（通信与信息系统专业论文）面向城市空间信息服务的移动终端系统集成和关键技术的研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文摘要 摘要 数字地球的提出推动了信息社会的迅速发展，城市信息化、数字化程度越来 越高。与此同时，人们对信息尤其是空间信息的需求也越来越广泛，希望随时随 地通过移动终端享受城市空间信息服务。针对城市空问信息如何为移动用户服 务，移动终端如何进行城市空间信息的采集这些问题，开发面向城市空间信息服 务的多功能移动终端具有重要的意义。 本文目标就是设计这样一个移动终端，利用它可以在移动环境下享受城市空 间信息服务，还可进行信息的采集，是一个具有采集功能的终端信息系统。针对 这样一个终端系统应该包括哪些功能模块，各功能模块应该如何设计，怎样使终 端既具有所需的功能又小巧灵活、适于室外作业等情况，本文进行了相关的研究 工作。在分析了整个终端体系结构的基础上，讨论提出了实现该移动终端的可行 方寨，并设计了手持式和车载式不同形式的终端，适用于不同的应用情况。 在终端的设计过程中，进行了几项关键技术的研究：采用新型器件进行串口 扩展的新方法的实现，蓝牙技术在移动终端中的应用设计，营t - x 微处理器的串口 扩展方法等等。 在终端的定位功能方面，讨论了g p s 全球定位系统以及g p s 定位数据的提取 及融合处理，并针对城市空间信息应用中对定位精度要求较高的情况，研究利用 软件实现差分定位。针对通信功能，研究了g p r s 功能模块，相关的a t 命令，以 及拨号上网过程，实现移动终端与移动代理服务平台之间的连接通信。 在终端主机平台上，开发设计了终端应用系统软件。可以进行城市空间信息 的查询，包括本地查询和基于移动代理服务平台支持的查询，也可以进行信息的 采集。此外移动终端还可实现简单导航功能。真正实现了一个多功能集成的面向 城市空间信息服务的移动终端系统。 关键词：数字化城市、城市空间信息、移动终端、系统集成、串口扩展、蓝 牙、u s b 、g p r s 、g p s 、g i s 、导航 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e c o n c e p to fd i g i t a le a r t hd r i v e st h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o ns o c i e t y ， a n d c i t y i n f o r m a t i o ns y s t e mi s g o i n gm a t u r e a t t h es a m et i m et h ed e m a n df o r i n f o r m a t i o n ，e s p e c i a l l ys p a t i a li n f o r m a t i o n ，i si n c r e a s i n ga n dp e o p l ee x p e c t t oe n j o y t h es e r v i c ea n y w h e r ea n da n y t i m eb yam o b i l et e r m i n a ls oi ti si m p o r t a n tt od e v e l o pa m o b i l et e r m i n a lw h i c hi sb a s e do n c i t ys p a t i a li n f o r m a t i o n t h eg o a lo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st o d e s i g ns u c ham o b i l et e r m i n a l ，w h i c hi s a i n f o r m a t i o ns y s t e mw i t hs a m p l i n gf u n c t i o na n db yw h i c hp e o p l ec a ne n j o yc i t ys p a t i a l i n f o r m a t i o ns e r v i c et h u st h ef o l l o w i n gw o r k ，w h i c hm o d u l es h o u l db ei n c l u d e d ，h o w t od e s i g ne a c hm o d u l e ，a n dh o wt om i n i m i z ei t , i ss t u d i e da f t e rt h eg l o b a la r c h i t e c t u r e i sc o n s i d e r e d ，d i f f e r e n tt e r m i n a lp r o j e c t ，f r o mm o b i l et ov e h i c l e o r i e n t ，i sp r o p o s e df o r d i f f e r e n ta p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t d u r i n gt h et e r m i n a ld e s i g n ，s e v e r a lk e yt e c h n o l o g y , s u c h a st h en e wm e t h o df o r s e r i a lp o r te x p a n s i o nw i t hu s bc h i p ，t h ea p p l i c a t i o no fb l u e t o o t hi nt e r m i n a l ，t h es e r i a l p o r te x p a n s i o nm e t h o da c c o r d i n g t om c u ，i ss t u d i e d a st h el o c a t i o nf u n c t i o ni sc o n c e r n e d ，w er e s e a r c ht h eg p sa n dt h em e t h o do f h o wt oe x t r a c ta n dd e a lw i t ht h eg p sd a t aa c c o r d i n gt ot h eh i g hd e m a n df o rl o c a t i o n i nt h ea p p l i c a t i o no fc i t y s p a t i a li n f o r m a t i o n ，t h ed i f f e r e n c em e t h o dc o m p l e t e db y s o f t w a r ei ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n r e f e rt oc o m m u n i c a t i o n ，g p r sf u n c t i o n f r a m e w o r k ，c o r r e s p o n d i n ga tc o m m a n da n dd i a l i n t oi n t e r n e tp r o c e s si sd i s c u s s e d a n di ti sr e a l i z e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nm o b i l et e r m i n a la n ds e r v e r t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e df o rm o b i l et e r m i n a lw ec a nd e m a n dl o c a l a n dr e i i l o t ec i t ys p a t i a li n f o r m a t i o ni n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gi si n c l u d e di nt h es o f t w a r e s od o e ss i m p l en a v i g a t i o n i ti sam u l t i f u n c t i o n a li n t e g r a t e dt e r m i n a ls y s t e mf o rc i t y s p a t i a li n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：c i t ys p a t i a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，m o b i l e t e r m i n a l ，f u n c t i o n i n t e g r a t e ，s e r i a lp o r te x p a n s i o n ，g p s ，g p r s ，b l u e t o o t h ，g i s ，n a v i g a t i o n 王童胜硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 刘锦高教授华东师范大学信息学院主席 马潮副教授华东师范大学信息学院 林峻岷教授美国a t m e l 公司中国上海联络处 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表 示谢意。 作者签名：易膨日期：反，口 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交 论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量 复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：易诳导师签名：1 以遁 日期：m 、6 、t o 、 日期：炒f 占一i o 华东师范大学硕士学位论文 绪论 1 1论文的研究背景与意义 第一章绪论 自从前美国副总统戈尔于1 9 9 8 年1 月3 1 日在加利福尼亚科学中心发表了题 为数字地球：二十一世纪认识地球的方式的讲演，首次提出“数字地球”的 概念后，引起了国内外的高度重视。 概括地讲，“数字地球” 2 1 1 包括三层含义：第一，全球信息网络化、数字化。 网络连接地球上所有需要通信地人和物。目前的因特网是它的雏形。第二，信息 处理数字化，即信息加工计算机化。第三，地球上的事物数字化，如气象、地形、 地理、图书、期刊、交通、经济、人口和个人信息等都要数字化，可用数据库存 储、浏览、检索这些信息。 城市数字化是利用现代化的信息技术、计算机技术、网络技术、通信技术和 多媒体( 图形、图像、视频等) 技术，将城市活动中的众多信息孤岛，通过城市 现代化的通信基础设施一“信息高速公路”连接起来，实现信息资源的采集、加 工、融合和共享，并使决策支持信息化、科学化、公众化、规范化、法律化，最 终提高城市的生活质量和管理素质。同时，以城市信息化、数字化为基础，逐步 实现地域的信息化和数字化，以至全国的信息化和数字化。城市信息化、数字化 的基本框架如图1 1 所示。 图1 1 城市信息化、数字化的基本框架 f i g1 1 t h ef i a m e w o r ko fi n f o r m a t i o na n dd i g i t a lc i t y 目前许多国家都在积极发展和运用以遥感、地理信息系统、全球定位系统为 代表的地球信息技术，以数字的方式获取、处理、分析和应用地理空间数据，在 此基础上提出解决各种问题的科学方案，增强对问题的快速反应能力。这些地理 华东师范大学硕士学位论文绪论 空间数据都是具有极高的社会公益性和共享性的战略信息资源。我们可以利用这 些地理空间信息去认识、开发和保护人类有限的生存空间，研究国民经济建设和 社会发展在地域空间上的分布特征、运行状况、资源环境条件和社会经济基础等， 进行规划、监测、管理、决策等。而随着组织、传输和显示各类与地理坐标有关 的海量信息的观念和方式发生翻天覆地的变化，人们设想把有关地球的海量的、 多分辨率的、动态的数据按地理坐标集成起来，形成一个“数字地球”。借助这 个“数字地球”，不论何时何地都可通过终端了解地球上任何一处、任何方面的 信息，从而实现空间信息服务a n y t h i n g 、a n y t i m e 、a n y w h e r e 的要求， 方便地进行各种工作。 “数字地球”的提出也在中国激起巨大反响。中国于1 9 9 8 年提出“数字中 国”的战略构想。许多城市都提出了实现数字化城市的建设目标。上海作为我国 的重要城市，在城市发展过程中的建设管理、生态环境、数字化生存等问题都与 城市空间信息相关联。建立以上海向全国放射的数字城市空间信息应用与服务体 系、进而建立以自主空间信息源为核心的国家级空间信息应用与服务中心将是解 决城市发展中的资源、环境、人日、城市规划、建设、管理与服务等问题的十分 有效的方法。 l2 研究课题的提出与创新 1 2 1 课题的提出 我国在”十五”国家8 6 3 计划中设立了信息获取与处理技术主题，要突破大型 地理信息系统、空间信息网络化共享中的关键技术，构建我国的空间信息网格， 推动我国空间信息资源的产业化。设有以下专题： ( 1 ) 空间信息网格总体技术 ( 2 ) 高分辨力空间信息获取技术 ( 3 ) 空间信息处理技术 ( 4 ) 空间信息应用与产业促进 ( 5 1 空间信息获取与处理前沿技术 ( 6 ) 空间信息的移动服务 与空间信息网格有关的国家8 6 3 计划课题包括空间信息网格框架体系和关 键支撑技术( 2 0 0 2 a a - 1 3 - 0 1 一0 1 ) 以及基于空间信息网格框架的城市空间信息应 一2 华东师范大学硕士学位论文绪论 用服务系统( 2 0 0 2 a a 一1 3 - 0 4 0 7 ) 。本文研究的课题正是基于国家8 6 3 计划项目“基 于s g 框架的( 上海) 城市空间信息应用服务系统面向移动平台信息采集与 服务子系统( 2 0 0 2 a a l 3 4 0 2 0 0 4 ) ”，旨在开发基于城市空间信息的为移动用户提 供信息采集与服务的子系统。 随着“移动的城市空间信息”被正式列入国家8 6 3 计划，面向城市空间信息 的移动终端的设计也就显得越来越重要了。目前的嵌入式终端产品很多，如交通 信息查询系统、定位监控、出租车调度监控等。这些大多是利用城市空间信息进 行二次开发的应用，而直接面向城市空间信息应用与服务的移动终端产品还是很 少的。城市空间信息如何为移动终端用户服务，移动终端如何进行城市空间信息 的采集，如何对城市空间信息进行处理，如何进行通信等等，针对这些问题，开 发面向城市空间信息服务的多功能移动终端便具有重要的意义【3 “。 基于这样的情况，从面向城市空间信息的移动终端应该如何设计这一角度出 发，我们提出了不同形式的终端设计方案，从手持式终端到笔记本终端以及车载 式终端，构建其体系架构，设计其功能系统。在功能上也体现出多功能的优点， 从信息的服务到信息的采集以及计算功能的调度等。手持式移动终端携带方便， 非常适合移动作业；车载式终端可以充分利用车上的直流电源，不必过分考虑耗 电的问题，而且车载省却了采集仪器携带的麻烦，功能可以更加强大一些，能够 进行信息的采集等。 而移动通信和嵌入式技术的支撑，使得移动终端访问城市空间信息得以实 现。移动终端通过无线通信模块连接到i n t e r n e t 上的空间信息服务器，空间信 息服务器根据接受到的移动终端的请求，从海量的空间数据库中获取用户需要的 信息，传回给移动终端。随着广大用户对空间信息需求的不断增大，无线访问城 市空间信息有着广阔的应用前景。 1 2 2 论文创新点 本文主要讨论了移动终端系统的实现方案。创新之处主要有以下几点： 1 开发一个多功能移动终端集成系统，研究终端集成的实现方法。 2 开拓了一种串口扩展的新方法 3 研究基于车载的移动终端的智能信息处理方法 华东师范丈学硕士学位论文绪论 1 3 论文的研究内容和组织结构 1 3 1 论文的研究内容 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 在研究了面向城市空间信息移动终端的体系结构及需具备的功能的基础上， 讨论了实现移动终端的各种可行方案，针对不同方案进行了具体实现。研究内容 包括硬件和软件两个方面。硬件方面包括终端系统架构的设计，不同方案的具体 设计实现以及所采取的不同技术，其中也包括了不同器件的选择，串口扩展新方 法的研究；g p s 、6 p r s 模块的集成方法。软件方面包括基本模块核心集成软件， 各功能模块的驱动与处理软件，终端的基本功能软件，智能交互的人机界面，面 向城市空间信息采集、集成与多功能智能信息处理的系统软件。针对移动终端与 移动代理服务平台之间的通信，制定了相应的通信协议。 1 3 2 论文的组织结构 本文的内容安排如下： 第一章论文的研究背景和意义、课题的提出与创新、研究内容与论文的组 织结构。 第二章终端总体架构设计与手持移动终端设计，u s b 扩展串口的新方法研 究与应用。 第三章针对基于笔记本电脑和基于p d a 的两种车载终端进行设计，并研究 了其中用到的串口扩展技术和蓝牙技术。 第四章终端定位功能和移动通信功能的实现。介绍了g p s 定位系统，定 位原理，以及差分定位在项目中的实现，并讨论了g p s 数据的获取及处理与融合； 研究了g p r s 的功能，以及g p r s 在终端移动通信中的具体应用。 第五章开发了终端的基本查询功能，数据采集功能，简单的导航功能，并 对终端的发展趋势作了研究。 第六章对论文的研究工作进行总结，对下一步的工作进行展望。 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终端整体架构及一般移动终端的设计 第二章移动终端整体架构及一般移动终端的设计 2 1 面向城市空间信息的移动终端整体架构设计 本文设计开发的移动终端应具有如下特点； 首先一个就是要面向城市空间信息，处理对象主要是矢量数据和各种遥感棚 格图像数据；不同于目前普遍流行的终端产品，而应是g p s 、g p r s 、g i s 和嵌入 式系统四种技术的结合；引入无线通信技术，使得终端能够通过无线通信模块实 现与i n t e r n e t 连接，从而应用空间信息数据库的海量数据，而移动终端上并不 安装地理信息数据库；移动终端分为安装g i s ( g i s 或嵌入式g i s ) 和不安装g i s 两种情况，本文研究的主要是安装g i g 的移动终端；终端向移动代理请求空间信 息服务时，基本的g i s 空间运算在移动代理上完成，结果在终端上进行显示，如 栅格地图、矢量地图等；不同于一般的瘦客户g i s 终端，本移动终端还应具有信 息采集功能，可将采集的地理信息返回给移动代理服务平台进一步进行处理因 而本终端并不是一个被动的信息受体，而是一个具有采集功能的信息系统；终端 还可具有如导航及图象处理等其他功能。 总之，移动终端应当不仅在便携性上具有极大的灵活性，在功能上也要具有 固定终端所有的绝大部分功能，能够进行空间信息的基本查询，能够获得终端所 需的服务器所能提供的所有信息；除了查询外，移动终端还可以进行信息的采集， 包括g p s 定位信息、城市点源信息以及其他各类信息的采集。针对目前采集信息 的类型还不是十分明确的现状，我们的终端提供各类信息采集端口，可以在需要 的时候连接相应的传感器进行所需信息的采集。此外，车载终端由于可以采用笔 记本作终端主机，因而处理功能非常强大，可以对遥感图象等作一些深入的处理。 鉴于以上考虑，我们的终端包括以下几个部分： 定位系统，提供定位信息； 移动通信系统，负责信息的收发传送； 信息采集部分，负责相应信息的采集工作； 电源部分，提供各个系统正常工作所需的电源； 终端主机，负责对各功能系统进行管理调度，完成各种信息的处理工作。 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终端整体架构及一般移动终端的设计 移动终端整体架构如下图所示 终 端 主 机 系 统 移动通信系统 定位系、统 信息采集系统 电源部分 图2 1 终端的功能架构示意图 f i g21f u n c t i o nb l o c kd i a g r a mo f t e r m i n a l 针对整个系统的架构，我们设计了两种不同形式的终端，即一般移动终端和 车载移动终端，并讨论了各自不同的实现方案。一般移动终端包括基于p d a 的手 持移动终端和基于笔记本电脑的移动终端，车载移动终端包括基于p d a 的车载终 端和基于笔记本电脑的车载终端。本章介绍一般移动终端的设计，车载终端的设 计在下一章里进行介绍。 2 2 基于p d a 的手持移动终端设计 由于移动终端主机既可以采用p d a 也可以采用笔记本电脑，因而分两种情况 进行设计，即基于p d a 的手持移动终端和基于笔记本电脑的移动终端。下面就 p d a 作主机的情况进行设计。 2 2 1 手持移动终端的设计实现 p d a 一般提供一个串口和一个c f 接口。我们就利用其提供的串口外接g p $ 模块实现定位功能，而利用其c f 端口接g p r s 卡实现无线通信功能。具体的框图 结构如图2 2 所示。 稳 窜 电 国 电 夏压 m 口 l o 转插 n , - - - - - - - - 模 源 块 换座 块 模 模 块 图2 2 手持移动终端示意图 f i g ，2 2t h ef r a m e w o r ko f p o r t a b l et e r m i n a l 其原理图和p c b 版图分别如图23 、图2 4 所示，而图2 5 、2 6 、2 7 则为制 华东师范大学硕士学位论文 第二章移动终蝴整体架构及一般移动终埔的设计 成的手持移动终端的实物图和接口示意图。 串越 。：p 吒 一 ： “- - 翥1 ” 。川b r ：碎 5 戮黛箨隧 嚣：l 一。i r ” 瑟褪蠢；：l 黎瀵： ! j ；- 皤-j n - m t 图2 3 手持移动终端的原理示意圈( 详见文后附图) f i g 2 3s c h e m a t i c so f p o r t a b l et e m u i n a l 图2 手特移动终端的p c b 印剐版图 f i g2 4p c bo f p o r t a b l et e m d n a 7 华东师范丈学硕士学位论文第二章移动终端整体架构及一般移动终埔的设订 图2 5 手持移动终端的实物概纯 f i g ，2 5t h ef - g mo f p o r t a b l et e r m i n a l 图2 6 手持终端的g p s 天线接口 f i g27 g p si n t e r f a c e ：o fp o r t a b l et e r m i n a l 图2 7 丰持终端的r s 23 2 接口 f i g 。27r s 2 3 2i n t e f f a o fp o r t a b l et e r m i n a l 2 2 2 蓝牙功触在手持移动终端中的应用 由于p i ) a 一般具有蓝牙功能，因此可以利用该功能实现与终端模块的连接与 通信。具体实现如图2 8 所示。 8 电 稳 国 蓝 压 覆 模 辏 块 源 块 图2 g 应用蓝牙功能的手持移动终端示意图 f i g2 8t h ef r a m e w o r ko f p o r t a b l et e r m i n a lw i t hb l u e t o o t h 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终端整体架构及一般移动终端的设计 2 2 3 手持移动终端的应用 随着数字化的发展，城市空间信息将渗透到人们生活的各个方面。人们通过 城市空间信息可以实现任何时候、任何地方、查看任何需要的信息的a n y t i m e 、 a n y w h e r e 、a n y t h i n g 要求。而城市数字网格管理是城市管理的一个重要 工具，基于城市空间信息的实时动态信息采集将是城市信息管理的一个重要任 务。例如上海市内的交通站点、停车场、垃圾场、集贸市场、阴井盖等等，这些 信息都可能需要实时动态更新，因而这类信息的采集将形成一种重要产业。所有 这些情况都可以通过面向城市空间信息的移动终端来实现。 目前对城市空间信息的应用大都是面向城市决策而开发的，直接对城市空间 信息的利用还不多见。而且城市空间信息都是海量的，所用的服务器计算功能都 是很强的，一般利用光纤进行传输。而移动终端的存储容量比较小，传输带宽窄， 计算功能差，针对移动终端如何访问城市空间信息系统，如何进行相关信息的查 询，如何利用海量空间数据为移动用户服务的问题，我们提出点源的概念，实现 移动终端对城市空间信息的漫游，建立与城市空间信息海量数据的一对应。 点源理论。”的概念涉及很广，从空间信息服务角度出发，所谓点源就是指城 市空间信息的实体，它具有多尺度性、多态性和动态可变性。基于点源的定义， 我们提出两种城市空间信息点源描述方式：信息场点源体和单位点源体。所谓信 息场点源体是指基于城市笛卡儿坐标系下的任何一坐标点所表示的空间信息实 体( 概念抽象层) 。建立信息场点源方法如下：首先，在笛卡儿空间坐标系下， 建立较完善的城市矢量地图。如详细的道路层( 包含十字路口信息、路段启止的 单双号门牌号码) 、河流层、公园层、行政划分层、城市建筑层等。建立了城市 空间坐标体系下的x 、y 平面。其次，基于信息场点源体的定义，运用城市空间 信息处理工具，将不同尺度、不同波段的遥感、卫星等城市栅格图像信息投影、 空间变换到该城市矢量地图上，实现了各种尺度各种波段城市空间信息的集成。 将栅格图像变换到相应的矢量地图上一般采用的方法是坐标转换和图像插值。所 谓坐标转换是指根据两副图像上的一些已知对应点，建立起函数关系式，将栅格 图像与矢量地图建立起对应关系。通过6 p s 定位，可以连续在城市空间信息场中 漫游各种空间信息，解决了用户端现场测量与海量数据库信息点点对应。 而单位点源体是城市中的有意义的最小单位实体，以单位为点源体，集成了 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终端整体架构及一般移动终端的设计 城市空间信息与非空间信息。各单位点源体根据不同的尺度空间信息和非空间信 息可以有所不同，但是每个单位点源体至少包含下列数据：单位点源体的名称、 单位的位置、单位门牌号码、单位形状边界( 可缺省) 。单位点源体是城市空间 信息中最为基本的信息实体。还可以建立其他尺度的点源实体，如区点源实体、 市点源实体。因为单位点源实体集成了城市中绝大部分的空间信息和非空间信 息，使得城市单位点源可以通过空间信息场，建立三维拓扑关系。通过城市交通 道路交通空间关系，通过单位点源体的位置信息实现在空间信息场进行有意义的 漫游。单位点源体的建立实现了对空间信息场的语义查询，突破了海量图像空间 信息查询方法，为移动用户查询海量空间数据建立技术基础。同时也实现了用户 需要多少实现多少，实现了图像数据的压缩。 下面就以城市公交站点的采集为例，简单说明一下移动终端的应用。 公交线路的测量，即空间数据的采集。线路测量的实际意义是已存在的公交 站点有许多位置上存在误差以及新的公交站点位置需要测量。使用带g p s 设备的 p d h ，也就是我们设计的基于p b a 的移动终端，通过乘坐公交车可以测量出各个 站点的位置信息，作为一个文件存储起来，通过无线通信功能模块发送至移动代 理服务平台上作为公交线路基础信息。可参看下面的图示。 图2 9 建立测量站点文件 f i g29e s t a b l i s h i n gf i l eo f t e s t e ds t a t i o n 图2 10 测量第一站建德花园位置 f i g2 1 0m e a s u r et h ef i r s ts t a t i o nl o c a t i o n 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终端整俸架构及一般移动终端的设计 图2 1 1 建德花园站位置 f i g 2 11t h el o c a t i o no f j i a n d ep a r ks t a t i o n 2 3 基于笔记本电脑的移动终端的设计 考虑到笔记本电脑携带比较方便，一些情况下可以直接用笔记本电脑来进行 工作，因而设计了这一方案。用笔记本电脑作终端主机，使之具有定位和无线通 信功能。设计该方案时，考虑到笔记本一般只具备一个串口，而要同时具备定位 和通信功能，则需要进行串口扩展。串口扩展是系统开发中经常遇到的问题，一 般的解决方法是采用串口扩展串口，由一个串口扩展为两个串口；或者采用专门 的串口扩展芯片，由总线扩充多个串口。本系统考虑到串口连接的设备在使用上 插拔不是很方便，还需要专门提供电源，而且由于笔记本电脑本身具有u s bh o s t 控制功能，因此我们选用了一种新的串口扩展方法，即利用u s b 3 】f 4 3 1 来转换 成串口。这样不但可以实现即插即用，而且还省掉了单独供电的麻烦。下面先来 介绍一下实现这种功能的新型器件f t 2 2 3 2 c ，说明其功能特征并用其来进行串口 扩展。 2 3 1f t 2 2 3 2 c 的功能特征与应用设计 器件概览 f t 2 2 3 2 c “7 是f t d i 公司第三代的u s bu a r t f i f o 芯片，实现了两个可独立调 整的多功能u a r t f i f o 控毒4 器。该芯片除了提供第二代芯片( f t 2 3 2 b m 并d f t 2 4 5 b m ) 支持的u a r t 接口，f i f o 接口，双向8 位并行接口以外，还增加了很多新的操作 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终端整体架构及一般移动终端的设计 模式，包括专门为象j t a g 和s p i 那样的同步串行协议设计的多协议同步串行接 口模式。 f t 2 2 3 2 c 是一款把第二代b m 芯片集成到一块芯片中的u s b 接口方案。一个 u s b 下游端口转换成两个独立的i o 通道，每个i o 通道都相当一个二代f t 2 3 2 b m 或f t 2 4 5 b m ，可以单独配置成u a r t 接口或者f i f o 接口。通过对外接e e p r o m 的配置，f t 2 2 3 c 还提供系列新的扩展模式，如多协议同步串行接口模式，c p u f i f o 类型接口，m c u 主机总线模拟模式以及快速光隔离串行接口模式等。而且 该芯片驱动能力比较强，可以负载3 倍于普通总线的功率，从而驱动更多的设备。 f t d i 公司提供了一个免费的虚拟串口驱动程序，使得该芯片就像是一个标 准的p c 机串口。绝大多数现存的软件只要重新定义串口名称就可以使用该芯片。 在虚拟串口驱动程序的帮助下，程序员可以用访问标准串口的代码来访问 f t 2 2 3 2 c 。f t 2 2 3 2 c 也集成了为f t d i 的d 2 x x 驱动程序设计的功能，允许程序员 通过w s n d o w sd l l 的方式直接访问该芯片。 硬件特征 该芯片有很多优点，这里只简单介绍一下其中几个比较常用的特征。 a 、使用该器件，只需添加简单的配置电路，便可实现由单芯片到双通道串 并口的转换； b 、该芯片上集成了全部的u s b 处理协议，使用时不需要另外编写u s b 固 件程序，应用非常方便； c 、两个i o 通道( a 或者b ) 相互独立，可配置成两个5 v 、两个33 v 或者 一个5 v 、一个33 v 的逻辑1 0 接口； d 、u a r t 接口支持7 或8 位数据位，1 2 位停止位，奇校验偶校验，标志位 ，空位无奇偶校验； e 、发送数据从3 0 0 到l m e g a ( 百万) 波特率( r s 2 3 2 ) 或3 m e g a ( 百万) 波特率( t t l 、r s 4 2 2 r $ 4 8 5 ) ； f 、数据传送率最高可达每秒钟l m 字节 g 、不同工作模式和u s b 描述字符可在外部e e p r o m 里进行配置，而且可 在线通过u s b 接口对e e p r o m 进行配置； h 、器件工作电压为4 3 5 v 到5 2 5 v 的单电压工作范围 器件框图 望查塑堕查堂硕士学位论文 第二章移动终埔控体架构及一般移动终端的设计 m m 趸圈一 c h n l w l 芦。一“一 匾卜 h t r 帅 丝 t 。匪卜 - e ，国曹旧：一： e h n n “b 酗。 j 一r 睦网 耐：。一营 二= ：l 。匕嚣一广：1 图2 12 f t 2 23 2 c 的简化框图 f i g21 2f t 2 2 3 2 cs i m p f i f i e db l o c kd i a g r a m 从框图中我们可以看出，该芯片提供了3 3 v 的稳定电压，若外部串口设备 使用3 3 v 电源，可从该处供给。若外部串口设备使用5 v 电源，可直接从u s b 总 线供给a 此外f t 2 2 3 2 c 还提供了r e s e t 信号和p o w e ro f f 信号，可以作为设备的 重启动信号和切断电源的信号。该芯片的串行口电平通过专门的引脚来控制因 此可以方便地进行多电平串行系统的集成。 器件应用 大致说来该器件有以下方面的应用：u s b 转换为双串口r s 2 3 2 ；u s b 转换为 双串口r s 4 2 2 r s 4 8 5 ：u s bj t a g 编程；u s b 转换为s p i 总线接口；现场可升 级的u s b 产品；带u s b 接口的交流隔离产品，等等。在我们在实际应用中目 的是要扩展r s 2 3 2 串口。我们使用f t d i 的推荐电路，只需简单的外围配置电路 即可得到两个串行口。具体应用电路如图2 ，1 3 。由于g p s 模块和g p r s 模块都使 用3 3 v 电源，因此两个串口的电平均设置为3 3 v 。g p s 模块和g p r s 模块的电源 由f t 2 2 3 2 c 的3 3 v 输出供给，也可以在u s b 的5 v 电源上放一个5 v 3 3 v 的l d o 来作为两个模块的电源。g p r s 的复位信号可以由f t 2 2 3 2 c 芯片的r e s e t 输出供 给，也可以外加复位电路。该模式可以很轻易的扩展为混合串口电平系统。假如 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终埔整体榘构及一般移动终端的设计 g p s 使用5 v 电源而g p r s 仍然使用3 v 电源我们只需通过v c c i o a 管脚的配置 把连接g p r s 模块的串口设置为5 v 电平即可。 图2 13 u s b 到双串口转换的应用电路 f i g 2 1 3a p p l i c a t i o nc i r c u i lo f u s bt od o u b l es e r i a lp o r t 实际的调试过程中发现，这一电路中有几个问题需要注意：f t 2 2 3 2 c 的 u s b d p 、u s b d m 两个输入段的电阻必须相等，典型值为2 7 欧，而且须为1 精度的电阻，否则容易造成输入阻抗不匹配而使电路工作不正常；另外晶振两端 的两个电容必须相同，典型值取2 7 p f 。此外，由于我们需要的是两个串口，外 挂的e e p r o m 可以不接，而直接将f t 2 2 3 2 c 的e e d a t a 端经由】o k 的电阻接 到v c c 上即可。这样在上电复位时f t 2 2 3 2 c 不能从外挂的e e p r o m 中读取到 信息，便工作在芯片的缺省默认模式下，即由u s b 到双串口的转换。 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终蚺整体架构及一般移动终蝴的设计 通过扩展出的串口和笔记本电脑通信( r s 2 3 2 电平) 时，由于r s 2 3 2 电平 与由f t 2 2 3 2 c 转换而来的两个串口电平( 5 v 或33 v ) 不匹配，需要经过电平转 换芯片( 如b l a x 3 2 4 3 、s p 2 1 3 e h c a ) 与r s 2 3 2 串口连接。以$ p 2 t 3 e h c a 芯片为倒， 连接电路如图21 4 所示。 图2 14 f t 223 2 c 到r s 23 2 的转换电路 f i g2 1 4t h ec i r c u i tf r o mf t 2 2 3 2 ct or s 2 3 2 除此之外，f t 2 2 3 2 c 还有许多其他应用，如转换成r s 4 2 2 接口、k s 4 8 5 接 口以及c p uf i f o 等。这里只给出典型的应用电路，分别如图21 5 、1 图21 6 、 图21 7 所示，具体的应用不再详述。而且为了方便起见，图中仅以f t 2 2 3 2 c 的 个通道为例进行说明。 图2 15 f t 2 23 2 c 到r s 4 2 2 的转挟电路 f i g ，21 5t h cc i r c u i tf r o mf t 2 2 3 2 ct or s 4 2 2 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终端整体架构及一般移动终端的设计 圈2 1 6f t 2 23 2 c 到r s 4 8 5 的转换电路 f k 2 1 6 t h ec i r c u i t f r o m f t 2 2 3 2 c t o r s 2 3 2 图2 17c p uf i f o 单通遣接o f i g 2 1 7 t h e c i r c u i t o f s h g l e c p uf i f 0i n t e r f a c e 使用f t 2 2 3 2 c 也可以很轻易的扩展成多串口方案( 具体的应用在下一章车载 终端的设计中将会介绍) 。而编写基于f t 2 2 3 2 c 的应用程序与编写普通p c 机串口 应用程序无异。我们可以在w i n 3 2 平台下选用a p i 的方式或者m s c o m m 控件的方 式。由于使用m s c o m m 控件大大节省了开发时间，因此推荐使用。”“2 “”1 。整体看 来f t 2 2 3 2 c 应用前景非常看好，因而本文在进行方案选取时选用了这一器件。 2 3 2 基于笔记本电脑的移动终端实现 基于笔记本电脑的移动终端的实现框图如图2 1 8 所示随后是其电路原理 图、p c b 版图以及终端实物圈等。 华东师范大学硕士学位论文第二章移动终堋整体架掏及一般移动终端的设计 图2 18 移动终端的架构示意图 f i g 2 1 8 t h e f r a m e w o r k o f t k e m o b i l er e n n i n a | 图2 1 9 移动终端的原理示意图( 详见文后j c f t 图) f i g21 9s c h e m a t i c so f d m o b i l et e r m i n a l 1 7 毕东师范大学硕士学位论文第二章移动终埔整体架构及一般移动终螭的设计 图2 ，2 0 移动终端的p c b 印刷版图 f i g 22 0p c bo f t h em o b i l ot e r m i n a l 图2 2 1 移动终端的概孽屯图 f i g22 1t h of i g u r eo ft h em o b i l ot e r m i n a l 图2 2 2 移动终端的g p s 、g p r s 天线接口 f i g22 21 1 l eg f s i g p r sa n t c l m ai n t c r f a o ft h em o b i l et e n n i n a l 2 3 ，3 终端主机的软件设置 2 3 3 1f t 2 2 3 2 c 的驱动设置 应用时，将终端功能集成模块通过u s b 连接到终端主机笔记本，主机会自 动弹出发现新器件提示窗口，如图2 2 3 所示。按照提示进行所需驱动程序的安装 系列过程如下面几图所示： 选择“否，暂时不”，并进入下一步，然盾选择“从列表或指定位置安装” ，浏览文件夹，选择驱动程序所在目录如图2 2 4 ，进入下一步后系统即开始安 装驱动程序。如果安装过程中弹出如图2 。2 5 所示对话框，选择“继续安装”， 安装完成如图2 2 6 所示。同样的过程完成按下来的安装 华东师范大学硕士学位论文 第二章移动终端整体架构及一般移动终端的设计 图2 23 发现新器件图2 24 选择驱动程序所在目录 f i g22 3w i n d o w sf o rt i n g i n gn e wd e v i c ef i g22 4d i r e c t o r yo f t h ef t 2 2 3 2 cd r i v e r 全部安装完成后，在“我的电脑一属性一硬件一设备管理器”中，会看到在 多出了两个串口( c o m j 5 ，c o m l 6 ) ，如图22 7 ，此即刚扩展出的两个串口。 图2 2 5 提示窗口 f i g22 5p r o m p tw i n d o w 图2 2 6 完成驱动程序的安装 f i g22 6c o m p l e t i n gt h ei n s t a l l a t i o no f d r i v e r 图2 2 7 扩展出的两个串1 2 f i g27t h et w oe x p a n d e ds e r i a lp o r t 我们可以通过超级终端对刚扩展出的两个串口进行测试：程序一附件一