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基于3G技術的嵌入式車載控制系統的應用與研究 資料提供：轉載：中國工控網 摘要
本文介紹了一種基于3G技術的嵌入式車輛監控系統的總體結構設計、工作原理，以及優缺點。重點分析了ARM7TDMI LPC2114控制芯片啟動代碼的編寫、GPS（Global Positioning System 簡稱 GPS）NMEA-0183報文的解算、基于AT指令的SMS（短消息業務）通訊程序設計，以及GIS（地理信息系統）控件調用的基本思想。
關鍵詞 GPS/GSM/GIS ARM7TDMI LPC2114 Jupiter-OEM Siemens-3508I
引言
本設計采用衛星定位技術（Global Positioning System 簡稱 GPS）跟蹤車輛位置，使用嵌入式ARM7TDMI控制核解算車輛實時地理信息（如經緯度、海拔高度、方向、速度、時間等）；應用GSM無線通信技術，組成星形監控網絡，使監控中心在電子地圖與數據庫的配合下最終實現對車輛的實時監控。
目前，根據對車載通信模式的不同，可分為三種類型：車載電臺模式，該模式速度快，保密性好，性能穩定，價格適中,但監控范圍小（<30KM）且無線通訊距離容易受到高層建筑物干擾；車載臺專線模式,從地方電信部門直接架設DDN 專線，這種模式穩定性最高，速度較快,可擴展性好，控制范圍大,但成本高昂,而且DDN 專線資源非常有限，此方案只適合大型用戶使用； SMS基站模式，收發雙方采用無線連接，控制中心通過基站與GSM 相連，通過話音信號或短信傳送數據，這種模式控制范圍大，成本低廉，但速度較前一方案稍差，適合中小型用戶使用。本文所述的監控系統采用SMS基站模式，通過短信傳送數據。
1. 系統總體結構
3G（GPS/GSM/GIS）車輛監控系統總體結構如圖1 所示。 整個系統由4 部分組成: GPS接收控制(車載) 、液晶顯示控制（車載）、GSM短信通訊控制(車載)和GSM/GIS監控中心。
1．1 車載電路設計
車載部分由GPS-OEM接收模塊(Rockwell公司的Jupiter TU30-D140-221/231)、飛利浦公司的ARM7TDMI控制核芯片LPC2114微處理器、GSM 信號收發模塊(Siemens3508i手機模塊)以及一塊240x128圖形點陣液晶（LCD）組成。（車載硬件電路如圖2所示）LPC2114 微處理器接收GPS-OEM板采集的衛星定位數據，通過算法解析出所使用到的NMEA-0183語句報文，并將數據存在已經確定好的存儲單元，以及FIFO隊列中，程序通過指針調用存儲單元，將車輛實時數據發送給液晶顯示模塊和GSM模塊，實現車內導航顯示以及監控中心的遠程監控。
1．1. 1 系統控制器設計
LPC2114是飛利浦公司推出的基于ARM7TDMI核的32位低功耗RISC微處理器芯片，主要應用領域為：工業控制、Internet設備、網絡和低功耗設備。LPC2114微處理器具有如下特點：[1]
16 kB 片內靜態RAM，128/256 kB 片內Flash 程序存儲器，128 位寬度接口/加速器可實現高達60 MHz 工作頻率；
2 個32 位定時器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）、實時時鐘和看門狗。
多個串口，包括2 個16C550 工業標準UART、高速I2C 接口（400 kbit/s）和2 個SPI 接口；
向量中斷控制器。可配置優先級和向量地址；
多達46 個通用I/O 口（可承受5V 電壓），9 個邊沿或電平觸發的外部中斷引腳；
2 個低功耗模式：空閑和掉電，雙電源CPU 操作電壓范圍：1.65~1.95 V(1.8 V± 0.15 V)I/O 操作電壓范圍：3.0～3.6 V(3.3 V± 10%)，可承受5V 電壓。
為了滿足本車載產品對外圍電路的復雜控制、系統的高速、穩定性、低成本、以及低功耗要求，故采用ARM7TDMI為處理器完成車載系統的核心控制。
設計32位ARM車載系統過程中，為了提高開發效率軟件性能。采用匯編語言進行啟動代碼的編寫，完成系統的初始化設置，如向量表定義、堆棧初始化、系統變量初始化、中斷系統初始化、I/O初始化、外圍初始化、地址重映射等操作。使用C語言完成主程序的具體功能編寫，如GPS報文解析、LCD液晶顯示、短消息通訊等功能。
啟動代碼設計時，一般都是在中斷向量表中放置一條分支指令或PC寄存器加載指令，實現程序跳轉到中斷服務例程的功能。例如：
系統在設計匯編代碼與C語言代碼連接時同樣采用如上的思想，將具體功能模塊化，通過直接調用語句，將程序跳轉到子程序部分（子程序可為匯編語言或C語言編寫），完成基本功能初始化。程序如下：
1．1. 2 GPS接收設計
Jupiter-OEM板采用NMEA-0183（美國海洋電子協會為海用電子設備制定的標準格式）通信標準格式。其格式定義為：比特率4800bit/s默認值)，其中語句有$GPGGA（位置測定系統定位資料語句）, $GPGSV（導航衛星資料語句）, $GPRMC（導航衛星特定精簡資料語句），$GPVTG（方向及速度等相關資料語句）等[2]。（GPS模塊接口說明如表1所示）
在GPS報文解析過程中，當LPC2114微處理器接收到GPS模塊衛星報文信息后，先判別是否為語句引導頭“$”，判斷為真然后再接收信息內容，引導頭判斷通過后再分析NMEA-0183語句頭標識，例提取“GPGGA”語句，接收到“GPGGA”ASCII碼后，開始存儲有用位置數據。當接收到“CR”“LF”回車換行字符ASCⅡ碼后結束接收，完成GPS報文接收。在存儲數據過程中，定義好數據指針位置，以及FIFO隊列長度，可以有效提高接收報文二次處理速度。（GPS報文提取程序流程如圖3所示）
1．1．3 GSM通訊設計
系統采用SIEMEN3508I手機模塊和FD5105CDMA通訊模塊完成短消息的收發任務。GSM的SMS（短信息業務）利用信令信道傳輸，這是GSM通信網所特有的。短信業務不需要建立撥號連接，把要發的信息加上目的地址發送到短信息服務中心，經短消息服務中心完成存儲后再發送給最終目的地。所以當目的GSM終端沒開機時信息不會丟失。每個短消息的信息量限制為160字節GPS報文一般為70個字節左右，完全在短信業務一條160個字節要求范圍之內，與其它無線通信技術相比具有費用低廉、覆蓋范圍廣泛、可靠性高、標準化強，技術成熟等優勢[4]。
利用GSM手機的串行接口，控制模塊負責解釋由監控中心發射來的指令,以及發送經過GSM07.05標準化后的GPS報文信息（數據以UNCODE形式）。此控制功能由LPC2114 ARM7TDMI微處理器來完成。實現對SMS的控制共有三種接入協議：Block Mode；基于AT命令的TextMode；基于AT命令的PDU Mode[5]。目前，PDU Mode應用最為廣泛，基本上全國所有的電信局都提供支持PDU Mode的短消息業務。為了保證系統具有廣泛的適用性，LPC2114微處理器以GSM模塊通訊采用PDU模式收發SMS。PDU模式下短信息正文經過十六進制編碼后被傳送。短信操作步驟及相關命令如下：
（1） 設置短信格式——AT+CMGF
（2） 設置短信存儲載體——AT+CPMS
（3） 設置短信息中心地址――AT+CSCA
（4） 設置短信接收提示方式——AT+CNMI
（5） 發送短信息——AT+CMGS
（6） 讀取短信息――AT+CMGR
1. 2 監控中心
1. 2. 1 監控中心組成
監控中心由GSM 模塊、GIS地圖監控軟件和數據庫3 部分組成。 GSM 接收模塊采用韓國Fidelix 公司的CDMA工業級模塊FD5105； 監控軟件以Visual Basic6.0軟件為開發工具以Mapinfo電子地圖為平臺，具有友好的人機界面，實現定位、顯示行車軌跡、查詢車主信息、分析報警級別、數據回放等功能；基于管理數據量過大，數據庫采用SQLServer軟件設計，以滿足數據的大量存儲和穩定性的需要。GSM模塊通過USB1.1接口與監控中心實現物理連接，在上位機軟件的支持下實現在圖形化界面上下達監控命令，經過程序處理后，利用AT 指令通過USB接口把指令串發送到指定的車載臺，車載臺SIEMENS3508I手機模塊接收到短信后，以中斷方式通知LPC2114微處理器，處理器按指令的要求完成一系列的動作(反饋認證報警信號、啟動語音振鈴、切斷機車油路等)。
1. 2. 2 GIS地圖監控軟件設計
GIS地圖監控軟件接收數據寫入SQLServer數據庫中，數據庫信息主要用于GIS地圖顯示及數據回放使用。GIS監控軟件通過調用電子地圖控件Mapx4.0控件，與電子地圖矢量三維座標匹配，將GPS解算數據直觀表現在電子地圖上。
2． 系統性能指標
整個車載系統的防震標準符合國家MIL-STD-標準，系統可同時容納監控＜2000臺車輛。
GPS接收機：
跟蹤方式：全視場（ALL－IN－VIEW）；
協議標準：NMEA－0183；
精度：二維定位：＜15M（差分定位：＜10M ）；
功耗：50mA；
GSM通信模塊：
網絡：GSM（SMS）:900MHZ；
短消息收發時間間隔：＜10s。
3． 結束語
3G車載遠程監控系統經過檢測，各項功能在晴天，夜晚，陰雨天氣條件下都能夠完成監控任務，二維定位平均精度<25m，完全能夠滿足部分民用需求。系統服務功能在下一步將進行擴展，如：使用差分技術修正GPS定位數據、利用慣導進行輔助GPS定位、結合語音芯片增加對車內的語音監控等。
參考文獻：
[1] 周立功等 ARM嵌入式系統基礎教程 [M]. 北京：北京航空航天出版社， 2005年1月第1版，
[2] 小雷數碼 GPS通訊的NMEA協議[Z]. www.p-links.com/bbs ，2003年7月：1~5
[3] Rockwell公司 Jupiter GPS Receiver [M].USA.Rockwell Company，1998年1月:1~36
[4]劉永臣，陳作智GPS GSM（SMS）移動車輛監控定位系統[J].信息技術，2000：3期，27~29
[5] 馬毅華 王偉 馮恩信 基于GSM短消息的集中抄表系統的設計與實現[J]. 空軍工程大學學報，2004年2月:第5卷（1期）77~79
作者介紹：
聯系電話：13072912273，029-83207619（第一作者聯系電話）
鄧春林(1980—)，男，漢族，四川蓬溪人， 西安工業學院光電研究所，碩士
研究方向：光電測試計量及儀器、激光導航制導與控制。
陳昊明（1976―），男，漢族，云南昆明人，第二炮兵工程學院，講師，碩士
作者單位：西安工業學院
地址：陜西省西安工業學院380信箱 710032
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