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基于微处理器LPC2214和GPS接收器实现车载导航终端的设计

关键词:微处理器LPC2214 GPS接收器 车载导航终端

时间:2022-05-07 09:26:54      来源:单片机与嵌入式系统应用

本文介绍了一种基于ARM处理器、支持GPRS、低成本的车载导航终端,并对其中所涉及的硬件设计方案给出了详细的描述。

作者:杜伟;杨福兴;晏磊

GPS在中国已经有十几年的发展历程,但在民用领域却一直投有大的突破。最近几年,GPS民用的前景已经越来越清晰,用户需求正在上升。目前有两种应用被看好:一个是民用导航终端,特别是车载系统;男一个是基于手机的移动定位服务。

导航是LBS(Location Based Services)应用在汽车上的主要方式。目前我国已经有汽车导航的实际应用,一种是“GPS接收机+简化版的GIS引擎+地图数据”的模式,通过GPS接收机获取定位信息,然后调用本机存储的地图,将定位信息映射到电子地图上实现导航功能。这种模式虽然比较方便快捷,但也有其自身的局限性,例如成本较高、地图资源不能共享、无法做到动态的地图更新。还有一种是“GPS接收机+GSM模块十短信业务”的模式,通过GPS接收机获取定位信息,以短信的方式将定位信息发送至控制中心,再通过GSM模块拨打中心电话,以语音方式得到导航信息。这种模式成本较低,信息准确,但短信一般有延时;实验表明在网络延时不大的情况下单向传输一条140字节的短信,传输延时为6s的累计概率为92.86%,而且打电话获取导航信息的速度太慢,操作也不方便。而这些问题通过与运营商已有的通用分组无线业务GPRS结合可以得到较好的解决。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,而不需要利用电路交换模式的网络资源,从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务,特别适用于间断的、突发性的和频繁、少量的数据传输,也适用于个别的大数据量传输。因此,车载终端选用高性能的处理器,通过GPRS与信息中心通信,完全可以实现远程地图下载与自主导航。

本文介绍了一种基于ARM处理器、支持GPRS、低成本的车载导航终端,并对其中所涉及的硬件设计方案给出了详细的描述。

1 LBS系统模型与车载导航服务终端介绍

1.1 LBS系统模型

LBS系统主要由全球定位系统、移动终端、无线通信网络和信息服务中心组成,如图1所示。图中GPS卫星提供定位信息,是整个LBS系统得以实现的关键;移动终端主要用来获取位置信息,发出位置服务申请以及解读导航信息;G3SM通信网络用于实现移动终端和信息服务中心的通信;信息服务中心是定位服务系统的核心,负责与移动终端的信息交互和各个分中心的网络互连,完成各种信息的分类、记录和转发以及分中心之间业务信息的流动,并对整个网络进行监控。

1.2 终端功能

本终端采用车用电源供电,接通电源后,各模块自动启动。该终端具有以下功能:GPS定位功能;远程电予地图实时下载;定位信息和地罔数据的实时显示;主控芯片可以进入掉电模式,降低功耗,按下相应功能键能够立即唤醒主控芯片。

1.3 终端主要模块

GPS模块采用瑞士u-blox公司的TIM-LH。该GPS接收器可以在天空视野有限的区域内提供动态条件下的精确导航,定位精度半径可达2.5m;有2个全双工串口,支持NMEA、RBX和RTCM串口协议。集成度很高,大小是25.4 mm×25.4mm,高度只有3mm。

GPRS模块选用法国Wavecom公司推出的Q2406A。该模块支持900/1800MHz两种频带,所在频段功率分别为2W(900MHz)和1W(1800MHz),支持WAP(Wireless Application Protocol)、IrDA 1.2A协议和GPRS;有AT数据集接口,支持数据、语音、短信、传真服务等,其数据下载速率可达53.6 khps,上传速率可达26.8 kbps。

本终端使用ARM微处理器作为主控芯片,结合GPRS,实现实时地图下载与快速处理。LPC2214是Philips公司推出的基于ARM7TIDMI(Thumb)内核的16/32位微处理器,128位的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大速率时钟下运行;其高速计算能力为地图数据的快速处理提供了保障,性价比远高于普通单片机。LPC2214具有8/16/32位的外部存储器接口,可对4个外部存储器进行配置,每个存储器可达16 MB,为大量数据存储和嵌入式操作系统的下载提供了条件;而且该芯片具有功率控制模块,当暂时不需要导航时可使终端进入掉电模式,大大降低了功耗。另外,浚芯片有两个串口,内嵌片内可编程锁相环PLL,CPU最高工作频率可达60MHz。

2 车载导航服务终端关键硬件设计与分析

车载导航服务终端的硬件结构如图2所示,LPC2214的串口O与GSM/GPRS模块连接,串口l与GPS模块连接。液晶显示器(LCD)通过并行方式与ARM芯片连接,采用8位数据传输方式;键盘采用矩阵扫描的方式,由8根GPIO端口线控制。

终端上电以后,通过软件设置登录GPRS;GPS模块接收到GPS数据后通过串口1自动向主控芯片发送;主控芯片收到GPS数据后选择需要的信息,并将定位信息显示在LCD上。需要周边地图信息时,按下相应的功能键,主控芯片扫描到键盘信号,将定位信息通过串口0传递给GSM/GPRS模块,并以短信的形式发送到信息服务中心,通过GPRS下载周边地图数据,主控芯片通过串口0读取地图数据,处理后在LCD上显示,实现自主式导航。

2.1 电源电路的设计与分析

2.2 GPS模块外围电路

GPS模块TIM-LH上电后通过串口向外发送GPS数据,数据格式有RMC(Recommended Minirnum SpecificGNSS Data)、GGA(Global Positioning System Fix Data)等,可以根据需要编程遗择相应格式的数据。TIM-LH芯片串口1的默认波特率是9 600 bps,串口2的默认波特率是57 600 bps,可通过软件改变;如果不使用某个串口,则对应的串口输入端应接上拉电阻。

TIM-LH的外围电路原理图如图4所示。外部复位端口REXET_N低电平有效,非常敏感,如果不用,则将其置空。不能接高电平。TIM-LH模块上电之后自动复位,通常复位信号是在模块工作不正常的情况下使用,在设计中,使用控制电源的方式来复位就可以了,这样控制起来会更加灵活、可靠;而且模块出现死机的现象很少,若希望进行重启动,则也可通过程序使用命令来控制。在设计PCB时应将GPS芯片周边区域敷铜,以屏蔽外界干扰。

2.3 GSM/GPRS模块与处理器接口设计和SIM卡接口电路

GSM模块与ARM芯片之间通过标准的串行口通信,最高波特率可达115 200 bps。处理器LPC2214的串口输出的电平是3.3V,中间需要进行电平转换,选用MAXIM公司的MAX3232来实现。LPC2124与GSM模块之间的串口通信采用最简单的三线接法,即地、发送数据和接收数据3个端口相连,接收数据和发送数据端口要彼此交叉。

GSM模块与SIM卡之间主要通过SIMCLK和SIM-DATA信号线进行数据通信,SIM卡接口电路的原理图如图5所示。在设计PCB时要注意,为了提高稳定性,GSM模块的连接器和SIM卡座的引脚之间的距离不要超过20cm。此外,为达到最佳效果,应在SIM支架下敷铜,敷铜与SIM卡的GND引脚相连;SIMVCC和SIMGND之间的电容C101和C102要离引脚尽量近,以满足规范要求。在选择SIM卡时要选择支持GPRS业务的,并开通GPRS业务。

2.4 LPC2214外围电路设计的关键

在设计LPC2214外围电路时,特别要注意P0.14引脚的使用。Flash boot装载程序代码在器件上电或复位时执行。装载程序可执行ISP命令处理器或用户应用代码;复位后PO.14的低电平被认为是启动ISP命令处理器的外部硬件请求。如果P0.14采样到低电平并且看门狗溢出标志置位,则启动ISP命令处理器的外部硬件请求将被忽略。如果没有外部请求(P0.14复位后采样为高电平),那么将搜索有效的用户程序。若找到有效的用户程序.执行的控制就转移给用户程序;若没有找到,那么就调用自动波特率程序。

引脚P0.14作为ISP硬件请求时,由于P0.14在复位后处于高阻模式,因此用户需要提供外部硬件(上拉电阻或其他器件)使引脚处于一个确定的状态;否则,可能导致非预期地进入ISP模式。

此外,由于使用外部晶振,在PCB设计时晶振应与芯片的振荡器输入、输出引脚尽量靠近,以减小外部干扰的影响。

3 硬件电路的调试

调试电路板重点应放在整体性、全局性连线的错误排查,如电源线的短路、错接等。在调试串口时可以将电路板上的串口线引出,通过与计算机的串口通信来调试终端的各个串口,需用注意的是计算机的串口是标准的RS-232串口。其中,对GSM/GPRS模块的调试是通过AT指令来完成的。对串口调试完成以后,就可以设计软件程序来测试电路的性能。图6描述了GPS模块接收到的定位信号。

4 结论

本文介绍了基于ARM的车载导航服务终端的硬件设计。终端的软件推荐使用C语言编写,可以自己从底层开发,也可以裁剪μClinux操作系统进行更高级的开发,使终端具有更强大的功能和更友好的界面。试验证明,该终端的硬件设计方案是可行的,登陆网络只需5s,数据下载速度可达38.4kbps,上传速度可达19.2kbps。随着GPRS服务的进一步完善,车载导航服务终端必然会向支持远程电子地图更新,实时图像通信的方向发展,因此该终端将会有广阔的应用前景。

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