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基于微處理器LPC2214和GPS接收器實現(xiàn)車載導(dǎo)航終端的設(shè)計

2021-03-31 16:44:33

GPS在中國已經(jīng)有十幾年的發(fā)展歷程,但在民用領(lǐng)域卻一直投有大的突破。最近幾年,GPS民用的前景已經(jīng)越來越清晰,用戶需求正在上升。目前有兩種應(yīng)用被看好:一個是民用導(dǎo)航終端,特別是車載系統(tǒng);男一個是基于手機的移動定位服務(wù)。
導(dǎo)航是LBS(Location Based Services)應(yīng)用在汽車上的主要方式。目前我國已經(jīng)有汽車導(dǎo)航的實際應(yīng)用,一種是“GPS接收機+簡化版的GIS引擎+地圖數(shù)據(jù)”的模式,通過GPS接收機獲取定位信息,然后調(diào)用本機存儲的地圖,將定位信息映射到電子地圖上實現(xiàn)導(dǎo)航功能。這種模式雖然比較方便快捷,但也有其自身的局限性,例如成本較高、地圖資源不能共享、無法做到動態(tài)的地圖更新。還有一種是“GPS接收機+GSM模塊十短信業(yè)務(wù)”的模式,通過GPS接收機獲取定位信息,以短信的方式將定位信息發(fā)送至控制中心,再通過GSM模塊撥打中心電話,以語音方式得到導(dǎo)航信息。這種模式成本較低,信息準確,但短信一般有延時;實驗表明在網(wǎng)絡(luò)延時不大的情況下單向傳輸一條140字節(jié)的短信,傳輸延時為6s的累計概率為92.86%,而且打電話獲取導(dǎo)航信息的速度太慢,操作也不方便。而這些問題通過與運營商已有的通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS結(jié)合可以得到較好的解決。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù),而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源,從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于個別的大數(shù)據(jù)量傳輸。因此,車載終端選用高性能的處理器,通過GPRS與信息中心通信,完全可以實現(xiàn)遠程地圖下載與自主導(dǎo)航。
本文介紹了一種基于ARM處理器、支持GPRS、低成本的車載導(dǎo)航終端,并對其中所涉及的硬件設(shè)計方案給出了詳細的描述。
1 LBS系統(tǒng)模型與車載導(dǎo)航服務(wù)終端介紹
1.1 LBS系統(tǒng)模型
LBS系統(tǒng)主要由全球定位系統(tǒng)、移動終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)中心組成,如圖1所示。圖中GPS衛(wèi)星提供定位信息,是整個LBS系統(tǒng)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵;移動終端主要用來獲取位置信息,發(fā)出位置服務(wù)申請以及解讀導(dǎo)航信息;G3SM通信網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)移動終端和信息服務(wù)中心的通信;信息服務(wù)中心是定位服務(wù)系統(tǒng)的核心,負責與移動終端的信息交互和各個分中心的網(wǎng)絡(luò)互連,完成各種信息的分類、記錄和轉(zhuǎn)發(fā)以及分中心之間業(yè)務(wù)信息的流動,并對整個網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控。

1.2 終端功能
本終端采用車用電源供電,接通電源后,各模塊自動啟動。該終端具有以下功能:GPS定位功能;遠程電予地圖實時下載;定位信息和地罔數(shù)據(jù)的實時顯示;主控芯片可以進入掉電模式,降低功耗,按下相應(yīng)功能鍵能夠立即喚醒主控芯片。
1.3 終端主要模塊
GPS模塊采用瑞士u-blox公司的TIM-LH。該GPS接收器可以在天空視野有限的區(qū)域內(nèi)提供動態(tài)條件下的精確導(dǎo)航,定位精度半徑可達2.5m;有2個全雙工串口,支持NMEA、RBX和RTCM串口協(xié)議。集成度很高,大小是25.4 mm×25.4mm,高度只有3mm。
GPRS模塊選用法國Wavecom公司推出的Q2406A。該模塊支持900/1800MHz兩種頻帶,所在頻段功率分別為2W(900MHz)和1W(1800MHz),支持WAP(Wireless Application Protocol)、IrDA 1.2A協(xié)議和GPRS;有AT數(shù)據(jù)集接口,支持數(shù)據(jù)、語音、短信、傳真服務(wù)等,其數(shù)據(jù)下載速率可達53.6 khps,上傳速率可達26.8 kbps。
本終端使用ARM微處理器作為主控芯片,結(jié)合GPRS,實現(xiàn)實時地圖下載與快速處理。LPC2214是Philips公司推出的基于ARM7TIDMI(Thumb)內(nèi)核的16/32位微處理器,128位的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大速率時鐘下運行;其高速計算能力為地圖數(shù)據(jù)的快速處理提供了保障,性價比遠高于普通單片機。LPC2214具有8/16/32位的外部存儲器接口,可對4個外部存儲器進行配置,每個存儲器可達16 MB,為大量數(shù)據(jù)存儲和嵌入式操作系統(tǒng)的下載提供了條件;而且該芯片具有功率控制模塊,當暫時不需要導(dǎo)航時可使終端進入掉電模式,大大降低了功耗。另外,浚芯片有兩個串口,內(nèi)嵌片內(nèi)可編程鎖相環(huán)PLL,CPU最高工作頻率可達60MHz。
2 車載導(dǎo)航服務(wù)終端關(guān)鍵硬件設(shè)計與分析
車載導(dǎo)航服務(wù)終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,LPC2214的串口O與GSM/GPRS模塊連接,串口l與GPS模塊連接。液晶顯示器(LCD)通過并行方式與ARM芯片連接,采用8位數(shù)據(jù)傳輸方式;鍵盤采用矩陣掃描的方式,由8根GPIO端口線控制。

終端上電以后,通過軟件設(shè)置登錄GPRS;GPS模塊接收到GPS數(shù)據(jù)后通過串口1自動向主控芯片發(fā)送;主控芯片收到GPS數(shù)據(jù)后選擇需要的信息,并將定位信息顯示在LCD上。需要周邊地圖信息時,按下相應(yīng)的功能鍵,主控芯片掃描到鍵盤信號,將定位信息通過串口0傳遞給GSM/GPRS模塊,并以短信的形式發(fā)送到信息服務(wù)中心,通過GPRS下載周邊地圖數(shù)據(jù),主控芯片通過串口0讀取地圖數(shù)據(jù),處理后在LCD上顯示,實現(xiàn)自主式導(dǎo)航。
2.1 電源電路的設(shè)計與分析

2.2 GPS模塊外圍電路
GPS模塊TIM-LH上電后通過串口向外發(fā)送GPS數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式有RMC(Recommended Minirnum SpecificGNSS Data)、GGA(Global Positioning System Fix Data)等,可以根據(jù)需要編程遺擇相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)。TIM-LH芯片串口1的默認波特率是9 600 bps,串口2的默認波特率是57 600 bps,可通過軟件改變;如果不使用某個串口,則對應(yīng)的串口輸入端應(yīng)接上拉電阻。
TIM-LH的外圍電路原理圖如圖4所示。外部復(fù)位端口REXET_N低電平有效,非常敏感,如果不用,則將其置空。不能接高電平。TIM-LH模塊上電之后自動復(fù)位,通常復(fù)位信號是在模塊工作不正常的情況下使用,在設(shè)計中,使用控制電源的方式來復(fù)位就可以了,這樣控制起來會更加靈活、可靠;而且模塊出現(xiàn)死機的現(xiàn)象很少,若希望進行重啟動,則也可通過程序使用命令來控制。在設(shè)計PCB時應(yīng)將GPS芯片周邊區(qū)域敷銅,以屏蔽外界干擾。

2.3 GSM/GPRS模塊與處理器接口設(shè)計和SIM卡接口電路
GSM模塊與ARM芯片之間通過標準的串行口通信,最高波特率可達115 200 bps。處理器LPC2214的串口輸出的電平是3.3V,中間需要進行電平轉(zhuǎn)換,選用MAXIM公司的MAX3232來實現(xiàn)。LPC2124與GSM模塊之間的串口通信采用最簡單的三線接法,即地、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)3個端口相連,接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)端口要彼此交叉。
GSM模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIM-DATA信號線進行數(shù)據(jù)通信,SIM卡接口電路的原理圖如圖5所示。在設(shè)計PCB時要注意,為了提高穩(wěn)定性,GSM模塊的連接器和SIM卡座的引腳之間的距離不要超過20cm。此外,為達到最佳效果,應(yīng)在SIM支架下敷銅,敷銅與SIM卡的GND引腳相連;SIMVCC和SIMGND之間的電容C101和C102要離引腳盡量近,以滿足規(guī)范要求。在選擇SIM卡時要選擇支持GPRS業(yè)務(wù)的,并開通GPRS業(yè)務(wù)。

2.4 LPC2214外圍電路設(shè)計的關(guān)鍵
在設(shè)計LPC2214外圍電路時,特別要注意P0.14引腳的使用。Flash boot裝載程序代碼在器件上電或復(fù)位時執(zhí)行。裝載程序可執(zhí)行ISP命令處理器或用戶應(yīng)用代碼;復(fù)位后PO.14的低電平被認為是啟動ISP命令處理器的外部硬件請求。如果P0.14采樣到低電平并且看門狗溢出標志置位,則啟動ISP命令處理器的外部硬件請求將被忽略。如果沒有外部請求(P0.14復(fù)位后采樣為高電平),那么將搜索有效的用戶程序。若找到有效的用戶程序.執(zhí)行的控制就轉(zhuǎn)移給用戶程序;若沒有找到,那么就調(diào)用自動波特率程序。
引腳P0.14作為ISP硬件請求時,由于P0.14在復(fù)位后處于高阻模式,因此用戶需要提供外部硬件(上拉電阻或其他器件)使引腳處于一個確定的狀態(tài);否則,可能導(dǎo)致非預(yù)期地進入ISP模式。
此外,由于使用外部晶振,在PCB設(shè)計時晶振應(yīng)與芯片的振蕩器輸入、輸出引腳盡量靠近,以減小外部干擾的影響。
3 硬件電路的調(diào)試
調(diào)試電路板重點應(yīng)放在整體性、全局性連線的錯誤排查,如電源線的短路、錯接等。在調(diào)試串口時可以將電路板上的串口線引出,通過與計算機的串口通信來調(diào)試終端的各個串口,需用注意的是計算機的串口是標準的RS-232串口。其中,對GSM/GPRS模塊的調(diào)試是通過AT指令來完成的。對串口調(diào)試完成以后,就可以設(shè)計軟件程序來測試電路的性能。圖6描述了GPS模塊接收到的定位信號。
4 結(jié)論
本文介紹了基于ARM的車載導(dǎo)航服務(wù)終端的硬件設(shè)計。終端的軟件推薦使用C語言編寫,可以自己從底層開發(fā),也可以裁剪μClinux操作系統(tǒng)進行更高級的開發(fā),使終端具有更強大的功能和更友好的界面。試驗證明,該終端的硬件設(shè)計方案是可行的,登陸網(wǎng)絡(luò)只需5s,數(shù)據(jù)下載速度可達38.4kbps,上傳速度可達19.2kbps。隨著GPRS服務(wù)的進一步完善,車載導(dǎo)航服務(wù)終端必然會向支持遠程電子地圖更新,實時圖像通信的方向發(fā)展,因此該終端將會有廣闊的應(yīng)用前景。

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