学士学位论文嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用研究.docx
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学士学位论文嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用研究
目录
一、设计题目1
二、设计背景及意义1
三、GPS简述2
3.1GPS组成及工作原理2
3.2GPS卫星信号特征与定位原理4
3.2.1GPS卫星信号及美国的SA和AS政策4
3.2.2GPS卫星定位的基本原理6
3.3GPS定位的基本方法7
3.4GIS简介8
4.1系统构成及原理9
4.2方案介绍10
4.3嵌入式处理器的选择11
4.4嵌入式Linux操作系统12
4.5GPS接收机的选择13
4.6无线通信方式的选择14
五、车载终端控制15
5.1GPS定位模块15
六、设计总结18
七、设计心得18
八、参考文献19
一、设计题目
随着全球经济的迅猛发展，交通紧张问题日益严峻，为此提出了ITS（智能交通系统）作为解决这一问题的全新方案。
车辆导航监控系统是ITS的重要组成部分，本设计题目就是嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用，以IlltelPXA255处理器为核心处理器，以嵌入式Linux系统为操作系统，结合USB摄像头，GPS接收机，CDMA无线传输模块等外设构建了基于嵌入式系统的多功能车载导航监控系统。
二、设计背景及意义
自从二十世纪六、七十年代以来，随着交通需求的日益增大，交通与环境、交通与能源之间的矛盾日益加剧。
世界各国都存在不同程度的交通拥挤和堵塞的现象，交通事故与日俱增，环境污染越来越受到人们的关注，这些都严重影响着社会经济发展和人民生活，以前那种简单的交通控制技术已经不能满足需求，交通事故和堵塞给人们带来了巨大的效率、能源和生命上的损失。
21世纪人类正进入以计算机、网络、卫星通信为特征的信息社会，人员流动的日益频繁使得每个人对空间信息有了更多的依赖，尤其是在户外和移动过程中对地理信息的需求更加迫切。
人们更加关心“当前我在哪里?
”、“目的地在哪里?
”、“如何到达?
”等问题。
随着我国国民经济的飞速发展，城市建设日新月异，但与此同时城市交通问题变的日益严重，己成为严重影响许多大中城市发展的重点问题之一，许多大中城市政府部门每年都要投入大量的人力、物力，用以改善和解决城市交通拥挤的问题。
人民生活水平的不断提高，使得拥有私车的人的数量迅速增加，这不但加剧了城市道路交通拥堵状况，同时也带来了车辆被盗事件的频发。
在研究如何解决上述问题的过程中，ITS（智能交通系统）应运而生。
它作为一种解决问题的全新方式在国内外迅速发展起来。
ITS是一种综合性的网络，是一种实现地理信息获取、管理、可视化分析、输出等的高效手段。
它与尖端科技领域的全球卫星定位技术（GPS）、通信技术、互联网技术以及其它应用领域有机结合，不仅为地理信息系统提供了良好的发展前景，同时也为这些应用领域提供了一套科学的解决应用问题的方法，不但可以提供全新、透明、可视、实时、互动、形象化的车辆跟踪、个人辅助导航等服务，而且提供车辆管理、行车路线调度、交通事故处理等辅助决策功能。
车辆导航监控系统是ITS系统的重要组成部分。
它将卫星定位技术（GPS），地理信息系统（GIS）以及现代通信技术融于一身。
主要功能是将装有GPS接收机的移动载体的动态位置（经度、纬度、高度）、时间、状态等信息实时的通过无线网络链接到指挥控制中心，而后在具有强大地理信息处理和查询功能的电子地图上进行载体运动轨迹的显示，并能对载体的准确位置、速度、运动方向、车辆状态等基本信息进行监控和查询。
电子地图数据库为车辆的监控管理提供了一个可视化的平台，GPS技术使车辆的实时定位成为可能，通信技术则在GIS和GPS之间架起了桥梁，使得远距离监控得以实现。
车辆导航监控系统可以在GPS和GIS系统的协助下借用先进的通信工具，对车辆进行实时路线监控，从而引导车辆避开拥塞路段提高道路交通通信能力，缓解交通拥挤和堵塞，使人们节约出行时间，减少开销。
综上所述，将GIS、GPS技术运用于我国的交通运输行业具有重要的现实意义。
它既可以提高交通运输的安全性、可靠性，又能改善服务质量，提高运输管理水平，创造良好的社会效益和经济效益。
三、GPS简述
3.1GPS组成及工作原理
GPS系统主要由三大部分组成，即空间卫星部分,地面监控部分以及用户接收部分。
（l）空间部分
空间卫星部分由空间运行的多颗卫星按一定规则组成GPS卫星星座。
GPS工作卫星共24颗，其中21颗卫星处于工作状态，3颗处于在轨备用状态，组成（21+3）GPS工作卫星星座。
GPS卫星均匀分布在6个倾角为55。
的轨道平面内，各轨道之间相距600，因此相邻两轨道之间的升交点赤经相差600。
同一轨道面内相邻两卫星间升交距相差900，相邻两轨道面上的卫星升交角比较，东边比西边超过30度。
GPS卫星的主要作用主要有以下三个方面:
1、接收地面注入站发送的导航电文和其它信号。
2、接收地面主控站的命令，修正其在轨道运行偏差及启用备件等。
3、连续的向广大用户发送GPS导航定位信号，并用电文的形式提供卫星自身的位置以及其它卫星的概略位置，以便用户接收使用。
GPS卫星的定位精度与被观测卫星的分布位置有关。
对于只能观测到4颗卫星的情况，因为在这一时间段内别无选择，其定位精度一般较差，这个短暂的时间段称为“时间间隙段”。
在时间间隙段内须用新型的GPS/GLONASS集成式接收机同时接收GPS信号和GLONASS信号才能消除“间隙段”的影响。
“间隙段”仅出现在极少数地区，而广大范围内不会出现这种情况。
（2）地面监控部分
GPS卫星作为一种动态已知点，其“已知数据”为表述卫星运动及其轨道参数的“卫星星历”，不可能也无需在卫星上设置庞杂的机构去测算和编制，而是由地面监控站测算好后编成电文形式发送给卫星，再由卫星转发至地面用户。
另外，卫星上各种设备是否工作正常，是否启用备件，卫星运行情况，是否需要纠正运行轨道以及使各卫星处于同一时间标准一一GPS时间系统等，都需要由地面站来完成。
GPS工作卫星的地面监测部分由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成。
主控站的作用是数据收集、数据处理、监测协调、控制卫星。
监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据。
利用环境传感器测出当地的气象数据。
然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态数据注入主控站，为主控站编算导航电文提供可靠的数据。
注入站与监控站一样，是无人值守的工作站，设有3.66m抛物面天线。
一台C波段发射机和一台电子计算机。
其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。
地面监控系统工作程序如图1所示：
图1监测系统工作流程图
（3）用户接收部分
用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。
GPS信号接收机，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解释出GPS卫星所发送的导航电文，实时的计算出观测站三维位置，甚至三维速度和时间。
按用途的不同，GPS信号接收机可分为导航型、测地型和授时型三种。
按携带形式的不同可分为袖珍式、背负式、车载式、机载式、弹载式和星载式。
按工作原理可分为码接收机和无码接收机，前者动态、静态定位都能用，后者只能用于静态定位。
按使用载波频率的多少可分为单频接收机（用一个载波频率L;）和用两个载波频率（L，、LZ）的双频接收机，以双频接收机为精度定位的主要用机。
对于车载型接收机，主要用于运动车辆的监控定位，可实时给出车辆的位置和速度。
这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为士25m，但其价格便宜，因而应用广泛。
3.2GPS卫星信号特征与定位原理
3.2.1GPS卫星信号及美国的SA和AS政策
GPS卫星播发的信号，包含载波信号、测距码、数据码等多种分量，它能满足多用户系统的导航、高精度定位的需要。
GPS卫星信号包含的载波、测距码（包含P码、C/A码）、数据码（导航电文、或称D码）都是在同一个基准频率f0=10.23MHz的控制下产生的。
GPS使用的L段载波有两种不同的频率，它们的频率和波长分别为:
L、载波:
fl=154xfo=1575.42MHz，入=19.03cm
L、载波:
f2=120xf0=1227.60MHz，入=24.42em
在载波L;上调制有C/A码、P码和数据码;在载波L:
上只调制有P码和数据码。
GPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的，由于伪随机码只有‘1’和‘0’，两种状态。
当码值取O时，对应的码状态为+1;而码值取1时，对应的码状态为-1。
载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制，此时码信号被加载到载波上，经过播发可供用户接收，GPS卫星的数据结构如图2所示。
图2GPS卫星数据结构
GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码，均属于伪随机码（PRN），这种二进制的数码序列不仅具有良好的自相关特性，而且又是一种结构确定，可以复制的周期性序列。
P码常用于精密导航和定位。
虽然P码的精度很高，但其结构不公开，专供美国军方特许用户使用，而C/A码的精度虽然较低，但码的结构是公开的，可供GPS接收机的广大用户使用。
GPS信号的产生如图3所示。
图3GPS信号产生原理图
SA技术，即有选择可用性技术，它是人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，故意降低GPS定位精度。
使C/A码定位的精度由原来的20m降低到loom。
As（Anti-Spoofing）技术即反电子欺诈技术，其目的是为防止敌方使用P码进行精密导航定位。
SA和AS技术的使用将对定位产生很大影响:
1、降低单点定位精度;
2、降低长距离相对定位地精度;
3、AS技术会对高精度相对定位数据处理、整周未知数的确定带来不便。
但鉴于GPS技术巨大的实用价值，美国将GPS向民用领域免费开放，同时于2000年5月1日起停止SA政策，即不再对民用定位码加入人为干扰，使民用定位精度大大提高。
3.2.2GPS卫星定位的基本原理
GPS卫星的定位原理是利用测绘学中的测距交会的原理确定点位。
在绕地球运行的人造地球卫星上装有无线电信号发射机，在接收机时钟的控制下，可以测定信号到达接收机的时间△t，进而求出卫星和接收机之间的距离;从为各项改正数。
但是，卫星上的原子钟和地面接收机的钟不会严格同步，假如卫星的钟差为ut，接收机的钟差为御，则由于卫星上的原子钟和地面上接收机的钟不同步对距离的影响为△s。
（式2.2）现在欲确定待定点P的位置，可以在该处安置一台GPS接收机。
如果在某一时刻ti同时测得了4颗GPS卫星A、B、C、D的距离,则可列出4个观测方程为:
图4为GPS卫星定位的原理示意图。
图4GPS卫星定位的原理示意图
由此可见GPS定位的实质就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知数据的起算数据，采取空间距离后方交会的方法，确定待定点的空间位置。
利用GPS进行定位有多种方式，如果就用户接收机天线所处的状态而言，定位方式分为静态定位与动态定位，如果按参考点位置的不同，又分为单点定位和相对定位。
（l）静态定位与动态定位
静态定位是指GPS接收机在进行定位时，待定点的位置相对其周围的点位置没有发生变化，其天线位置处于固定不动的静止状态。
此时，接收机可以连续地在不同历元同步观测不同的卫星，获得充分的多余观测量，根据GPS卫星的已知瞬间位置，解算出接收机天线相位中心的三维坐标。
动态定位是指在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态的定位。
动态定位是用GPS信号实时地测得运动载体的位置。
其特点是测定一个动态点的实时位置，多余观测量少，定位精度低。
（2）单点定位与相对定位
单点定位的实质就是空间距离后方交会，理论上取3个独立的距离测量便可，但是由于GPS采用了单程测距的原理，此时卫星时钟与用户接收机时钟不同步，将这种误差称为伪距。
其中卫星钟差可以用卫星电文中提供的钟差参数加以修正，而接收机参数只能作为一个未知参数，与测站的坐标在数据处理中一并求解。
因此，在一个测站上为求出4个未知参数，至少需要4个观测值。
相对定位又称差分定位，是采用两台以上的接收机同步观测相同的GPS卫星，以确定接收机天线间的相互位置关系的一种方法。
其最基本的情况是用两台接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，确定基线端点在世界大地坐标系中的相对位置或坐标差，在一个端点坐标己知的情况下，用基线向量推求另一待定点的坐标。
3.3GPS定位的基本方法
（l）伪距法定位
伪距法定位的原理是在某一瞬间利用GPS接收机同时测定至少4颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。
伪距法定位一次的精度并不高，但定位速度快，经几小时的定位也能达到米级。
（2）载波相位测量
GPS接收机接收到的卫星信号中，已用相位调制技术在载波上调制了测距码和卫星导航电文，所以载波己不在连续。
为此，在载波相位测量之前先进行解调以恢复载波相位。
（3）多普勒定位法
根据多普勒原理，当波源与观测者做相对运动时，观测者接收到的信号频率与波源发射的信号频率不同。
利用GPS卫星的较高的射电频率，由积分多普勒计数得出伪距差。
当采用积分多普勒计数法进行测量时，所需观测时间一般较长，同时，在观测过程中接收机振荡器要求保持较高的稳定。
3.4GIS简介
地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）是综合性技术，它已经与其他技术互相融合。
GIS应用需要利用和集成其他技术，同时，其它信息技术的应用也需要GIS。
GIS与其他技术的融合如下：
（1）GIS--CAD"CAD是一种计算机辅助制图和设计技术，主要面向工程设计，在图形数据的采集与编辑方面具有很强的功能，而GIS是一门空间综合管理技术，既可以管理空间位置，又可以管理空间对应的属性信息，并具有很好的对应关系。
（2）GIS遥感：
遥感技术的发展为GIS数据快速更新提供了一个有效的办法，当前In--SAR的发展更是GIS数据采集的革命。
同时，GIS应用的发展也提高了遥感的数据提取和分析能力。
随着高精度遥感的发展和遥感动态网络的出现，GIS与遥感的结合会更加密切。
（3）GIS--GPS：
GPS被认为是二十世纪影响人类社会12大技术之一，然而GPS如与GIS结合，才能普及它的应用，而不只是停留在大地测量领域，如智能化交通（ITS）中基于电子地图的车辆导航系统等，同时与GPS结合也提高TGIS动态分析的能力。
（4）GIS--Internet技术：
基于Internet技术的GIS，已成为GIS发展的重要方向，可以利用Internet在Web上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，从而使GIS的应用更加灵活。
（5）GIS--多媒体技术：
GIS也是一种重要的多媒体。
GIS与多媒体结合已经成为现实，在多媒体系统中嵌入GIS功能，或在GIS系统增加多媒体功能极大
地增强GIS交互能力并加大GIS提供的信息量。
（6）GIS--虚拟现实技术：
GIS与虚拟现实技：
GIS与虚拟现实技术结合，提高TGIS图形显示真实感和对图形的可操作性。
使用户能身临其地理环境中实现观察、触摸、操作和检测等。
四、系统总体方案设计
4.1系统构成及原理
本系统由车载GPS终端、通信系统、监控中心三大部分组成，见图3.3。
其中多功能车载GPS终端分布在各移动的车辆上，负责接收GPS卫星定位信息、，通过GPS接收机中的处理器解算出车辆所处的位置坐标。
坐标数据经处理后可以显示在本机上，同时通过CDMA模块，以短信的形式将车辆的位置、状态等信息发送至公网，公网将接收到的车辆定位信息传送至监控中心，在监控中心经过计算机系统的处理后与计算机系统上的GIS电子地图进行匹配，并在地图上动态显示坐标的正确位置。
同时，系统可以通过连接在终端上的视频采集设备（USB摄像头）对当前的图像以一定的速率采集并保存成视频信息以供日后事故鉴定之用，也可选择视频实时显示模式，作为辅助倒车之用。
此外，截取的关键视频图片还可以通过无线网络传送到监控中心，实现远程无线图像监控。
用户还可以通过连接在终端上的麦克风实现语音留言的功能。
系统在车辆导航监控系统中的应用监控中心部分的主要功能有:
（1）数据跟踪:
将车辆的各种实时行驶信息以列表的方式显示出来，以供查询。
（2）图上跟踪:
将移动车辆的定位信息在相应的电子地图背景上显示出来。
电子地图可任意放大、缩小、还原、移动，还可提供车辆的运行轨迹。
（3）信息查询功能:
为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等信息、，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。
（4）远程无线图像监控:
通过接收由CDMA无线网络传送来的车载终端发送的图像信息、，实现远程无线图像监控功能。
整个车载终端的硬件设计是在X-HyperXscalePXA255B开发板上完成的，扩展了一块USB子板用于连接USB摄像头，并用串口连接GPS接收板，用于接收GPS卫星定位数据。
总之，系统构成示意图如图5所示：
图5系统构成示意图
4.2方案介绍
本系统主要为解决机动车辆的导航调度、图像监控、关键信息存储等智能化管理问题而进行设计开发。
系统主要用于城市机动车辆的导航调度智能化管理，也可用于私人轿车的导航娱乐，同时也可作为高科技车辆防盗系统:
车主一旦发现车辆被盗，可以报失公安部门或相关管理部门，通过短信设定，启动程序，不断报告该车的地理位置，从而使公安机关可以迅速定位失窃车方位，将窃贼绳之以法。
系统采用Intel公司Xscale架构的PXA255处理器为核心处理器，操作系统选用嵌入式Linux系统。
本系统所包含的功能如下:
视频取证功能;卫星防盗功能;无线追踪功能;辅助倒车功能;语音留言功能等。
本章将对整个系统的软硬件方案作一个总体描述。
4.3嵌入式处理器的选择
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。
据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30多个系列。
但与全球PC市场不同的是，没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌入式系统市场。
设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有:
处理性能、技术指标、功耗、软件支持工具、是否内置调试工具、供应商是否提供评估板等，综合以上几点，决定采用Intel公司Xscale架构的PXA255处理器作为系统核心处理器。
IntelXsealePXA255处理器是新一代的32位嵌入式处理器，采用0.18um工艺制造。
内核采用ARMVersionSTE型指令结构，具有7级超流水线，其中T指Thumb指令集，E（DSP一Enhance）指加强的DSP指令集，能进行整数和浮点数处理。
具有犯K数据缓存/32K指令缓存等。
PXA255处理器除了采用Xscale体系的内核外，还具有以下特点:
（l）内核工作频率高:
200--400MHz
（2）系统存储器接口:
100MHzSDRAM
（3）支持大容量存储器:
可支持16/64/128和256MBoRAM技术，4个soRAM区，每个区支持64MB存储器，时钟允许支持多至6个静态存储器。
（4）时钟和电源控制器采用3.6864MHz振荡器，具有PLL和外围PLL，可产生各种工作频率。
32.768KHz振荡器可驱动实时时钟，电源管理器和中断控制器电源控制器可控制快速，运行，空闲和睡眠工作方式。
（5）接口资源丰富:
具有DMA控制器，LCD控制器，USB从机模块，支持USBI.嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用口标准，3个uART以及BluetoothuART，1个IZc总线接口单元，支持2个CMCI/CF卡插槽，多媒体卡控制器以及JTAG调试等模块。
由此可见，PXA255处理器是一款高性能、低价格、低功耗的RISC处理器，合于数字移动电话、个人数字助理、网络路由器等嵌入式应用场合。
4.4嵌入式Linux操作系统
为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。
嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。
嵌入式操作系统根据应用场合可以分为两大类:
一类是面向消费电子产品的非实时系统，这类设备包括个人数字助理（PDA）、移动电话、机顶盒（STB）等;另一类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时操作系统，如Wind形ve:
公司的VxW6rks、QNX系统软件公司的QNx等。
实时系统（RealTimeSystem）是一种能够在指定或者确定时间内完成系统功能，并且对外部和内部事件在同步或者异步时间内能做出及时响应的系统。
在实时系统中，操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关，也就是说，实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重后果。
Linux从1991年问世到现在，短短的十几年时间己经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一，不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。
嵌入式Linux（EmbeddedLimix）是指对标准Linux经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几K或者几M字节的存储器芯片或者单片机中，适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux操作系统。
嵌入式Linux的开发和研究是操作系统领域中的一个热点，目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是Linux。
Linux之所以能在嵌入式系统市场上取得如此辉煌的成果，与其自身的优良特性是分不开的。
（l）广泛的硬件支持
Linux能够支持x86、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC等多种体系结构，目前己经成功移植到数十种硬件平台，几乎能够运行在所有流行的CPU上。
甚至可以在没有存储管理单元（MMU）的处理器上运行，这些都进一步促进了Linux以在嵌入式系统中的应用。
（2）内核高效稳定
Linux内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，Linux的内核设计非常精巧，分为进程调度、内存管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络接口五大部分，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。
这些特性使得Linux系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需要。
（3）开放源码，软件丰富
Linux是开放源代码的自由操作系统，它为用户提供了最大限度的自由度，由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和优化，因而获得源代码就变得至关重要了。
Linux的软件资源十分丰富，每一种通用程序在Linux上几乎都可以找到，并且数量还在不断增加。
在Linux上开发嵌入式应用软件一般不用从头做起，而是可以选择一个类似的自由软件做为原型，在其上进行二次开发。
（4）优秀的开发工具
开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调试工具。
传统的嵌入式开发调试工具是在线仿真器（In一CireultEmulator，ICE），它通过取代目标板的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，从而使开发者能够非常清楚地了解到程序在目标板上的工作状态，便于监视和调试程序。
在线仿真器的价格非常昂贵，而且只适合做非常底层的调试，如果使用的是嵌入式Linux，一旦软硬件能够支持正常的串口功能时，即使不用在线仿真器也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省了一笔不小的开发费用。
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