運(yùn)動(dòng)車輛GPS定位系統(tǒng)中通信方案的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)車輛GPS定位系統(tǒng)中通信方案的設(shè)計(jì)
    摘要介紹了運(yùn)動(dòng)車輛GPS定位系統(tǒng)的基本組成，重點(diǎn)討論了基站和車載臺(tái)之間的通信方
式，并給出了基于單片機(jī)和MODEM應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)方案。
    關(guān)鍵詞  GPS  通信  單片機(jī)
    近年來導(dǎo)航衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）在國(guó)內(nèi)外得到了十分廣泛的應(yīng)用，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)
揮了極大的作用，已成為信息時(shí)代不可缺少的部分，被譽(yù)為本世紀(jì)以來繼計(jì)算機(jī)之后，又
一項(xiàng)對(duì)人類進(jìn)步有重大影響的成果和發(fā)明，它為解決人類在地球上的定位問題提供了重要
技術(shù)手段。
    國(guó)內(nèi)許多行業(yè)和部門投入了大量的人力、物力開展對(duì)GPS技術(shù)的應(yīng)用研究，在軍事、公
安、金融、地震、防洪、測(cè)繪導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用中收到了很好的效果。國(guó)內(nèi)郵電部門對(duì)郵
運(yùn)車輛運(yùn)行狀況長(zhǎng)期以來缺乏科學(xué)有效的管理手段，采用GPS技術(shù)可以有效地解決這個(gè)難題。
1系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    該系統(tǒng)的研制目標(biāo)就是采用先進(jìn)的GPS技術(shù)，并結(jié)合GPS地理信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)
絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等多項(xiàng)高新技術(shù)，建立一個(gè)功能完善、操作方便、實(shí)用性強(qiáng)的郵運(yùn)車
輛集中監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。整個(gè)GPS定位系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，即計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、中心通信
接口、車載GPS處理器、地面通信網(wǎng)等。
    車載GPS處理器采集GPS衛(wèi)星定位信息、車門關(guān)開信息、人工警報(bào)器、煙霧警報(bào)器等多
種車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，通過無線數(shù)據(jù)通信鏈路將采集到的信息發(fā)回監(jiān)控中心；監(jiān)控中心向
各車載臺(tái)下達(dá)各種車輛監(jiān)控指令，將通信工作站采集到的車輛運(yùn)行狀態(tài)信息標(biāo)識(shí)于電子地
圖上，并受理車載臺(tái)發(fā)回的報(bào)警信息，同時(shí)建立各種數(shù)據(jù)庫(kù)，完成日常數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和管
理以及相關(guān)信息的查詢、創(chuàng)覽和打印。在監(jiān)控中心與車載臺(tái)的通信中，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信
和語音通信的相互切換。
2系統(tǒng)通信方案
    通信部分是整個(gè)郵運(yùn)車輛GPS定位系統(tǒng)中很重要的部分，是基站與各移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行信息
交換的總樞紐，其性能的好壞是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。根據(jù)GPS定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特性對(duì)通信
接口的功能要求如下：
    ①能夠自動(dòng)呼叫各車輛或其他移動(dòng)目標(biāo)并建立雙向通信鏈路。
    ②傳輸速率可選1200bit／s等幾種速率。
    ③數(shù)據(jù)通信與語音通信相互切換。
    ④應(yīng)能方便與普通電話線接口。
    ⑤應(yīng)能及時(shí)響應(yīng)移動(dòng)目標(biāo)報(bào)警呼叫。
    ⑥便于容量擴(kuò)充，不但能滿足郵車定位，還可方便擴(kuò)充以適應(yīng)其他移動(dòng)目標(biāo)定位需求。
    根據(jù)上述功能要求，我們對(duì)通信工作站采用郵電公網(wǎng)方案，并以MODEM方式進(jìn)行數(shù)據(jù)
通信。郵電公網(wǎng)方案是采用郵電的有線網(wǎng)和無線網(wǎng)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，很明顯郵電公網(wǎng)是一
個(gè)功能齊全、性能十分穩(wěn)定可靠的現(xiàn)成網(wǎng)絡(luò)。一般利用公網(wǎng)話路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信方式有兩種：
一是雙音多頻方式；二是MODEM方式。雙音多頻方式雖然技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較容易，但是由于傳
輸速率很低，在傳輸數(shù)據(jù)量大時(shí)，電路站用時(shí)間長(zhǎng)，通信費(fèi)用比較高。MODEM方式具有傳
輸速率快、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)通信費(fèi)用低的特點(diǎn)，是規(guī)范的數(shù)據(jù)通信方式，但是在快速運(yùn)行
的車輛與監(jiān)控中心之間通過900M模擬蜂窩網(wǎng)，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的可靠的數(shù)據(jù)通信有很大的技術(shù)
難度。根據(jù)GPS數(shù)據(jù)信息的特點(diǎn)，我們最終選擇了MODEM通信方式。而單片機(jī)體積小、集成
度高、功能全且易于擴(kuò)展，這些特點(diǎn)非常適合郵運(yùn)車輛定位系統(tǒng)的應(yīng)用需要。因此本設(shè)計(jì)
的通信接口就采用單片機(jī)作為控制中心，由其協(xié)調(diào)各模塊之間的工作。
2.1所選單片機(jī)和MODEM介紹
    我們選用了價(jià)格便宜的8031單片機(jī)。它的PO口輸出作為低位地址（A0－A7）和數(shù)據(jù)公
用合用總線，為了將地址和數(shù)據(jù)分離，加了片外地址鎖存器74LS373。 P2口用作高位地址
總線。這里EPROM采用27C64，RAM采用62256。整個(gè)接口的工作軟件都存放在EPROM中，用
它來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)暫存和轉(zhuǎn)發(fā)、外部中斷等功能。
    MODEM是連接單片機(jī)和郵電公網(wǎng)的橋梁，通過它完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使監(jiān)控中心和車載臺(tái)
之間構(gòu)成可靠的通信鏈路。因?yàn)楸O(jiān)控中心和車載臺(tái)之間是通過郵電公網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸?shù)模?br />而單片機(jī)輸出的是數(shù)字信號(hào)，無法進(jìn)入模擬通信網(wǎng)，必須先經(jīng)MODEM調(diào)制成模擬信號(hào)后方
可發(fā)送；在接收端，接收到的信號(hào)必須通過MODEM進(jìn)行解調(diào)，在此將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字
信號(hào)并輸入到單片機(jī)。這里我們選用MOTOLORA公司的1200b/s數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器MC145450。
該MODEM芯片廣泛用于在模擬電話信道上完成低、中速數(shù)據(jù)通信功能，內(nèi)含參考振蕩器、
數(shù)字濾波器、定時(shí)器、發(fā)送波形和接受波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及正弦波D／A變換器等電路，具
有符合CCITT V.23模式2及BELL202標(biāo)準(zhǔn)的0～1200b／S主信道和0～75b／s反向信道，并
且具有接口信號(hào)與TTL電平兼容、請(qǐng)求發(fā)送到允許發(fā)送間延遲時(shí)間分8級(jí)可選等特點(diǎn)。系
統(tǒng)中由單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)MODEM進(jìn)行初始化（設(shè)參數(shù)）、控制MODEM同步并定義一組通信協(xié)議
進(jìn)行檢測(cè)和糾錯(cuò)，提高數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確率。
2.2工作過程描述
    在車載臺(tái)部分，單片機(jī)通過8251擴(kuò)展串口對(duì)GPS OEM板進(jìn)行初始化，并接收來自GPS 
OEM板的定位信息。同時(shí)接收郵車設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息和告警信息，作出相應(yīng)的判斷并對(duì)
郵車設(shè)備進(jìn)行控制。單片機(jī)的串口與MODEM相連，把各種信息發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心
單片機(jī)接收到信息后與工作站進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)傳送到工作站進(jìn)行處理。一個(gè)MODEM和一
個(gè)單片機(jī)構(gòu)成一個(gè)中繼，每八對(duì)中繼為一個(gè)單元，同一單元的八個(gè)單片機(jī)通過我們自己
設(shè)計(jì)的MACH芯片直接插在通信工作站的總線上。這樣，一個(gè)通信接口單元可以在軟件操
作下完成人對(duì)中繼線的通信任務(wù)。
    根據(jù)通信接口的功能要求，八對(duì)中繼線工作方式安排如下：
    ①用一對(duì)作固定呼入方式，以保車輛報(bào)警時(shí)能及時(shí)呼叫監(jiān)控中心（也可用人對(duì)自適
應(yīng)的方式）。
    ②固定連接方式：對(duì)特殊監(jiān)控目標(biāo)實(shí)時(shí)定位要求高時(shí)，采用這種方式可1～10秒采
集一決定位信息并能及時(shí)報(bào)警。
    ③間斷輪呼方式：對(duì)實(shí)時(shí)要求不高的車輛可以采取這種方式，例如一對(duì)中繼線可以
負(fù)責(zé)監(jiān)控4輛車。
    ④隨機(jī)呼叫方式：在任何時(shí)候，基站可以通過空閑中繼線呼叫任意車輛，進(jìn)入監(jiān)控
狀態(tài)。
    一個(gè)通信工作站可連接多個(gè)接口單元，通信工作站對(duì)任一單元中任意中繼線采用查
詢通信方式，查詢周期可定為一秒；并行總線通信方式速度很快，一個(gè)工作站可以管理
4個(gè)單元（32對(duì)中繼線）。
3其他技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用
    系統(tǒng)中用到了大量的門電路，包括構(gòu)成復(fù)位信號(hào)的計(jì)數(shù)器和形成控制信號(hào)和各種邏
輯門、譯碼器和鎖存器。為了提高系統(tǒng)的可靠性，縮小硬件電路板的體積，我們采用MA
CH大規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn)各種功能。
    MACH器件是AMD公司生產(chǎn)的電可擦可編程邏輯器件（EPLD）。
    可編程邏輯器件包括所有可由用戶配置的數(shù)字邏輯電路，有簡(jiǎn)單、低密度的可編程
陣列邏輯／通用陣列邏輯（PAL／GAL）器件、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜的PLD
（CPLD）。MACH可編程邏輯器件屬于CPLD，具有CPLD的普遍特點(diǎn)。
    和FPGA相比，CPLD有著不同的內(nèi)部連線結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA的分段式互連結(jié)構(gòu)是利用不同長(zhǎng)
度的幾種金屬線經(jīng)“傳輸管”將各個(gè)邏輯單元連接起來的，而CPLD的連續(xù)式互連結(jié)構(gòu)則
是利用同樣長(zhǎng)度的一些金屬線實(shí)現(xiàn)連接單元之間的互連。連續(xù)式的互連結(jié)構(gòu)消除了分段
式互連結(jié)構(gòu)在定時(shí)上的差異，并在邏輯單元之間提供快速、具有固定延時(shí)的通路，從而
可以預(yù)計(jì)內(nèi)部邏輯的定時(shí)關(guān)系，容易消除競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，比較容易實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)，以縮短開
發(fā)周期。
    由于MACH器件采用CMOS電可擦除工藝制造，因此它是EPLD。按擦除工藝的不同，可
分為兩種：一種需要在編程器上對(duì)器件編程，另一種可在系統(tǒng)上編程，即可實(shí)現(xiàn)ISP（I
n System Programmability）。MACH5系列器件，引腳數(shù)大于84的MACH3、4系列器件，
以及MACH1、2系列中的MACH211SP和MACH231SP等均采用了ISP技術(shù)。
    在單片機(jī)與工作站的通信中，我們用MACH芯片代替了原本計(jì)劃的并行通信接口芯片
8255，而且，硬件電路的許多門電路和邏輯電路都用MACH器件作了替代，起到了提高可
靠性和減小體積的作用。
4總結(jié)
    整個(gè)通信接口就是在單片機(jī)和MODEM的基礎(chǔ)上構(gòu)成的。通過單片機(jī)擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)、
單片機(jī)對(duì)MODEM進(jìn)行控制的軟件以及中心與車載之間通信協(xié)議軟件的編制，從總體上實(shí)
現(xiàn)了監(jiān)控中心和車載臺(tái)之間的通信。