1 引言 車輛在我國(guó)越來(lái)越普及，車輛的安全管理問題也因此越來(lái)越受到關(guān)注。目前，我國(guó)很多部門和系統(tǒng)中的車輛都缺乏有序的管理，甚至呈現(xiàn)比較混亂的局面。比如在郵政系統(tǒng)中，利用郵政車輛私運(yùn)貨物的現(xiàn)象較為普遍地存在。在公交、出租、客運(yùn)等行業(yè)，同樣存在著對(duì)車輛進(jìn)行協(xié)調(diào)、管理、調(diào)度、監(jiān)控等要求。GPS車載定位系統(tǒng)利用GPS的全球定位能力和現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（GSM或GPRS）的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度中心對(duì)車輛的跟蹤定位、管理調(diào)度以及安全監(jiān)控。典型的車載定位系統(tǒng)主要由定位終端和監(jiān)控中心兩部分組成。其中車載終端是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文介紹作者參與的GPS車載定位系統(tǒng)中車載定位終端的設(shè)計(jì)。該終端已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用。本終端在設(shè)計(jì)上采用新穎的雙CPU設(shè)計(jì)，有效地解決了終端難以長(zhǎng)時(shí)連續(xù)運(yùn)行的問題。 2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 車載終端的主要功能包括兩個(gè)方面，一是通信功能：能夠利用終端獲取來(lái)自監(jiān)控中心的各種信息，這些信息絕大部分是中心對(duì)終斷發(fā)出的指令，而終端也必須能夠迅速地對(duì)中心做出回應(yīng)并給出報(bào)告；二是監(jiān)控：獲取中心的命令后，終端要能夠根據(jù)指令的要求對(duì)車輛的狀況作出檢測(cè)，并在需要時(shí)對(duì)車輛加以控制。對(duì)于通信功能，終端主要通過一個(gè)OEM的工業(yè)手機(jī)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用該模塊不僅能夠滿足這一功能需求，配合一個(gè)車載手柄，能夠完全實(shí)現(xiàn)一個(gè)車載手機(jī)的功能，用戶可以利用該手柄任意收發(fā)短訊或撥打、接聽電話，而并不僅僅局限于終端同中心之間的通信。對(duì)于監(jiān)測(cè)功能，中心所需的絕大部分信息來(lái)自終端帶有的一個(gè)全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊，該模塊能夠提供終端（也即車輛）所在的時(shí)間、所處的地理位置、行駛的速度和方向等信息。另一部分中心所需的信息，部分利用專用傳感器，如油箱內(nèi)油量狀態(tài)和使用情況的探測(cè)，部分則簡(jiǎn)單的通過一個(gè)模擬信號(hào)接入端口來(lái)實(shí)現(xiàn)，如車門的開閉、發(fā)動(dòng)機(jī)是否啟動(dòng)等。終端對(duì)車輛控制的則利用一組繼電器，通過輸出不同電平進(jìn)行控制，作者設(shè)計(jì)的車載終端還可以與市場(chǎng)上現(xiàn)有的各種車載防盜器相連，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)車輛的監(jiān)測(cè)和控制功能。當(dāng)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能稍微復(fù)雜時(shí)，終端還會(huì)集成一個(gè)存儲(chǔ)器模塊（一般使用FLASH模塊），用于實(shí)現(xiàn)固定信息的存儲(chǔ)和行駛軌跡的記錄，并能夠通過一個(gè)RS232接口實(shí)現(xiàn)對(duì)該存儲(chǔ)器的讀寫，此舉也能夠節(jié)省一筆通信費(fèi)用。 以上所提到的GSM模塊、GPS模塊、車載手柄以及防盜報(bào)警器以及FLASH，通過一片高性能的單片機(jī)作為控制器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的全面控制?？刂破魍ㄟ^UART口分別編程控制GSM、GPS和手柄，利用通IO口實(shí)現(xiàn)狀態(tài)輸入和控制輸出，并實(shí)現(xiàn)和防盜報(bào)警器的互聯(lián)，利用AD通道接入傳感器。需要說明的是，多數(shù)單片機(jī)只有一個(gè)或二個(gè)串口，本系統(tǒng)控制三個(gè)模塊需要三個(gè)串口，同時(shí)還須為FLASH擴(kuò)展一個(gè)232接口，因此有必要對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展，或者通過復(fù)用的方式編程實(shí)現(xiàn)，后者難度稍大一些，本系統(tǒng)采用的后一個(gè)方案。方案中還采用了一個(gè)小型CPU來(lái)對(duì)系統(tǒng)控制器進(jìn)行管理，在文中稍后予以詳細(xì)說明。 圖1所示為作者設(shè)計(jì)的車載定位終端硬件設(shè)計(jì)框圖。 [b]3 硬件的選擇 [/b] 3.1 控制器的選取 MSP430F149是TI公司生產(chǎn)的一種Flash型超低功耗16位單片機(jī)，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、可靠性高等特點(diǎn)，能適應(yīng)工業(yè)運(yùn)行環(huán)境，特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。在控制器的資源方面，MSP430F149帶有兩個(gè)UART口。其中UART0供GPS和手柄進(jìn)行復(fù)用，同時(shí)擴(kuò)展的232接口也用這個(gè)串口，UART1用于GSM模塊；MSP430F149還帶有12位AD通道，方便模擬信號(hào)接口的設(shè)計(jì)。綜上，我們選擇MSP430F149作為系統(tǒng)的主控制器。 3.2 GPS模塊 本車載終端采用的GPS模塊是Holux GR-85，支持NMEA0813 V2.2版本數(shù)據(jù)協(xié)議即輸出數(shù)據(jù)為ASCII碼。具體含義可參考其應(yīng)用手冊(cè)。數(shù)據(jù)輸出格式采用推薦定位語(yǔ)句：RMC語(yǔ)句。該定位語(yǔ)句數(shù)據(jù)包涵時(shí)間、經(jīng)緯度、速度、方向以及定位數(shù)據(jù)是否有效等參數(shù)，定位數(shù)據(jù)的刷新頻率是1Hz。 3.3 GSM模塊 終端采用Siemens公司的TC35I工業(yè)GSM模塊，該模塊的接口為40芯的ZIF連接器。其接口電路主要包括電源和啟動(dòng)電路、RS232接口、SIM卡連接口、語(yǔ)音接口等幾個(gè)部分。另外模塊帶有一個(gè)50Ω的天線連接器。 [b]4 設(shè)計(jì)的要點(diǎn) [/b] 4.1 SIM卡的連接 系統(tǒng)中，TC35I模塊工作在4.5V電壓下，系統(tǒng)上電后必須在ZIF連接器的15腳（/IGT）加時(shí)長(zhǎng)100ms以上的低電平，且信號(hào)的下降時(shí)間應(yīng)小于1ms，否則模塊不能正常啟動(dòng)。啟動(dòng)后15腳應(yīng)保持高電平。啟動(dòng)后終端便可向模塊串口發(fā)送AT指令對(duì)模塊進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)初始化、短消息發(fā)送、語(yǔ)音通話等功能。模塊提供了ISO 7816-3 IC Card標(biāo)準(zhǔn)兼容的SIM接口，額外的CCIN引腳用于指示SIM卡是否連接上，由于目前移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所提供的SIM卡均不提供該信號(hào)，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)將CCIN與CCVCC相連，考慮到對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量的影響，SIM卡的CCGND端通過電容和電感耦合到GSM地，為SIM卡提供一個(gè)隔離地，以屏蔽其它信號(hào)線對(duì)SIM卡的影響。圖2給出了SIM卡的連接電路。 4.2 雙CPU設(shè)計(jì) GPS終端工作在車載條件下，電源取自車輛蓄電池，在點(diǎn)火、熄火等情況時(shí)常常受到較大的沖擊，為了隱蔽防盜還常常將終端塞進(jìn)車輛前控制臺(tái)內(nèi)部，或放入后備箱深處，受到車輛電路的電磁干擾非常嚴(yán)重，且環(huán)境溫度也較高。在如此惡劣的環(huán)境下，要想保證系統(tǒng)不會(huì)死機(jī)，必須采取一定的措施。本系統(tǒng)采用了雙CPU設(shè)計(jì)，由一塊從CPU芯片對(duì)MSP430F149進(jìn)行管理，其作用是：1充當(dāng)硬件看門狗，在一個(gè)設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)之內(nèi)不能同主CPU握上手，則重啟系統(tǒng)；2管理整個(gè)系統(tǒng)的電源，該從CPU可以切斷或接通系統(tǒng)其它部分的電源；3系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，在檢測(cè)到系統(tǒng)空閑條件下定時(shí)給系統(tǒng)斷電重啟，以保持系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。 [b]5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) [/b] 5.1 模塊的軟件控制 單片機(jī)對(duì)GSM模塊TC35I的控制，是通過向其串口發(fā)送AT命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每款模塊都有對(duì)應(yīng)的AT命令集。通過單片機(jī)UART口發(fā)送具體AT命令的ASCII碼。例如設(shè)置短信中心號(hào)碼AT+CSCA=“+8613800731500”，要發(fā)送一條內(nèi)容為“ABCD”的短信息，首先設(shè)置短信發(fā)送為TEXT模式AT+CMGF=1，然后發(fā)送對(duì)方號(hào)碼AT+CMGS=“XXXX（目的號(hào)碼）”，等模塊返回正確信息后，再發(fā)送短信內(nèi)容ABCD。本系統(tǒng)中除了使用車載手柄發(fā)送中文短信時(shí)必須采用PDU模式，絕大部分情況下的命令和數(shù)據(jù)的收發(fā)都不涉及中文字符，因而采用TEXT模式。 單片機(jī)對(duì)GPS的控制并不復(fù)雜，只需定時(shí)或在需要時(shí)向模塊串口讀取定位數(shù)據(jù)即可，定位數(shù)據(jù)采用默認(rèn)的推薦定位信息$GPRMC格式語(yǔ)句，具體形式為$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>＊hh，其中<1>至<12>為信息內(nèi)容，包括經(jīng)度、緯度、速度、方向等，并以逗號(hào)隔開，hh為整個(gè)語(yǔ)句的校驗(yàn)和。如果系統(tǒng)需要GPS信息，便會(huì)在檢測(cè)到RMC語(yǔ)句出現(xiàn)時(shí)，讀取其有效信息部分。 5.2 終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 終端軟件設(shè)計(jì)與終端所實(shí)現(xiàn)的功能密切相關(guān)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能較為復(fù)雜，系統(tǒng)軟件所遵循的流程大致為：初始化——〉語(yǔ)音功能處理——〉短信命令讀取——〉手柄命令獲取——〉命令執(zhí)行——〉車輛狀態(tài)監(jiān)控——〉短信報(bào)告發(fā)送。也就是說，系統(tǒng)在初始化后，循環(huán)對(duì)語(yǔ)音通道的使用狀態(tài)、短信命令和手柄命令的送達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)到由語(yǔ)音請(qǐng)求（或中斷請(qǐng)求）、短信命令或手柄命令到達(dá)，系統(tǒng)將執(zhí)行該命令，并向中心返回報(bào)告。有些命令的執(zhí)行可能需要循環(huán)執(zhí)行，如定時(shí)每分鐘向中心報(bào)告位置信息500次、定時(shí)向FLASH中記錄行駛軌跡等命令。因此在沒有命令送達(dá)時(shí)系統(tǒng)仍然根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志的判斷來(lái)繼續(xù)執(zhí)行或終止終端之前接受的命令。系統(tǒng)同時(shí)要負(fù)責(zé)對(duì)車輛的安全狀況和行駛狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如在開啟圍欄功能時(shí)，車輛在進(jìn)出入某一圍欄區(qū)域是都要對(duì)中心進(jìn)行報(bào)告，開啟路線功能時(shí)，車輛一旦偏離路線也要向中心匯報(bào)，等等。此外，終端還須實(shí)現(xiàn)一系列功能，這些功能并不容易用一個(gè)簡(jiǎn)單的流程表達(dá)清楚，例如，外部命令要求讀取FLASH中的歷史軌跡數(shù)據(jù)，或外部計(jì)算機(jī)向終端FLASH寫入圍欄和路線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)這些功能時(shí)，終端可能暫停其它功能的執(zhí)行，直至操作完畢時(shí)再繼續(xù)執(zhí)行這些功能。系統(tǒng)的總流程篇幅過于龐大，這里給出其中一個(gè)模塊:初始化模塊的功能流程，如圖3所示。 6 結(jié)束語(yǔ) GPS車載定位系統(tǒng)已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)與地理信息技術(shù)（GIS）以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)車輛的可視監(jiān)控。在中心的電子地圖上可以清晰地顯示每一輛車的位置及各種狀態(tài)。未來(lái)的“可視”概念還在進(jìn)一步深化，安裝了攝像頭的終端利用GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)真正的可視監(jiān)控。另外，終端的防盜功能越來(lái)越完善，在私車的應(yīng)用市場(chǎng)也有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)經(jīng)過廣泛的驗(yàn)證室可行的。以GPS-GSM的構(gòu)架為基礎(chǔ)，本文給出了車載終端設(shè)計(jì)的一個(gè)有效、可靠、低成本的解決反案。 [b]參考文獻(xiàn)： [/b]1． 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī). 北京航空航天大學(xué)出版社. 2001 2． 劉濤, 張春業(yè), 韓旭東等. 基于手機(jī)模塊TC35的單片機(jī)短消息手法系統(tǒng). 電子技術(shù). 2003 3． Elliott D Kaplan. GPS原理與應(yīng)用 .電子工業(yè)出版社. 2001 4． 馮悅, 李小民, 馮振聲. GSM技術(shù)在GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息. 1999 作者簡(jiǎn)介： 房鶴，男，1984年5月出生，長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院在讀碩士，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代傳感器技術(shù)及系統(tǒng)。 編輯:何世平