（机械制造及其自动化专业论文）车载gps定位及车辆安全监控系统设计.pdf

车载g p s 定位及车辆安全监控系统设计 学科：机械制造及其自动化 研究生签字： 以 指导教师签字夸寻 摘要 随着车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理调度越来越重要，基于g p s 的车辆定 位及车辆安全监控系统已经被广泛应用。目前大多数系统采用两个8 位单片机或带双串口 的8 位单片机作为中央处理器，通过g s m 短消息方式实现车辆和监控中心的数据传输。 这样的系统，当短消息阻塞时，无法实时获取车辆位置；受限于单片机处理速度和短消息 的数据传输能力，无法实现如图像监控等功能。 设计选用了a t m e l 公司刚刚推出不久，支持c m o s 图像传感器和d s p 指令的 a r m 9 2 6 e j s 处理器a t 9 1 s a m 9 2 6 0 ；并采用g p r s 作为车辆和监控中心进行通讯的数据 传输链路，来提高数据传输的实时性和传输能力，为车辆的图像监控提供硬件平台。 硬件设计中，根据系统功能，设计了g p s 模块、g p r s 模块、c m o s 图像传感器的 应用电路和a t 9 1 s a m 9 2 6 处理器的外围电路。为了保证有足够的数据存储空间，选用3 2 m x 3 2 b i ts d r a m 和2 5 6 m 8 b i t n a n df l a s h 作为存储介质。由于车辆采用蓄电池供电，为 了不影响车辆正常使用，系统电源管理进行了低功耗设计。在抗干扰方面主要考虑了车辆 点火时产生脉冲干扰。 软件设计中，采用嵌入式操作系统e c o s 为平台，并使用多线程编程技术来提高系统 的实时性。设计只局限于嵌入式操作系统的应用，对嵌入式操作系统本身未做深入研究。 e c o s 对a t 9 1 s a m 9 2 6 0 处理器的支持，借用别人已经移植好的代码。本文设计了实现系 统控制功能的通讯规约和通讯规约解析程序、g p s 模块的通讯解析程序、g p r s 模块通过 a t 指令建立网络链接程序；图像监控部分编写了图像采样程序并参考i j g 组织的j p e g 压缩程序的源代码编写了适合本系统的图像压缩算法程序。 软、硬件设计完成后，针对设计的原理样机进行了调试和测试。硬件方面：根据嵌入 式系统调试流程和系统硬件结构，针对关键信号设计了测试用例并进行调试和测试。具体 的测试用例有：处理器外围电路信号测试；g p r s 和g p s 通讯波特率测试。软件方面： 根据软件逻辑和功能，参照控制流测试技术设计了测试用例并进行测试。具体的测试用例 有：u a r t l 和u a r t 2 的数据发送和接收测试：通讯规约的解析程序测试；g p s 模块的 数据接收测试；g p r s 模块的数据发送和接收测试。限于时间图像采样和压缩部分程i - i 未 做测试。总体结果表明，系统实现了基本功能，达到了预期目的。 关键词：安全监控；g p s 定位；g p r s 通讯：嵌入式可配置操作系统 d e s i g no fv e h i c l e m o u n t e dg p sp o s i t i o n i n ga n ds a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mo fv e h i c l e d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ： s 邺r v i s o r s i g n a t u r e ： 叩b a b s t r a c t w i t hv e h i c l e si n c r e a s eg r a d u a l l y , m a n a g e m e n ta n dr e a s o n a b l ed i s p a t c ho ft r a n s p o r t a t i o n b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，p o s i t i o n i n ga n ds a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e mo fv e h i c l e b a s e do ng p sh a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e d a tp r e s e n t ，t w o8 - b i ts i n g l e c h i p so r8 - b i t s i n g l e c h i p 、析t h t w os e r i a l p o r t s a r eu s e da sc e n t r a l p r o c e s s i n g u n i t a n dd a t aa r e t r a n s m i t t e db e t w e e nv e h i c l e sa n dm o n i t o r i n gc e n t e rb yt h ew a yo fg s ms h o r tm e s s a g ei n m o s ts y s t e m s t h u s ，w h e nt h es h o r tm e s s a g ei sb l o c k e d ，t h ev e h i c l el o c a t i o nc a nn o tb e r e a l t i m e o b t a i n e d ； s u b j e c t t o p r o c e s s i n gs p e e d o f s i n g l e c h i p a n dd a t at r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t yo fs h o r tm e s s a g e ，s o m ef u n c t i o n ss u c ha si m a g em o n i t o r i n gc a nn o tb er e a l i z e d i nt h ed e s i g n ，a r m 9 2 6 e j sp r o c e s s o ra t 91s a m 9 2 6 0i sa d o p t e d ，w h i c hh a sj u s tb e e np u t o u tb ya t m e lc o r p o r a t i o na n ds u r p o r t sc m o si m a g es e n s o ra n dd s pi n s t r u c t i o n ；g p r si s u s e da sd a t at r a n s m i s s i o nl i n kb e t w e e nt h ev e h i c l ea n dt h em o n i t o r i n gc e n t e r t h e r e b y r e a l t i m ec h a r a c t e ra n dc a p a c i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni s i m p r o v e da n dh a r d w a r ep l a t f o r m i sp r o v i d e df o ri m a g em o n i t o r i n go fv e h i c l e i nt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h ea p p l i c a t i o nc i r c u i t so ft h eg p sm o d u l e ，t h eg p r sm o d u l e ， t h ec m o si m a g es e n s o ra n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t so fp r o c e s s o ra t 9 1s a m 9 2 6 0a r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h es y s t e mf u n c t i o n i no r d e rt og u a r a n t e et h a tt h e r ei se n o u g hd a t am e m o r y s p a c e ，3 2 mx 3 2 b i ts d r a ma n d2 5 6 mx8 b i tn a n df l a s ha r eu s e da ss t o r a g em e d i u m t h e b a t t e r yi su s e d t os u p p l yp o w e ri nt h ev e h i c l e ，i no r d e rn o tt oa f f e c tt h ev e h i c l e sn o r m a l u s e ，t h em a n a g e m e n to fs y s t e mp o w e ri sd e s i g n e dt oi naw a yo fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n i n t h e a s p e c to fa n t i i n t e r f e r e n c e ，i ti sc o n s i d e r e dm a i n l y t h a tw h e nt h ev e h i c l el i g h t s af i r e ，t h ep u l s ei n t e r f e r e n c ew i l lp r o d u c e i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e me c o si sa d o p t e dt ob ep l a t f o r m ， t h em u l t i - t h r e a d p r o g r a m m i n gt e c h n i q u ei s u s e dt oi m p r o v et h es y s t e m a t i cr e a l t i m e c h a r a c t e r t h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mi t s e l f i sn o tf u r t h e rs t u d i e d ，o n l y c o n f i n i n gt oi t sa p p l i c a t i o n t h ec o d eo fs u p p o r t i n gp r o c e s s o ra t 9 1s a m 9 2 6 0i nt h ee c o si s b o r r o w e df r o mh a v i n gb e e n t r a n s p l a n t e db yo t h e r s t h ef o l l o w i n gi t e m sa r ed e s i g n e d ： c o m m u n i c a t i o n s t i p u l a t i o n sf o rr e a l i z i n gs y s t e m f u n c t i o na n di t s a n a l y t i c a lp r o c e d u r e 、 c o m m u n i c a t i o n a n a l y t i c a lp r o c e d u r e o fg p sm o d u l ea n dt h ep r o g r a mo fc o n s t r u c t i n g t c p i pl i n kb ya tc o m m a n d so fg p r sm o d u l ea r ed e s i g n e d a sf o ri m a g em o n i t o r i n g ，t h e p r o g r a mo fs a m p l i n gi m a g ei sd e s i g n e d ， a n d r e f e r r i n gt o t h es o u r c ec o d eo fj p e g c o m p r e s s i n gp r o g r a mo fi j g , t h ep r o g r a mo fc o m p r e s s i n gi m a g ei sd e s i g n e dt o s u i tf o rt h e s y s t e m d e b u g g i n g a n dt e s ti sc a r r i e do u tt ot h em o d e lm a c h i n et h a ti sd e s i g n e da f t e rt h ed e s i g n o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i nt h ea s p e c to fh a r d w a r e ，t h et e s tc a s e sa r ed e s i g n e d ，d e b u g g e d a n dt e s t e df o rk e ys i g n a l sa c c o r d i n gt ot h ed e b u g g i n gf l o wo ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n d s y s t e m h a r d w a r es t r u c t u r e t h et e s tc a s e sa r ea sf o l l o w s ：t h es i g n a lt e s t t op e r i p h e r a l c i r c u i t so ft h ep r o c e s s o r ；t h eb a u d r a t et e s tt ot h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng p r sa n dg p s i nt h ea s p e c to fs o r w a r e ，t h et e s tc a s e sa r ed e s i g n e da n dt e s t e d a c c o r d i n g t ot h e l o g i c a n df u n c t i o no fs o f t w a r ea n dt e s tt e c h n i q u e so fc o n t r o lf l o w t h et e s tc a s e sa r ea s f o l l o w s ：d a t at r a n s m i s s i o na n dr e c e i v i n gt e s tt ou a r t la n du a r t 2 ；a n a l y t i c a lp r o c e d u r e t e s tt oc o m m u n i c a t i o ns t i p u l a t i o n s ；d a t ar e c e i v i n gt e s tt og p sm o d u l e ；d a t at r a n s m i s s i o n a n dr e c e i v i n gt e s tt og p r sm o d u l e t h ep r o g r a m so fi m a g es a m p l i n ga n dc o m p r e s s i n ga r e n o tt e s t e do w i n gt o t h el i m i t a t i o no ft i m e t h eo v e r a l l r e s u l t ss h o wt h a tt h eb a s i cf u n c t i o n i sr e a l i z e da n dt h ea n t i c i p a t e dg o a li sa c h i e v e d k e yw o r d s ：s a f e t ym o n i t o r i n g ； g p sp o s i t i o n i n g ； g p r sc o m m u n i c a t i o n ； e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究牛在校攻读学位 期间，学位论文工作的知识产权属西安t 业大学。木人保征毕、l p 离校后，使f j 学位论文工 作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名仍为西安工业大学。学校有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的令部或部分 内容，可以采用影印缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学文论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 寺 口期：易l ，8 f 8 埘 尹 7 6 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所争交的学位论文足我个人存导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，学位论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学 位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：己蝌 指导教师签名： 日期： 7 7 千8 分丈 孑如 l 绪 论 1 1 引言 1 绪论 汽车作为人们不可缺少的交通工具，数量在飞速增长。根据国务院发展研究中心预 测显示，我国2 0 1 0 年将达至1 j 5 6 6 9 万辆，2 0 2 0 年达到1 3 1 0 3 万辆【l 。2 1 。随着车辆的迅速增长， 为了便于对营运车辆和特种车辆实施管理和安全监控，车辆定位及安全监控系统越来越被 人们重视和普及。车辆定位及监控普遍采用g p s 定位技术，即在车辆上安装g p s 接收机 ( g p s 接收模块) 接收车辆地理位置和一些附加信息( 如速度、方向等) ，然后通过无线 通讯网络，把信息传到监控中心，监控中心通过监控软件将车辆位置显示在电子地图上， 这样就可以准确地对车辆进行跟踪和调度管理。另外如果车辆发生事故、劫持等意外事件， 监控中心可以迅速给予帮助。 g p s 系统最初是为军事目的而设计的，但随着近年来g p s 技术的民用化，它逐渐成为 了一个全球性工具而获得了越来越广泛的应用：g p s 应用于定位导航：主要是为船舶，汽 车，飞机等运动物体进行定位导航：车辆跟踪和城市智能交通管理，汽车自主导航等；g p s 应用于授时校频：电力，邮电，通讯等网络的时间同步等；g p s 应用于高精度测量：各种 等级的大地测量，工程机械( 轮胎吊，推土机等) 控制等；在日常生活中，g p s 还可用于 人身受到攻击危险时的报警，特殊病人、少年儿童的监护与救助，生活中遇到各种困难时 的求助等3 - 5 1 。 g p s 技术在车辆跟踪与调度方面的应用，兴起于2 0 世纪8 0 年代末的欧美发达国家，至 今已有十几年的历史。国外对g p s 车辆行驶导航方面发展较为重视，目标对象群是私家车 驾乘人员；在g p s 车辆监控领域的技术研究丰要在大型物流跨国企业内部推行。由于体制 原因，在政府行业监管方面，有标准规范要求的、有组织的大规模推进尚无先例。随着 2 5 g 3 g 发展，视频图像技术也正逐渐被应用至u g p s 车辆监控领域1 6 。7 j 。 在我围g p s 技术应用于车辆管理断断续续也将近十年了。国内自2 0 0 0 年以来，陆续出 现了一些g p s 应用事例。最先开展的g p s 动态定位应用的多采用专网形式，如北京市曾开 展过a d p d 网络为基础的局部实验。随着移动电信公网的发展，开始出现了一些以公网短 消息方式传输移动定位信息的应用事例，被称为第一代g p s 动态定位技术。无线公网的数 据传输技术提供实用以后，出现了一批采用g p r s 和c d m a 方式提供移动信息数据传输的 应用项目，被称为第二代g p s 动态定位技术【8 。9 j 。 车载g p s 定位及车辆安全监控系统( 以下简称车载g p s 系统) 发展过程中，无线专网 由于建立网络投资太大经短暂的试用后放弃。2 0 0 0 年以后的车载g p s 系统的数据传输方案 基本都以公网短消息s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 为主【协】。以台湾飞鹰航太推出的车载 g p s 系统为例，产品处理器选用双串v i m c s 5 1 系列单片机w 7 7 e 5 8 ，其中一个串口用来接 西安工业大学硕士学位论文 收g p s 模块定位数据，一个串口连接g s m 模块通过a t 指令收发短消息。该产品在运营过 程中存在两个问题，一个是定位数据的实时性，一个是功耗问题。根据e t s it s1 0 05 8 5 v 7 0 1 ( 1 9 9 9 0 7 ) 标准的定义，短消息并不具备实时性，其发送和接收的时间间隔由网络状 况决定，这意味着当网络状况较差的时候可能会出现消息阻塞，实际运营中曾经发牛过由 于消息阻塞，车辆定位数据在数小时内无法获得；作为车辆安全监控设备应该在任何时间 都对车辆监控，这就意味着任何时间设备都应该工作，车载电子设备都是由车上的蓄电池 供电，对于一个正常使用的车辆，由于车辆在行驶时可及时对蓄电池充电，f 日当车辆连续 一段时间不使用时，功耗就成致命的问题，安装某公司车载g p s 系统的车辆，由于连续2 个礼拜未使用导致车上的蓄电池被完全放电而损坏。 随着g p r s 数据业务和c d m a 的出现，人们尝试着采用g p r s 和c d m a 网络做为4 ：载 g p s 系统的数据通讯链路。通讯链路建立数据链接后可以使用u d p 协议进行数据传输，大 大提高了 g p s 定位数据传输的实时性l 眨】。方案需要在单片机内运行t c p i p 协议栈，一个经 过裁减的t c p i p 协议栈也需要数十k 字节的f l a s h 矛u 数k 字节的r a m ，这对于资源和速度 都有限的8 位单片机来说，完成整个功能就比较困难，因此方案通常选用高性能的单片机 或采用两个8 位单片机实现。由于当时高性能的单片机机价格较高，熟练的研发人员也比 较少，所以大多数都采用两个8 位单片机进行设计。随着高性能的单片机价格下降和熟练 的研发人员增加，目前新设计的产品大多产用a r m 系列、m 6 8 k c o l d f i r e 系列、m i p s 等 单片机。 对于运营车辆和特种车辆来讲，如果能够在g p s 定位监控的基础上实现远程图像监 控，将大大提高车辆的安全监控能力。近年来由于嵌入式应用技术、图像采样技术和通讯 技术的发展，对车辆进行图像监控已经具备町行性，但受通讯速率限制还f i 具备数字视频 监控条件。 嵌入式应用技术的发展为车辆安全监控提供了高性能低价格的单片机和实时性较强 的嵌入式操作系统。像价格在百元以内的a r m 9 单片机采用哈佛结构，具有较深的指令流 水线，处理速度可以达到2 0 0 m i p s 以上，数据处理能力是8 位单片机的数十倍，并且内置 d s p 乘法器。这样的单片机可以实现实时性要求不高的图像压缩算法，为图像监控提供了 硬件平台。嵌入式操作系统的发展让产品开发商将辛要精力用在产品功能开发上，降低了 产品研发难度，缩短产品研发周期，提高产品软件品质和产品实时性能，充分发挥了高性 能处理器优势，使得图像监控研发具有可行性。 图像采样技术的发展使得图像采样传感器、图像压缩算法成本大幅度降低，图像采样 品质大幅度提高。特别是具有低成木、接口电路简单的c m o s 图像采样传感器的图像采样 品质的提高为车载图像监控实现提供图像采样的可行性。g p r s 数据业务的发展为车载图 像监控提供了可行的数据传输链路。目前国内有少数厂家已经推出具有图像监控功能的车 载g p s 系统。 2 两安工业大学硕士学位论文 1 2 课题来源及背景 本课题是根据车辆监控系统的发展现状和实际的市场需求拟订的。经过近十年的技 术发展和市场培育，车辆位置服务需求已从概念发展到具体应用。无论从政府交通信息化、 管理部门对特殊车辆和事故的监控还是企业自身对车辆的安全管理都有明确、详细的需 求。 1 ) 行业管理的需求： 行管部门需要智能化的手段、严格的措施对车辆进行严格的管理：车辆的规范行驶( 杜 绝驾驶员超速、超载和疲劳驾驶) 是减少交通事故的最有效的措施：高危物品的运输必须 严格按照规定的路线和时间；准确可靠的行车记录协助车辆运行和运输安全的监督管理 等。 2 ) 企业的需求： 企业需要提高生产率，降低车辆使用成本，加强对财产的管理，提供安全保障：规范 车辆运营和加强单位车辆的管理，提高运输工具的利用率；对交通运输车辆进行实时监 控和调度；全程货流追踪和物流车辆调度管理，减少返空等； 3 ) 司乘人员的需求： 他们可以通过g p s 得到良好的服务：车辆防盗抢；紧急救助等。 4 ) 市场调查： 全国公路运输汽车达1 0 6 7 1 8 万辆，其中符合g p s 安装要求的客运和危险品运输车辆 有2 0 0 万辆以上，通过g p s 车辆定位系统迅速提升业务价值的货运、物流车辆预计可达5 0 0 万辆以上；全国现有公务车辆7 0 0 万辆以上，其中包括各种特种车：公安、交通、银行、 石油、邮政、救护、消防等，也需要g p s 车辆监控系统。 1 3 本学位论文主要研究内容 全面了解车辆g p s 定位及车辆安全监控和管理系统的同时，就车载g p s 定位及车辆安 全监控系统的工作方法和原理进行深入的研究和掌握；研究和掌握a r m 9 单片机和嵌入式 操作系统应用技术。通过研究具体掌握g p s 定位数据的采样和算法、基于g s m g p r s 的 i n t e m e t 接入、图像的采样和压缩、嵌入式处理器应用技术、基于e c o s 嵌入式操作系统的 多线程编程技术。设计以a r m 9 单片机为核心的具有图像监控能力的车载g p s 定位及车辆 安全监控系统硬件平台；设计实现系统功能的通讯规约和通讯规约解析程序；g p s 模块的 通讯解析程序；g p r s 模块通过a t 指令建立网络链接程序；图像压缩j p e g 算法程序；图像采 样程序。 3 2 系统方案 2 系统方案 目前运营的车辆安全监控及管理系统如图2 1 所示：主要由车辆监控中心管理子系统、 车载g p s 定位及车辆安全监控子系统和车辆状态信息分析系统组成。车载g p s 定位及车辆 安全监控子系统在系统中的丰要功能为对车辆数据采集并通过公共通讯网络将数据传输 到车辆监控中心管理子系统，管理中心对数据进行二次处理后提交给管理者或监控人员供 他们管理、调度、监控使用。木设计的罐木框架和日前运营的系统相f 司，卡要区别住了：数 据传输采用g p r s 链路、前端采样数据除g p s 定位数据外增加了监控图像数据。 一u ： 一消息一一厂弋 印耥 ”7 - - - 7 一 一u 一 i 矗= ：! i i土 一j j ，n 电话公网p s 州、 r 1么 i ll 乍找g p s 定何及 g 黑一 i l 五 w d6午辆安今j l 【控系统橱辚嬲辫跫瓣 d d n 专线 车辆监控中心管理系统 图2 1车辆安全监控和管理系统 本方案和现有方案的不同之处还在于选用a t m e l 公司近期推出的a r m 9 2 6 e j - s t m 核 的a t 9 1 s a m 9 2 6 0 高速处理器。处理器可达到2 0 0 m i p s 的指令处理速度：支持1 2 位数据接 口支持高灵敏度的图像传感器；工作环境温度为4 0 0 c 至u + 8 5 0 c ；具有电源管理功能；最 大功耗1 3 0 m a ；慢时钟模式时功耗仅为6 0 0 u a ，比较适合车载电子设备电池供电的应用场 合。方案尝试着使用嵌入式操作系统e c o s ( e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，该 嵌入式操作系统为源代码公开的免费操作系统，操作系统除了具备实时操作系统的功能 外，还具有模块化、内核可配置等特点。 2 1 系统方案 根据车载g p s 定位及车辆安全监控子系统在系统中的位置，其基木功能为：采样g p s 定位数据、采样图像数据、向管理中心发送采样数据、接收管理中心指令并解析。受g p r s 4 西安工业大学硕士学位论文 传输速率和网络接入数量影响，系统应当在本地对数据进行缓存、对数据量比较大的图像 数据进行压缩。因此系统应具备的功能模块有：g p s 数据采样模块、图像数据采样模块、 数据处理模块( 图像数据压缩及本地存储) 、通讯模块( 包含命令数据发送及指令解析) 。 系统软件平台选用嵌入式操作系统e c o s ，处理器选用a t m e l 的a r m 9 处理器 a t 9 1s a m 9 2 6 0 。 2 1 1g p s 数据采样 g p s 数据采样模块以g p s 接收机为核心，通过g p s 接收机接收n m e a 0 1 8 3 格式定位数 据，并将数据进行解析，提取定位的纬度和经度信息。 1 ) g p s 定位技术简介g p s 系统包括三大部分：空间部分一g p s 卫星星座；地面控制部 分一地面监控系统；用户设备部分一g p s 信号接收机。卫星星座由2 l 颗工作卫星和3 颗有 源在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，均匀分布在6 个倾角为5 5 。轨道平面上。g p s 卫星使 用l 1 和l 2 两个频率的载波发射三种伪随机码信号即c a 码、p 码。c a 码用作民用，p 码主 要用作军事用途；地面监控系统的任务是跟踪所有的卫星，进行卫星轨道参数和卫星钟钟 差测定，并将预测轨道修正参数和各个卫星的钟差数据编排成电文注入卫星，它还有控制 卫星飞行姿态，控n s a 的大小和是否接通a s 等功能；g p s 接收机的主要仟务是接收g p s 卫星发射的信号，以获得必要的定位信息和观测量，并对数据处理、解算以完成定位工作。 对于g p s 技术的应用，其主要工作就是从g p s 接收机获取定位信息【1 3 】。 g p s 接收机如图2 2 所示：丰要i 主t g p s 接收机天线、变频和中频放大、信号通道、存储 。 o 勺 变换器 天 d ( t ) 1线 信号 存储 l 前置放大器 l 频率变换解扩 伪码测量 器 解调 显 j l 载波相位测量不 器 + ： c a p 码 频率综合 码发发生 控制信号 c p u 生器器 千 电源 - _ - l 基准频率 一 数据输出1 r 图2 2 g p s 接收机组成图 器、微处理器组成。g p s 接收机天线：天线由接收机天线和前置放大器两大部分组成。天 线的作用是将g p s _ 卫星z 信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将 g p s 信号电流放大。变频和中频放大：本电路是为了使接收机通道得到稳定的高增益，并 5 两安t ：业人学彬! f ：学f 沦义 且使l 频段的射频信号变成低频信号。信号通道：它是接收机的核心部分，其作用是搜索、 牵引并跟踪卫星，对导航电文数据实行解扩，解调出导航电文，进行伪距测量，载波相位 测量及多普勒频移测量。存储器：它主要存储卫星星历、卫星历书、伪距观测值、载波相 位观测值及多普勒频移。微处理器：它是g p s 接收机的灵魂，是g p s 接收机的控制部分。 其作用是：对接收机自检、测定、搜捕卫星信号，进行有关计算( 如测站三维坐标、导航 参数等) ，接收用户输入的信息( 如测站点、测站号、观测员姓名、天线高、气象参数等) ， 以及进行数据通讯等l 4 】。 2 ) n m e a 0 1 8 3 协议g p s 接收机数据输出协议较多，其中n m e a 0 1 8 3 协议为大多数g p s 接收机乍产商遵循的协议之一，其基本通讯参数及报文格式如下： a 、g p s 串行通讯参数波特率= 4 8 0 0 ；无奇偶校验：数据位= 8 ；停f ：位= l 。 b 、n m e a 0 1 8 3 报文格式n m e a 0 1 8 3 的报文有1 0 多条，其中定位信息的报文格式如下： $ g p r m c ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 木h h u t c 时间，h h m m s s ( 时分秒) 格式 定位状态，a = 有效定位，v = 无效定位 纬度d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的o 也将被传输) 纬度半球n ( 北半球) 或s ( 南半球) 经度d d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的o 也将被传输) 经度半球e ( 东经) 或w ( 西经) 地面速率( 0 0 0 0 9 9 9 9 节，前面的o 也将被传输) 地面航向( 0 0 0 0 3 5 9 9 度，以真北为参考基准，前面的0 也将被传输) u t c 日期，d d m m y y ( 日月年) 格式 磁偏角( 0 0 0 0 1 8 0 o 度，前面的0 也将被传输) 磁偏角方向，e ( 东) 或w ( 西) 模式指示( 仪n m e a 0 1 8 33 0 0 版本输出，a = 白十定位，d = 差分，e = 仙算，n ：= 数 据无效) 2 1 2 图像数据采样 图像数据采样模块选用c m o s 图像传感器和带有i m a g e 接口的a t 9 1 s a m 9 2 6 0 处理 器来实现。c m o s 图像传感器与c c d 相比，c m o s 具有体积小，耗电量不到c c d 的 1 1 0 ，售价也比c c d 传感器便宜1 3 的优点1 1 5 。1 6 】。c m o s 图像传感器的采样图像质量比 c c d 传感器差一些，但随着工艺水平的提高已经有很大的改善。通常c m o s 传感器的 输出采样数据支持y u v 4 ：2 ：2 、r g b 5 6 5 等格式，设计选用较普遍使用的r g b 5 6 5 格式 【i 1 8 1 o 1 ) r g b 5 6 5 图像输出格式r g b 5 6 5 格式如图2 3 所示：每个像素占用两个字节，其中红色 5 b i t ，绿色6 b i t ，蓝色5 b i t 。 6 两安工业大学硕士学位论文 s e c o n db y t e f i r s tb y t e 图2 3r g b 5 6 5 数据格式 c m o s 图像传感器输出数据为并行接口，输出每帧数据同步方式有两种：一种内置 在输出数据中的同步代码，一种为采用行同步信号线h s y n c 和帧同步信号线v s y n c 方法。以下重点介绍采用信号进行帧数据同步的方法。如图2 4 、图2 5 所示：当帧同 ：! ：厂_ = = c n v ev 町f od a t a ：8 0 1 0i i r0 0j 0 ( jl x yd o ! d ij 1 ) 2 d 3 d of d i1 1 ) 2d 3 。 i 图2 4行同步信号h s y n c 时序图 b l a n k i n g ，j ”， 二 a c t i v e“： v i d e o 我，一 b l a n k i n g v s ) 爹7 ”臻 ；a c t i v e； ：o i v i d e o 7 i 酝。j。j，；，。锄 ：d 2 1 0 00 0 ：x 、l 图2 5 帧同步1 言号v s y n c 时序图 步信号v s y n c 由0 变为l 的时候，开始一帧图像数据的输出，帧同步信号v s y n c 信 号由0 变为1 后的第一次行同步信号h s y n c 由0 变为l 代表该帧的第一行数据开始、 行同步信号h s y n c 由1 变为0 则为第一行数据的结束；行同步信号h s y n c 第二次信 号由0 变为l 代表该帧的第二行数据开始，以此类推。当帧同步信号v s y n c 由1 变为 0 的时候，代表该帧的结束。 2 ) 图像数据采样模块在图像数据采样模块中c m o s 图像传感器实现图像数据采样，处 理器a t 9 1 s a m 9 2 6 0 则对图像传感器进行初始化和控制，同时获取图像采样数据并把数据 存放到指定地址b u f f e r 中，供程序进行处理。 2 1 3 数据处理 数据处理模块主要是对图像数据进行压缩和对存储在s d r a m 的数据进行管理。图 7 卸 爿 卸 叫 v v v v 匕u门审 两安t 业大学硕。 ：学位论文 像数据压缩采用j p e g 算法，数据管理使用数据结构进行顺序数据索i ；i 管珲。 1 ) j p e g 算法j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e l sg r o u p ) 联合图像专家小组，多年来一赢 致力于标准化工作，他们开发研制出数字图像压缩编码方法，被称为j p e g 算法【l 。它是围 际上彩色、灰度、静止图像的第一个围际标准，不仪适于静止图像的压缩，电视图像序列 的帧内图像的压缩编码也常采用j p e g 压, 缩标准1 2 0 1 。j p e g 压缩是有损压缩，利用了人的视 觉系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视觉和数据木身的冗余信息。j p e g 编码过程如图2 6 所示： 基于d c t 变换的编码器 图2 6j p e g 编码过程 它的实现卡要分成3 个步骤：离散余弦变换d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) - - - 量化 一编码( 有算术编码和霍夫曼编码两种，这里采用霍夫曼编码) 。 a 、d c t 变换在d c t 变换之前需要做一些准备工作，将图像数据矩阵分成一个个8 ，c 8 的小 块，再将矩阵中的每个数据减去1 2 8 。二维d c t 变换公式为： f ( “，v ) = 百1c ( “) c ( v ) 塞砉厂( x ，y ) c 。s 半c 。s 学】 其中x , y 代表图像数据矩阵中的某个数据的举标位置，足x ，y ) 指图像数据矩阵中该点 的数据，u ，v 指经过d c t 变换后矩阵中的某数值点的坐标位置，在这里u = x ，v = y ，f ( u ，v ) 指经过d c t 变换后该坐标点的数据。当u , v = 0 时，c ( u ) ，c ( v ) = l 2 。其他情况下c ( u ) ， c ( v ) = 1 。 d c t 得到的数据就是对应频域中各个频率的幅值f ( u ，v ) 。f ( o ，0 ) 称为直流系数( d c c o e f f i c i e n t ) ，一般数值较大；其余的f ( u ，v ) 称为交流系数( a cc o e f f i c i e n t ) 。 b 、量化对于前面得到的6 4 个空间频率振幅值按比例缩小，并取其最接近的整数值的处 理过程称为量化。量化的目的是减小非“0 ”系数的幅度以及增加“0 ”值系数的数 】。将频率 系数除以量化矩阵的值，取得与商数最近的整数，即完成量化。 ，c 、编码h u f f m a n 编码无专利权问题，成为j p e g 最常用的编码方式。h u f f m a n 编码要分成 3 步骤来完成：( 1 ) 按之字型的顺序调整量化后的系数；( 2 ) 将按之字型顺序排列的系数 转化为中间符号( i n t e r m e d i a t es y m b 0 1 ) 序列；( 3 ) 将中间符号中的一部分进行变长码字 编码也就是h u f f m a n 编码，另一部分进行变长整数编码，最终输出数据流。 ( 1 ) 之字形顺序如图2 7 所示：、 8 西安t 业大学硕士学位论文 d c a c o l 、 囊。 a c 7 0 a c 0 7 。气 a c 7 7 图2 7之字型顺序图 ( 2 ) d c 系数是采用差值脉冲编码法，也就是取每一个d c 值与前一个d c 值的差 值来编码，如图2 8 所示。紧接着将d i f f 转变成中间符号：s y m b 0 1 1 是d i f f 的有效位数， s y m b o l 1s y m b o l - 2 ( s i z e ) ( a m p l i t u d e ) d c i id c i 叵王习 图2 8系数差值编码示惹图 记为s i z e ，s y m b 0 1 2 是d i f f 的幅值，记为a m p l i t u d e 。 对于a c 系数，同样变成多个中间符号： s y m b o l ls y m b o l 一2 ( r u n l e n g t h s i z e ) ( a m p l i t u d e ) s y m b 0 1 1 包含r u n l e n g t h