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纯净的硅(高级)

基于PC/104的GPS车辆定位系统设计

1 引言

为了缓解现代城市交通的压力,近年来出现了将最新的GSM(全球移动通信系统)、GPS(全球定位系统)、GIS(地理信息系统)系统与计算机网络技术相结合的ITS智能交通系统。通过此系统可以合理利用和充分发挥现有道路的交通潜力,有效解决交通拥挤的现象。借助于高科技手段,ITS系统可以对机动车辆实施管理、调度、救生、咨询或进行防盗等多种功能,幅度提高交通管理质量。对集团用户则可以提高车辆的营运效率,降低营运成本。

为了实现ITS智能交通系统,如何进行车辆定位是一个关键性的问题。GPS车辆定位系统,是借助GPS全球定位系统为机动车辆提供定位信息的系统。GPS系统可以提供全球覆盖、全天候、免费的高精度标准授时/导航定位服务,通过车载GPS接收机可以实时地获得车辆的经纬度位置和时间等关键信息。也正因为此,GPS系统成为当前车辆定位的首选方案。车辆定位系统将GPS系统获得的经纬度信息进行地图匹配,以确定车辆在城市交通道路中的具体位置。 本文将PC/104嵌入式计算机应用在GPS车辆定位系统设计中,讨论了系统的软硬件设计。2 GPS车辆定位系统工作原理 GPS车辆定位系统的工作原理如图1所示。

从图1可以看出GPS车辆定位系统与GPS系统、定位业务,以及GIS系统的应用密不可分。以下将对它们的研究现状加以简要介绍。

2.1 GPS全球定位系统

GPS原名“导航星”(NAVSTAR)系统,1993年12月8日由美国国防部建成并投入运营。该系统将24颗卫星分布在6个等间隔空间轨道上,其中有三颗备用星。这种分布可以保证全球任意地区、任何时刻都处于不少于4颗卫星的观测之下。GPS接收机通过天线接收卫量信号和导航电文,然后进行码测量或相位测量,依据导航电文提供的卫星位置和钟差改正信息,就可确定4个导航参数:纬度、经度、高度和时间,从而实现定位和导航。GPS接收机仅接收数据,因此在同一地区可以有任意数目的用户接 GPS信号。

2.2 定位业务(LCS)

移动通信发展到今天,最能体现它勃勃生机的地方在于其丰富多彩的数据业务和增值业务。移动定位业务作为移动通信网的一种增值业务,在这一发展机遇下也悄然兴起。据预测,到2004年,在各种移动通信业务用户数排名中,定位业务用户数将位居第二,成为仅次于语音业务的增值业务。美国联邦通信委员会(FCC)早在1996年,就规定美国的移动通信公司必须在2001年前为每位拥有手机的用户提供定位业务,使这些用户能够用手机拨打911紧急救援电话(相当于中国的110电话)。FCC还对所要提供的位置精度作了规定。由于定位业务的深远影响,GSM的标准组织ETSI也委托美国的T1P1为GSM制定Phase 2+的定位业务标准,并已纳入到ETSI的标准当中,同时,AMPS、CDMA、寻呼系统等移动通信系统都在积极开发定位业务,许多厂商已经开发出了许多定位设备,提供精度越来越高的定位业务。它的应用前景主要集中在以下几点:紧急救援、车辆导航和智能交通系统(ITS)、工作调度和团队管理、移动黄页查询、与距离有关的计费等。

2.3 GIS地理信息系统

GIS地理信息系统能以一个空间信息为主线,将其它各种与其有关的空间位置信息结合起来,是以计算机为手段,对具有地理特征的空间数据进行处理的软件系统。GIS的用途十分广泛,可以为各类应用目的服务,例如交通、能源、农林、水利、测缓、地矿、环境、航空、国土资源综合利用等等。在未来“数字地球”的建设中,GIS将起到十分重要的作用。研究GIS的理论与技术、开发GIS软件产品以及推进和深化GIS各类应用已经成为国内外科技界和产业界的一大热点。

GIS的理论基础主要有两大支柱:地球科学和信息科学。前者涉及地物空间信息及其关系信息的获取、分类模型及语音表示中的理论问题和实践问题,后者则涉及信息的组织、存储、处理、可视化表示及传输中的理论问题和实践问题。GIS的技术基础包括遥感技术、定位技术和信息技术的各个方面。其发展趋势之一是OpenGis(开放地理数据互操作);发展趋势之二是全关系化,其目标就是大大提高空间数据的建设、分析速度,大大简化GIS应用软件的设计。GIS发展的总趋势是从以系统为中心向以数据为中心发展。并且,GIS/GPS技术的一体化一直是GIS技术界努力的方向。

在车辆定位系统中,需要电子导航地图来描述城市道路交通信息,而电子导航地图即属于GIS地理信息系统的一种应用。

3 GPS车辆定位系统软硬件设计

3.1 硬件设计

车载设备的具体工作环境要求GPS车辆定位系统的体积要尽可能小、可靠性要尽可能高。因此,系统硬件核心部分适宜选择某种嵌入式计算机。随着计算机技术的飞速发展,在产品中嵌入微机作为控制器已开始随处可见。由于PC体系结构的广泛流行,与PC兼容的软件、硬件、外设和开发工具都比其它体系结构更丰富、更便宜,将PC体系结构用于嵌入式应用就意味着能够大幅度地降低开发成本、减小风险及缩短开发周期,而且减少了许多令人头疼的系统维护和技术支持。

PC/104计算机可以满足以上要求,它体积小、集成度高,提供与PC总线在体系结构、硬件和软件上的完全兼容,而且结构紧凑的栈接式模块很适合嵌入式控制应用的独特要求。由于使用CMOS器件,PC/104模块功耗低,不存在散热问题,工作温度范围宽(0~70℃);结构紧固,非常紧凑,所占面积只有90mm×96mm,超小的体积使安装和携带都很方便;减少了产品部件的数量;由模块构成的系统,直接叠装,无需机箱和底板;并且具有良好的抗冲击、抗震特性。已有的PC/104模块为构造嵌入式系统提供了种类繁多的各种构件,它能高集成性和可模块化的结构适用于多种应用。

现在市场上销售的PC/104计算机型号一般都在486以上,具有两个串行口和一个并行口。在GPS车辆定位系统硬件设计中,可以将两个RS232串行口分别用于GPS接收机数据接收和RTCM104差分GPS修正扩展。一个并行口可外接液晶显示屏。通过配套的万用键盘接口,可以将薄膜键盘扩展成用户键盘直接连接在PC/104的标准键盘接口上使用。此外,PC/104还可以选择各种容量的固态盘芯片和电子盘作为数据存储硬盘使用。

系统硬件设计原理图如图2所示。


GPS车辆定位系统在完成地图匹配后,需将行车路径显示在液晶屏上。如果需要,还可显示时间、精度、纬度及海拔等观测量。此外用户可以通过发送指令完成地图缩放和信息查询;记录和维护历史轨迹,支持轨迹重放(即能够通过液晶显示器显示车辆在某一段时间行走的轨迹);接受并处理报警信息等。通过通信网传输车辆的位置信息,还可以完成机动车辆实施管理、调度、救生、咨询或进行防盗等多种功能。

3.2 软件设计

GPS车辆定位系统软件编制工作主要集中在GPS信号接收、电子导航地图的开发与管理,以及地图匹配和定位信息显示等几个方面。其中难点在于电子导航地图的开发与管理,这属于GIS系统范畴,其开发形式主要有三种:

①自主设计电子导航地图的数据结构和数据库,利用Visual C++、Visual Basic等编程语言开发GIS系统软件。这种开发形式要求必须具备雄厚的科研力量和巨额的开发费用。 ②引进国内外先进的GIS系统软件,利用其提供的二次开发工具,结合自己的应用目标开发。这种方法比较简单易行,主要缺点是移值性差,并且受开发工具的限制,不能脱离原系统软件环境而独立运行。 ③利用支持对象技术的高级语言和GIS厂商提供的控件构成面向最终用户的可执行应用程序。利用这些控件开发的GIS被称为嵌入式的GIS。这种方法是随着20世纪90年供兴起的控件技术的发展而开始流行的,它的特点是开发周期短、成本低、可以脱离大型商业GIS软件平台独立运行,为不熟悉GIS技术的团和个人提供使用上的便利,是未来GIS开发的重要方向。

例如:MapInfo是美国MapInfo Corpration开发的桌面地理信息系统软件,为用户提供完整的地理信息解决方案。为了方便用户应用开发,也为了MapInfo 的普及推广,MapInfo推出了能让用户进行二次开发和使MapInfo智能化的MapBasic编程语言。使用MapBasic语言可以使用户方便地开发专门的MapInfo应用系统。可以执行复杂而先进的数据库查询操作。此外,MapBasic程序易于诸如Visual Basic、C++、Visual C++、Power Builder、Delphi等语言编写的应用软件集成,能实现MapInfo与其他应用程序的连接。在MapBasic开发环境的支持下,可将MapInfo应用于各种不同的领域(如决策支持、多媒体数据库应用、卫星定位应用系统等)。从而可用其开发出与GPS相结合的车辆定位系统。

当今,比较前卫的桌面地理信息系统开发工具是Mapinfo MapX,它是Mapinfo公司新近推出的GIS产品,它不同于Mapinfo是Professional Runtimes和Map Basic,它是一个OCX控件。开发人员使用它可将桌面地理信息系统的功能嵌入一系列软件应用中,从而满足用户的特定需求。它可在诸如AB、VC、Power Build或Delphi这些可视化编程环境中调用。由于Mapinfo MaXP不再是一个专有程序语言,使用人员可在原有熟悉的编程环境下花费较少的时间和财力使用Mapinfo MaXP提供的先进地理信息系统功能。

4 结束语

在国内,针对GPS车辆定位系统的研究方兴未艾,在系统实际设计与应用中还有许多问题需要研究解决;

(1)针对GPS车辆定位系统的性能指标,选择一个合理的GPS接收机; (2)各城市电子导航地图的制作需要专业人员按统一格式严格制作,以便于统一管理和数据共享。因为现阶段的地图制作还处于不同公司或不同部门开发,谁开发谁管理的阶段,数据库格式不能兼容。因为道路交通信息量较大,故需研究一下可以满足实际需求的GIS系统。 (3)在城市中逐渐建立起完善的ITS智能交通系统,有利于实现车辆定位、管理和调度等多种功能。

以上这些都有赖于GSM(全球移动通信系统)、GPS(全球定位系统)、GIS(地理信息系统)系统与计算机网络技术的共同发展和完善。本文将PC/104嵌入式计算机应用在GPS车辆定位系统设计中,讨论了该系统的软硬件设计。


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