方式訪問(wèn)： (1)從主閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng), (2)從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng), (3)從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)。
通過(guò)設(shè)置選擇管腳，對(duì)應(yīng)到各種啟動(dòng)模式的不同物理地址將被映像到第 0塊(啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū))。在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK的第 4個(gè)上升沿，BOOT管腳的值將被鎖存。用戶可以通過(guò)設(shè)置 BOOT1和 BOOT0引腳的狀態(tài)，來(lái)選擇在復(fù)位后的啟動(dòng)模式。
即使被映像到啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū)，仍然可以在它原先的存儲(chǔ)器空間內(nèi)訪問(wèn)相關(guān)的存儲(chǔ)器。在經(jīng)過(guò)啟動(dòng)延遲后，CPU從位于 0x0000 0000開(kāi)始的啟動(dòng)存儲(chǔ)區(qū)執(zhí)行代碼。內(nèi)嵌的自舉程序用于通過(guò) USART1串行接口對(duì)閃存存儲(chǔ)器進(jìn)行重新編程。這個(gè)程序位于系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，由 ST在生產(chǎn)線上寫(xiě)入。
2.4.3 電源STM32的工作電壓(VDD)為2.0～3.6V。通過(guò)內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器提供所需的1.8V電源。當(dāng)主電源VDD掉電后，通過(guò)VBAT腳為實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和備份寄存器提供電源。復(fù)位后調(diào)節(jié)器總是使能的。根據(jù)應(yīng)用方式它以3種不同的模式工作：(1) 運(yùn)轉(zhuǎn)模式：調(diào)節(jié)器以正常功耗模式提供1.8V電源（內(nèi)核，內(nèi)存和外設(shè)）。(2) 停止模式：調(diào)節(jié)器以低功耗模式提供1.8V電源，以保存寄存器和SRAM的內(nèi)容。(3) 待機(jī)模式：調(diào)節(jié)器停止供電。除了備用電路和備份域外，寄存器和SRAM的內(nèi)容全部丟失。
用戶可以利用PVD對(duì)VDD電壓與電源控制寄存器(PWR_CR)中的PLS[2:0]位進(jìn)行比較來(lái)監(jiān)控電源，這幾位選擇監(jiān)控電壓的閥值。通過(guò)設(shè)置PVDE位來(lái)使能PVD。電源控制/狀態(tài)寄存器(PWR_CSR)中的PVDO標(biāo)志用來(lái)表明VDD是高于還是低于PVD的電壓閥值。該事件在內(nèi)部連接到外部中斷的第16線，如果該中斷在外部中斷寄存器中是使能的，該事件就會(huì)產(chǎn)生中斷。當(dāng)VDD下降到PVD閥值以下和(或)當(dāng)VDD上升到PVD閥值之上時(shí)，根據(jù)外部中斷第16線的上升/下降邊沿觸發(fā)設(shè)置，就會(huì)產(chǎn)生PVD中斷。
電源模塊的系統(tǒng)框圖如圖2-5所示。
圖2-5 電源框圖
2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想和框架結(jié)構(gòu)，然后在介紹總體的基礎(chǔ)上分別介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的關(guān)鍵技術(shù)，如GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信原理，GPS的定位原理和所工作做得環(huán)境與要求，最后介紹了所用到的STM32處理器的的主要功能外設(shè)和工作模式等知識(shí)，為下面的軟件和硬件設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
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