基于3G技术的嵌入式车载控制系统的应用与研究

摘要 本文介绍了一种基于3G技术的嵌入式车辆监控系统的总体结构设计、工作原理，以及优缺点。重点分析了ARM7TDMI　LPC2114控制芯片启动代码的编写、GPS（Global Positioning System 简称　GPS）NMEA-0183报文的解算、基于AT指令的SMS（短消息业务）通讯程序设计，以及GIS（地理信息系统）控件调用的基本思想。 关键词 GPS/GSM/GIS ARM7TDMI LPC2114 Jupiter-OEM Siemens-3508I ABSTRACT To introduce a application-embedded system in vehicle surveillance and controling based on 3G (GPS/GSM/GIS) technology. Discribed the total configuration , function and work elements of the system. Emphasis placed on parsing the NMEA-0183 Messege of Global Positioning System , the designing of SMS communications program base on AT instructions and the basic idea of GIS control transfered. KEY WORDS GPS/GSM/GIS ARM7TDMI LPC2114 Jupiter-OEM Siemens-3508I 引言 本设计采用卫星定位技术（Global Positioning System 简称　GPS）跟踪车辆位置，使用嵌入式ARM7TDMI控制核解算车辆实时地理信息（如经纬度、海拔高度、方向、速度、时间等）；应用GSM无线通信技术，组成星形监控网络，使监控中心在电子地图与数据库的配合下最终实现对车辆的实时监控。 目前，根据对车载通信模式的不同，可分为三种类型：车载电台模式，该模式速度快，保密性好，性能稳定，价格适中,但监控范围小（<30KM）且无线通讯距离容易受到高层建筑物干扰；车载台专线模式,从地方电信部门直接架设DDN 专线，这种模式稳定性最高，速度较快,可扩展性好，控制范围大,但成本高昂,而且DDN 专线资源非常有限，此方案只适合大型用户使用； SMS基站模式，收发双方采用无线连接，控制中心通过基站与GSM 相连，通过话音信号或短信传送数据，这种模式控制范围大，成本低廉，但速度较前一方案稍差，适合中小型用户使用。本文所述的监控系统采用SMS基站模式，通过短信传送数据。 1. 系统总体结构 3G（GPS/GSM/GIS）车辆监控系统总体结构如图1 所示。 整个系统由4 部分组成: GPS接收控制(车载) 、液晶显示控制（车载）、GSM短信通讯控制(车载)和GSM/GIS监控中心。 1．1 车载电路设计 车载部分由GPS-OEM接收模块(Rockwell公司的Jupiter TU30-D140-221/231)、飞利浦公司的ARM7TDMI控制核芯片LPC2114微处理器、GSM 信号收发模块(Siemens3508i手机模块)以及一块240x128图形点阵液晶（LCD）组成。（车载硬件电路如图2所示）LPC2114　微处理器接收GPS-OEM板采集的卫星定位数据，通过算法解析出所使用到的NMEA-0183语句报文，并将数据存在已经确定好的存储单元，以及FIFO队列中，程序通过指针调用存储单元，将车辆实时数据发送给液晶显示模块和GSM模块，实现车内导航显示以及监控中心的远程监控。 1．1. 1　系统控制器设计 LPC2114是飞利浦公司推出的基于ARM7TDMI核的32位低功耗RISC微处理器芯片，主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和低功耗设备。LPC2114微处理器具有如下特点：[1] 16 kB 片内静态RAM，128/256 kB 片内Flash 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； 2 个32 位定时器（带4 路捕获和4 路比较通道）、实时时钟和看门狗。 多个串口，包括2 个16C550 工业标准UART、高速I2C 接口（400 kbit/s）和2 个SPI 接口； 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址； 多达46 个通用I/O 口（可承受5V 电压），9 个边沿或电平触发的外部中断引脚； 2 个低功耗模式：空闲和掉电，双电源CPU 操作电压范围：1.65~1.95 V(1.8 V± 0.15 V)I/O 操作电压范围：3.0～3.6 V(3.3 V± 10%)，可承受5V 电压。 为了满足本车载产品对外围电路的复杂控制、系统的高速、稳定性、低成本、以及低功耗要求，故采用ARM7TDMI为处理器完成车载系统的核心控制。 　设计32位ARM车载系统过程中，为了提高开发效率软件性能。采用汇编语言进行启动代码的编写，完成系统的初始化设置，如向量表定义、堆栈初始化、系统变量初始化、中断系统初始化、I/O初始化、外围初始化、地址重映射等操作。使用C语言完成主程序的具体功能编写，如GPS报文解析、LCD液晶显示、短消息通讯等功能。 启动代码设计时，一般都是在中断向量表中放置一条分支指令或PC寄存器加载指令，实现程序跳转到中断服务例程的功能。例如： 系统在设计汇编代码与C语言代码连接时同样采用如上的思想，将具体功能模块化，通过直接调用语句，将程序跳转到子程序部分（子程序可为汇编语言或C语言编写），完成基本功能初始化。程序如下： 1．1. 2 GPS接收设计 Jupiter-OEM板采用NMEA-0183（美国海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式）通信标准格式。其格式定义为：比特率4800bit/s默认值)，其中语句有$GPGGA（位置测定系统定位资料语句）, $GPGSV（导航卫星资料语句）, $GPRMC（导航卫星特定精简资料语句），$GPVTG（方向及速度等相关资料语句）等[2]。（GPS模块接口说明如表1所示） 在GPS报文解析过程中，当LPC2114微处理器接收到GPS模块卫星报文信息后，先判别是否为语句引导头“$”，判断为真然后再接收信息内容，引导头判断通过后再分析NMEA-0183语句头标识，例提取“GPGGA”语句，接收到“GPGGA”ASCII码后，开始存储有用位置数据。当接收到“CR”“LF”回车换行字符ASCⅡ码后结束接收，完成GPS报文接收。在存储数据过程中，定义好数据指针位置，以及FIFO队列长度，可以有效提高接收报文二次处理速度。（GPS报文提取程序流程如图3所示） 1．1．3　GSM通讯设计 系统采用SIEMEN3508I手机模块和FD5105CDMA通讯模块完成短消息的收发任务。GSM的SMS（短信息业务）利用信令信道传输，这是GSM通信网所特有的。短信业务不需要建立拨号连接，把要发的信息加上目的地址发送到短信息服务中心，经短消息服务中心完成存储后再发送给最终目的地。所以当目的GSM终端没开机时信息不会丢失。每个短消息的信息量限制为160字节GPS报文一般为70个字节左右，完全在短信业务一条160个字节要求范围之内，与其它无线通信技术相比具有费用低廉、覆盖范围广泛、可靠性高、标准化强，技术成熟等优势[4]。 利用GSM手机的串行接口，控制模块负责解释由监控中心发射来的指令,以及发送经过GSM07.05标准化后的GPS报文信息（数据以UNCODE形式）。此控制功能由LPC2114　ARM7TDMI微处理器来完成。实现对SMS的控制共有三种接入协议：Block Mode；基于AT命令的TextMode；基于AT命令的PDU Mode[5]。目前，PDU Mode应用最为广泛，基本上全国所有的电信局都提供支持PDU Mode的短消息业务。为了保证系统具有广泛的适用性，LPC2114微处理器以GSM模块通讯采用PDU模式收发SMS。PDU模式下短信息正文经过十六进制编码后被传送。短信操作步骤及相关命令如下： （1） 设置短信格式——AT+CMGF （2） 设置短信存储载体——AT+CPMS （3） 设置短信息中心地址――AT+CSCA （4） 设置短信接收提示方式——AT+CNMI （5） 发送短信息——AT+CMGS （6） 读取短信息――AT+CMGR 1. 2 监控中心 1. 2. 1 监控中心组成 监控中心由GSM 模块、GIS地图监控软件和数据库3 部分组成。 GSM 接收模块采用韩国Fidelix 公司的CDMA工业级模块FD5105； 监控软件以Visual Basic6.0软件为开发工具以Mapinfo电子地图为平台，具有友好的人机界面，实现定位、显示行车轨迹、查询车主信息、分析报警级别、数据回放等功能；基于管理数据量过大，数据库采用SQLServer软件设计，以满足数据的大量存储和稳定性的需要。GSM模块通过USB1.1接口与监控中心实现物理连接，在上位机软件的支持下实现在图形化界面上下达监控命令，经过程序处理后，利用AT 指令通过USB接口把指令串发送到指定的车载台，车载台SIEMENS3508I手机模块接收到短信后，以中断方式通知LPC2114微处理器，处理器按指令的要求完成一系列的动作(反馈认证报警信号、启动语音振铃、切断机车油路等)。 1. 2. 2 GIS地图监控软件设计 GIS地图监控软件接收数据写入SQLServer数据库中，数据库信息主要用于GIS地图显示及数据回放使用。GIS监控软件通过调用电子地图控件Mapx4.0控件，与电子地图矢量三维座标匹配，将GPS解算数据直观表现在电子地图上。 2． 系统性能指标 整个车载系统的防震标准符合国家MIL-STD-标准，系统可同时容纳监控＜2000台车辆。 GPS接收机： 跟踪方式：全视场（ALL－IN－VIEW）； 协议标准：NMEA－0183； 精度：二维定位：＜15M（差分定位：＜10M ）； 功耗：50mA； GSM通信模块： 网络：GSM（SMS）:900MHZ； 短消息收发时间间隔：＜10s。 3． 结束语 3G车载远程监控系统经过检测，各项功能在晴天，夜晚，阴雨天气条件下都能够完成监控任务，二维定位平均精度<25