吕红叶基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计

1、理工学院本科生毕业设计（论文）学院（系）：电子与电气工程系专业：电子信息工程学生：吕红叶指导教师：田思完成日期2011年5月理工学院本科生毕业设计（论文）基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPS总计：23页表格：3个插图：19幅理工学院本科毕业设计（论文）基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPS学院（系）：电子

2、与电气工程系专业：电子信息工程学生姓名：吕红叶学号：94107062指导教师（职称）：田思（高工）评阅教师：完成日期：理工学院InstituteofTechnology基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计 III基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计电子信息工程专业吕红叶摘要随着国民经济的发展，城市交通拥挤和阻塞现象日趋严重。城市交通问题已严重阻碍了城市居民生活水平的提高和整个城市经济的可持续发展，成为城市发展的瓶颈。城市公共交通具有运载量大、运送效率高、相对污染少等优点。开发和建设先进的公共交通管理系统以改善公交管理和提高服务的质量，引导市民选择公共交通工具出行，从而改善整个城市交

3、通状况是解决城市交通问题的关键。本文分析了国内外智能交通系统的发展现状以及GPS定位原理，提出了一种基于GPS的嵌入式公交自动报站系统，论文详细介绍了硬件电路设计的开发过程，并制定了测试方案对系统进行测试，最后对所做工作进行总结，指出了进一步的研究方向。关键字嵌入式；GPS；智能公交HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPSElectronicInformationEngineeringSpecialtyLvHong-yeAbstract:Asthenationaleconomydevelopm

4、ent，urbancongestionandobstructionphenomenonhasbecomeincreasinglyserious.Citytrafficproblemhasseriouslyhinderedtheimprovementoftheurbanresidentslivingstandardsandthecontinuableeconomicdevelopmentoftheentirecity.Itbecomesthebottleneckofurbandevelopment.Urbanpublictransporthasmanyadvantages，suchasthrou

5、ghput，highefficiencytransport，relativelylesspollution.Itisthekeytosolveurbantrafficproblemsthatempolderingandconstructingmodempublictransportmanagementsystemtoimprovepublictransportmanagementandthequalityoftheservice.andguidingthechoiceofpublictransporttravel，therebyimprovingtrafficconditionsthrough

6、outthecity.Inviewofthepresentsituationofthedomesticandforeignpublictransportationsystem，automaticreportingstationsystemforbusbasedonGPStechnologyisputinthispaper.Andtherearedetailsofthehardwaredesigndevelopmentprocess.Andtestingsolutionsaredevelopedheretotestthesystem.Finally，therearetheanalysisofth

7、ecurrentworkandsuggestionsforimprovement.Keywords:Embedded；GPS；intelligentpublictransport目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 1引言1 HYPERLINK l bookmark10 1.1论文选题的背景及研究意义1 HYPERLINK l bookmark12 1.2智能交通系统的国内外发展现状1 HYPERLINK l bookmark14 1.3论文章节安排2 HYPERLINK l bookmark16 2基于GPS的嵌入式公交自动报站系统设计原理2 HYPER

8、LINK l bookmark18 GPS系统3GPS系统介绍3GPS的定位原理3GPS信息格式4GPS的应用现状5 HYPERLINK l bookmark20 2.2嵌入式公交自动报站系统62.2.1基于GPS公交自动报站系统的原理概述62.2.2基于GPS公交自动报站系统的误差分析62.2.3嵌入式公交自动报站系统的优势7 HYPERLINK l bookmark22 3系统硬件设计7 HYPERLINK l bookmark24 ARM公司及ARM芯片简介7 HYPERLINK l bookmark26 3.2选择ARM微处理器的要求8 HYPERLINK l bookmark28 3

9、.3S3C2410X微处理器介绍8 HYPERLINK l bookmark30 3.4系统硬件总体设计10 HYPERLINK l bookmark32 3.5单元电路设计103.5.1电源电路103.5.2复位和时钟电路103.5.3SDRAM/FLASH存储器123.5.4串行接口电路12JTAG接口电路14USB接口电路143.5.7触摸屏接口电路153.5.8音频电路17 HYPERLINK l bookmark40 4系统测试18 HYPERLINK l bookmark42 4.1测试方案184.2测试过程及结果195总结与展望20基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计iii

10、 HYPERLINK l bookmark44 结束语21 HYPERLINK l bookmark46 参考文献22 HYPERLINK l bookmark48 致谢23基于GPS的嵌入式公交自动报站系统硬件设计 1引言1.1论文选题的背景及研究意义伴随着国民经济的飞速发展和城市化的不断进展，人口向城市集中，城市交通需求的总量急剧增长。与此同时我国汽车化水平逐年提高，全国民用汽车特别是小汽车的绝大部分均在城市范围内使用。城市交通拥挤和阻塞现象日趋严重，交通事故频发与环境污染越来越引起社会的普遍关注。城市交通问题已严重阻碍了城市居民生活水平的提高和整个城市经济的可持续发展，成为城市发展的瓶颈

11、。最大限度的提高现有交通资源的利用效率是解决问题的根本出路。城市公共交通由于具有运载量大、运送效率高(人均占用面积小)、能源消耗低、相对污染少等优点，能实现对交通资源的高效利用，从而有效地缓解城市交通压力。因此，解决城市交通问题的关键是引导人们在出行时尽量选择公共交通工具。但是要让市民心甘情愿的选择公共交通工具，就必须提高公共交通的服务质量，让市民真正感觉到公共交通的方便、省钱、可靠和快捷。因此，开发和建设先进的公共交通管理系统以改善公交管理和提高服务的质量，从而改善整个城市交通状况是解决城市交通问题的关键。当前国内各大城市的无人售票公交车大都采用半自动报站系统，即通过人工干预语音信箱进行语音

12、报站，和传统的人工报站相比，声音洪亮清晰。但是人工干预语音信箱必然会存在人为因素，如天气不好，道路打滑，驾驶员心情不好等原因使得漏报站、错报站的现象时有发生。特别是旅游城市，外地游客和外国游客都很多，漏报站、错报站会导致乘客下错站，带来不必要的麻烦，也会相应的影响城市的形象。目前公交车上的数字电视业务单一，仅播放广告，无相应站点附近景点、酒店等介绍信息。乘客无法与系统交互，获得感兴趣的信息。随着社会经济的发展，相关城市的公交智能化的重要性尤为突出。1.2智能交通系统的国内外发展现状对智能交通系统的研究许多国家都投入了巨大的人力和物力，并成为继航空航天、军事领域之后高新技术应用最集中的领域。在美

13、国，对智能交通系统(ITS)的研究虽然起步最晚，但由于投入较多，目前已处于该领域的领先水平。美国建立有结合救助服务的辅助导航系统，该系统即为一个监控中心，由较为完善的功能强大的计算机管理系统并配有电子地图及通信连接设备组成，能为装有GPS设备的车辆提供定位跟踪管理、报警服务受理、求助服务受理、紧急救援提供、在线语音导航以及安全防盗服务等。日本城市公共交通智能化的发展经历了3个阶段:70年代末开始应用公共汽车定位系统公交汽车接近显示系统；80年代初开始应用公交运行管理系统，其中包括乘客自动统计，运行监视和运行控制；进入90年代，由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度十分困

14、难，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统(CTCS)，旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。欧洲在ITS的研究方面采取整个欧洲一体化的方针，由政府、企业和个人三方面共同出资进行智能运输系统的研究，著名的项目有PROMETHEUS和DRIVE等，欧洲许多国家同中国一样具有悠久的历史，城市街道一般都比较狭窄。但是，它们通过实施公交优先政策，设立公交专用道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了

15、明显的社会经济效益，这些经验值得中国许多大中城市借鉴。我国在ITS领域的研究起步较晚，但随着全球范围智能交通技术研究的兴起，进入20世纪80年代，我国也加快了对智能交通技术研究的步伐。一方面，北京、上海、沈阳等大城市陆续从国外引进了一些较为先进的城市交通控制、道路监控系统；另一方面，国家加大了自主开发的步伐，如国家计委、科技委组织开发的实时自适应城市交通控制系统HT-UTCS，上海交通大学与上海市交警总队合作开发的SUATS系统等；1998年交通部正式批准成立了ISO/TC2O4中国委员会，秘书处设在交通智能运输系统工程研究中心，代表中国参加国际智能运输系统的标准化活动，现在正进行中国智能运输

16、系统标准体系框架的研究。考虑到公交系统的特殊性，公交企业对智能公交管理的需要包括以下几个方面：提高企业营运管理的自动化水平；能够提供自动报站、视频导视、电子站牌等人性化服务方便乘客；维护使用方便，产品成本尽可能低。1.3论文章节安排本文共分为六章，各章的内容安排如下：第1章：引言。简述了发展智能公交的意义及国内外的发展现状，最后列出论文结构。第2章：基于GPS的嵌入式公交自动报站系统设计原理。介绍了GPS定位的原理与应用、GPS数据帧格式、本公交自动报站系统的原理、误差分析以及系统优势。第3章：系统硬件设计。提出了系统的模块组成、硬件选型，并详细介绍了硬件单元电路的设计。第4章：系统测试。介绍

17、了系统的测试方案、测试过程及测试结果。第5章：总结与展望。总结了本文所做的工作，并讨论了系统进一步研究的方向。2基于GPS的嵌入式公交自动报站系统设计原理GPS系统GPS系统介绍GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系统是由24颗人造卫星和地面站组成的全球无线导航与定位系统OGPS系统是由美国国防部于1973年开始设计、试验,1989年2月4日第一颗GPS卫星发射成功，1993年底建成实用的GPS网即（21+3）GPS星座，并开始投入商业运营。GPS系统包括三大部分：空间部分一GPS卫星；地面控制部分一地面监控系统；用户设备部分一GPS信号接收机。如图1所示，GPS的

18、空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图像。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。根据“三角测量”原理，GPS信号接收机可以输出地面任何地点的位置信息。企2*图1GPS卫星分布图GPS卫星提供了P码（精码）和C/A码（粗码）两种定位服务。P码为军方服务，因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码对社会开放，人为

19、采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。由于GPS对社会开放，因此各类接收机、测量设备如雨后春笋涌现，并广泛应用于各行各业，彻底改变了传统的定位导航方式。2.1.2GPS的定位原理本装置的定位系统使用GPS接收机进行自主定位，GPS接收模块接收GPS卫星发送的定位数据，将GPS信号的数据流提取出来，经过简单的字符串操作就可以分别找出GPS信号中的经度、纬度以及相应的格林威治时间（该时间加上8小时即为我国标准时）等定位信息。在实际开发中，GPS接收机根据从三颗以上卫星发来的数据计算出自身所处的位置，完成定位。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后

20、方交汇的方法，确定待测点的位置。如图2所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间At,再加上接收机所接收到的卫星星历等其他数据可以确定以下四个方程式：TOC o 1-5 h zgx)2+(丫厂丫)2+(ZZ)2+c(Vt1Vt0)=d1(1)(x2x)2+(y2y)2+(z2z)2%+c(Vt2Vt0)=d2(2)(x3x)2+(y3y)2+(z3z)2%+c(VfVt0)=d3(3)(x4x)2+(y4y)2+(z4z)2%+c(Vt4Vt0)=d4(4)由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z及钟差；GPS模块再由此得到经纬度、时间等信息；最后

21、将这些信息通过串口以GPS信息的形式发送出去。图2卫星定位原理图2.1.3GPS信息格式通常GPS模块支持两种格式:二进制消息格式和NMEA-0183ASCII消息格式。前者的通信协议为9600b/s、无校验、8位数据位、1位停止位；后者的通信协议为4800b/s、无校验、8位数据位、1位停止位。由于NMEA-0183ASCII格式直观、易于识别及应用，因此本设备采用ASCII格式。系统接收到的GPS数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成。根据数据帧的不同，帧头也不相同，主要有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV以及$GPRMC等。这里选用推荐的$GPRMC数据帧。各类数据帧分别包含了不同的信

22、息，在此列举出$GPRMC的各项含义：$GPRMC，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，*hh1当前位置的格林威治时间，格式为hhmmss。2状态，A为有效位置，V为非有效接收警告，即当前天线视野上方的卫星个数少于3颗。3纬度，格式为ddmm.mmmm。标明南北半球，N为北半球、S为南半球。径度，格式为dddmm.Mmmm。标明东西半球，E为东半球、W为西半球。地面上的速度，范围为000.0节999.9节（1节=1.852km/h）。方位角，范围为000.0度359.9度。日期，格式为ddmmyy。地磁变化，从000.0度180.0度。地磁变化方向，为E或W。由于帧内各数据段由逗号

23、分割，因此在处理缓存数据时一般通过搜寻ASCII码$来判断是否是帧头。在对帧头的类别进行识别后，再通过对所经历逗号个数的计数判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并做出相应处理。GPS接收机只要与卫星处于通讯状态就会源源不断地把接收到的GPS导航定位信息通过串口传送到处理器。串口通讯只负责从串口接收数据并将其放置于缓存，在没有进一步处理之前缓存中是一长串字节流，是无法加以利用的。因此，需要对定位数据进行处理。2.1.4GPS的应用现状由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度不高。为提高定位精度，普遍采用差分GPS（

24、DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一组修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。随着GPS的应用和发展，人们越来越认识到GPS作用的重大及应用领域的广阔。它已被应用于大地测量、航空摄影测量、地壳运动监测、精细农业、个人旅游及野外探险、紧急救生等诸多领域，其应用形式也是多种多样。GPS的优异性能引起各行各业的兴趣，也正如专家所预言，GPS已改变了许多行业的经营方式，它是继计算机革命之后的又一场革命。目前，世界上很多国家及组织均投入巨大的人力物力对GPS加以研究和开

25、发。起初GPS的应用主要在军事上，如1991年海湾战争、1999年科索沃战争以美国为首的多国部队利用GPS技术，使武器的效率倍增。GPS在和平利用也有广泛的应用，若在车辆或船只上安装GPS接收机，便能实现获知车辆或船只的位置、运行速度和运动方向，再把这些信息通过无线电台传输给主控中心，在主控中心的电子地图（或海图）上，就能清晰的显示出车辆或船只的运动轨迹；主控中心根据车辆或船只的运行82基于GPS的嵌入式公交自动报站系统设计原理情况，再发出调度指令，以完成对车辆或船只的管理和控制。92.2嵌入式公交自动报站系统2.2.1基于GPS公交自动报站系统的原理概述车载卫星定位系统，属于智能交通系统的分

26、支，在智能交通系统这一庞大的体系中占有极其重要的地位。作为整个智能交通系统的基础，车载卫星定位系统的主要目的就是找出特定车辆在特定时间的位置。本文提出的新型公交车自动报站系统的原理如图3所示：通过GPS接收机接收GPS工作卫星的导航信息，从而解算出车辆目前的经、纬度等信息。根据GPS的定位数据计算出公交车的实时坐标，而后将其坐标与站点坐标相比较，公交车驶入站点一定距离范围内时，不用人工干预系统自动进行报站。根据公交车位置的不同LCD显示屏上显示不同的公益信息、广告信息和景点信息等。在离站、到站和拐弯点阈值范围内语音提示的同时，在显示屏上显示同类信息，给乘客一种全方位的提示与服务。al卫星图3基

27、于GPS的嵌入式公交自动报站系统原理图2.2.2基于GPS公交自动报站系统的误差分析公交自动报站系统在实际应用当中会有误差，就这些误差进行分析。如图4所示，（X0,Y0）为指定播报点，（X,Y）为实际播报点（最远点）。车辆行驶中，行走的路线和指定的路线总是要有一定偏差的，这种情况只有在行进方向的左右两侧产生，这种偏差的最大值记为ERL，般情况下Erl是不会超过2m的，即Erl2m；另一个影响因素是在运行状态下，两次采集时间间隔中车辆行走可能越过指定播报点，这种影响只产生在行进方向的前后两个方向，这种误差的最大值记为Efa。，由于公交快要进站的行驶速度是限制在30km/h之内的，而GPS数据采集

28、间隔Vls，所以两次采集时间间隔中车辆行走最远距离为8.3m，即Ef=4.15mofa综合上述两种情况，产生的综合最大误差E=（E：+Ef2）%=4.61m。一般公交车的rlfa长度在8米到12米之间，可见产生的综合最大误差远小于一个车长。因此，在日常生活中是可以接受的。1112Erl-广/(XO?YO)Efa(XLY1)/实际行走路线E/指定行走路线2.2.3嵌入式公交自动报站系统的优势车载设备安装于公交车上，其工作环境比较恶劣，对设备的结构也有一定的要求，本系统采用工作稳定可靠、抗干扰能力强的嵌入式系统。嵌入式系统固化于存储器中，可靠性高，成本低，体积小，功耗低。有着广泛的应用领域，在车辆

29、与交通工程中的应用则是其中一个重要的应用方面。将嵌入式设备作为车载终端应用于智能公交系统，使车载终端设备具有更高的智能性、稳定性和扩展性，从而建立起全方位、实时准确、高效的智能交通系统。本系统采用先进的卫星定位技术与多媒体播放器相结合的方式，将会改变传统公交车语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，准确、及时、不需要人工介入，实现了公交车报站器的完全智能化。与显示屏直接连接，同步显示报站信息、播放广告等增值业务可以缓解目前公交公司在车辆维护、更换上所出现的资金问题。站名及有关事项可以在计算机上形成电子文件，通过串口下载到系统中，方便快捷。利用触摸屏作为人机

30、交互界面，方便乘客查询相关信息。可存储多条线路，即使由于整修道路等原因临时更换运营线路公交车仍可正常运营。133系统硬件设计3.1ARM公司及ARM芯片简介ARM(AdvabcedRISCMachines)，既可认为是一个公司的名字，也可认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年，ARM公司成立于英国剑桥，主要出售设计技术的授权。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，它本身不直接从事芯片生产，而是靠转让涉及许可，由合作公司生产各具特色的芯片。世界各大半导体生产商从ARM公司购买其ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外

31、围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权。因此，既使ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场并被消费者所接收，从而更具有竞争力。ARM微处理器目前包括下面几个系列：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Inter的Xseale、Inter的StrongARM。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。各个厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有

32、ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。133.2选择ARM微处理器的要求从应用角度出发，在选择ARM微处理器时应考虑以下几个问题：ARM微处理器的内核选择。ARM微处理器包含一系列内核结构，以适应不同的应用领域，用户如希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU(MemoryManagementUinit)功能的ARM芯片。由于本系统需要在Linux操作系统上运行应用程序，所以需要选择一款带有MMU功能的、能够完全支持Linux的ARM微处理器。系统的工作频率。系统的工作频率在很大程度上决定了

33、ARM微处理器的处理能力。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别为ARM核和USB、DART、DSP、音频等功能提供不同频率的时钟。片内外围电路的选择。除ARM微处理器核以外，几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIC接口、LCD控制器、键盘接口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可以简化系统的设计，同时也提高系统的可靠性。软件支持工具。仅有处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是不行的，因

34、此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以大大缩短调试周期，降低调试的难度。143.3S3C2410X微处理器介绍本系统的硬件设计中，最重要的部分就是中央处理器S3C2410X，因此在实现系统功能前，首先要了解它的功能与特性。S3C2410X微处理器是一款由Samsung公司为手持设备设计的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微处理器，适用的产品包括POS、PDA、E-BOOK、GPS、智能电话、电子书包、机顶盒、手持游戏机、电子相册、多媒体产品、视频监控、智能控制仪表等。它采用272脚FBGA封装，内含一个ARM920T内核，支持的

35、系统包括Wince、Linux等。为了降低系统总成本和减少外围器件，S3C2410X微处理器中还集成了以下部件：16KB指令Cache、MMU、外部存储控制器、LCD控制器(支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏)、NANDFlash控制器、4个DMA通道、3个UART通道、1个，2C总线控制器、1个I2S总线控制器，以及4个PWM定时器和1个内部定时器、通用I/O、8通道10位ADC、触摸屏接口、USB主、USB从、SD/MMC卡接口等。在时钟方面S3C2410X也有突出的特色，该芯片集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片时钟发生器。MPLL产生主时钟，能够

36、使处理器工作频率最高达到203MHz。这个工作频率能够使处理器轻松运行Wince、Linux等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。UPLL产生实现主从USB功能的时钟。S3C2410X对于片内的各个部件采用了独立的电源供给：内核采用1.8V供电，存储单元采用3.3V独立供电，I/O采用3.3V供电。S3C2410X的内部结构框图如下图5。14一总线控制判决器孵码器LCD控LCDDMA制器USB主控制器总线外部控制器NANDFLASH控制器电源管理存储器控制器时钟发生器(MPLL)与4通道DMA中斷控制器图5S3C2410X的内部结构框图3.4系统硬件总体设计GPS公交自动报站系统硬件上以ARM

37、9S3C2410X处理器为核心，根据系统功能实现的需要包含以下组成模块：电源、复位电路、时钟电路、GPS模块、Flash/RAM存储器、JTAG口、串行接口、USB接口、触摸屏接口电路、音频电路等。嵌入式公交自动报站系统的硬件框图如下图6所示。Ml图6嵌入式公交自动报站系统的硬件框图3.5单元电路设计3.5.1电源电路电源由车载电瓶提供的24V电压输入，经稳压芯片7805将电压降至5V输出，1.8V、3.3V、12V均由稳压电路将+5V调整输出得到，如图7所示。Ml图7电源管理系统功能框图3.5.2复位和时钟电路复位对于一个系统来说很重要，由于各个单元要进入正常工作状态，需要可靠的复位，正常情

38、况下，一般有上电复位和手动复位。如果电源电压出现波动，系统会非正常复位，这时候会发生复位时间不够从而造成错误甚至死机，所以复位监控电路也是有必要的，如下图8。SECTKC33&ioEETTGffiDRESET图8复位电路原理图表1IMP811-T的引脚说明引脚功能GND地RESET复位输出端。系统上电、手动复位或电压波动低于标称值时会输出最少140ms低电平脉冲。MR手动复位输出端。当本管脚接地时，RESET端产生复位信号Vcc电源输入根据其型号后缀,IMP811的复位电平门限有6种规格（见表2）。若采用的是IMP811-T（如表1），则表示低于3.08V时产生复位信号。表2IMP811的规格

39、后缀电压/VL4.63M4.38J4.00T3.08S2.93R2.63CPU部分需要两路时钟电路，一路是CPU工作时钟输入，另一路是供给RTC电路。CPU工作时钟有一个源晶振，无需外部电容，直接输出12MHz时钟信号到CPU,由CPU内部PLL倍频到200MHz。两路时钟电路如图9所示。XTALlXTAL0=RTCInputCfUInput图9时钟电路原理图3.5.3SDRAM/FLASH存储器Flash存储器是一种可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到广泛的应用。作为一种非易失性存储器

40、，Flash在系统中用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保护的用户数据等。与Flash存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，且具有读/写的属性，因此，SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址0 x0处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度，同时系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。本系统中采用的Flash芯片是Samsung公司的K9F2808U。该器件存储容量为16Mx8位，除此之外还有512Kx8位的空闲存储区。工作电

41、压为2.7V3.6V。8位I/O端口采用地址、数据和命令复用的方法，这样既可减少引脚数，又可使接口电路简洁。HY57V561620是一款高速的同步动态SDRAM存储器。由于其所有的寻址、刷新等操作都由集成在芯片内部的控制系统完成，因而使用非常简单。每片HY57V561620为4Mx16Bitx4Banks，由两片组成32位模式，合计容量64MB。对于普通的视频应用绰绰有余，并且它加快了存取速度，因此可以在多媒体系统、视频采集与编辑系统等方面广泛应用。SDRAM/FLASH存储接口电路如下图10所示。163.5.4串行接口电路几乎所有的微控制器、PC机都提供串行接口，使用电子工业协会（EIA）推

42、荐的RS-232-C标准，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。早期它被应用于计算机和终端通过电话线和MODEM进行远距离的数据传输，随着微型计算机和微控制器的发展，近距离也采用该通信方式。在近距离通信系统中，不再使用电话线和MODEM，而直接进行端到端的连接。VDD337ILBfBIAD5I/O4CLEIfO3ALEIIO2WEI/OlKE1/00CESEvccvssvccvssU30143616uIF9K9F2808U44LDATA743LDATA642LDATA541LDATA432LDATA331LDATA220LDATA129LDATAO1237104:LA223LA324LA425

43、LA526LAS29LA?30LA831LA932LA1033LA1134LA1222LA1335LA1436LA2420LA2521nGRAS1833SCAS17rSCSD19LnWE16LnWbeO15LnWbel39nSCLRO38.S30EE37104A1D14A2D13A3D12A4DllA5D10A6D9A7D8A8D7A9D6A10D5AllD4A12D3D2BA0DIBA1DOnRASVDDnCASVDDncsVDDnWEVDDQLDQMVDDQUDQMVDDQCLKc鞘胡阴阴窓阴oor寸egze寸Oli寸cHY57V561620U20153LDATA15LA22351LDAT

44、A14LA32450LDATA13LA42548LDATA12LA52647LDATA11LA62945LDATA10LA73044LDATA9LAS3142LDATA8LA93213LDATA7LA103311LDATA6LA113410LDATA5LA12228LDATA4LA13357LDATA3LA14363LDATA24LDATAlLA242_LDATAOLA253nGRAS18nSCAS17nSCSD19LnWE16-11?2749T可432021LnWbeO15LnWbel39nSCLRO38nSCKE37104AlD14A2D13A3D12A4DllA5D10A6D9A7D8A

45、8D7A9D6A10D5AllD4A12D3D2BAODIBAIDOnRASVDDnCASVDDncsVDDnWEVDDQLDQMVDDQUDQMVDDQCLKc鬱霍貂貉貉貂coi寸zgze寸cni审cHY57V561620U20253LDATA3151LDATA30SOLDATA2948LDATA2847LDATA2745LDATA2644LDATA2542LDATA24ITLDATA2311LDATA2210LDATA218LDATA207LDATA193LDATA184LDATA172_6331IT2749亍可43C206,C2ni图10SDRAM/FLASH存储接口电路RS-232-C

46、标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头，常用9芯D型插头。本系统的串口0即采用的9芯D型插头，用于与PC机的通信，便于调试。要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与S3C2410X系统的LVTTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，LVTTL的标准逻辑“1”对应2V-3.3V电平，标准逻辑“0”对应+5V-15V然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换，这里选用MAX3232。电路原理图如图11所示。1刀JB1ZZZC39I10434ZZpC35|1045E232TI0RS232EJLiT8C1+VCCCl-V+C

47、2+V-C2-GNDTOUT1TIN1RIM1ROUT1TOUT2TIN2EJN2ROUT2210415J1041112ToC381041L6E232TW07ES232K3ji：i849i*5GNDDB9MAX3232图11UARTO原理图本系统的串口l用于微处理器S3C2410X与GPS模块之间的通信。由于不需要进行信号电平转换，所以串口l不用使用MAX3232。GPS模块接口原理图如图12所示。本系统的GPS模块采用美国Garmin公司的GPS15模块。Garmin公司的产品一直以来都是居于领导者的地位。GPS15系列产品是其新推出的产品。具备12个平行接收频道，最多能同时解算12颗卫星信

48、息，以供快速定位与导航。使用者不需设定初始化，可自动搜寻卫星信号，进行定位功能，并输出NMEA0183标准资讯。所有GPS15系列产品皆具有低耗电设计。使用读写式记忆体设计，内部使用记忆体电池，断电后储存资料不流失。3.3V40V的大范围输入电压承载设计及输出介面选择，针对不同领域提供全方位更灵活的运用，即便是在公交车上电压不稳定的环境下也不会受到影响。18图12GPS模块接口原理图JTAG接口电路JTAG（JointTestActionGroup，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、测试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部圭寸装了专门的

49、测试电路TAP（TestAcessPort，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。标准的JTAG接口是4线：TMS，TCK，TDI，TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。通过JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统系统硬件设计的一种简洁高效的手段。JTAG接口还常用于实现ISP（In.SystemProgrammable，在系统编程）功能，如对FLASH器件进行编程等。JTAG调试方法主要通过ARM芯片的JTAG边界扫描进行调试。JTAG仿真器比较便宜，连接方便，通过现有的JTAG边界扫描口与ARM处理器通信，属于

50、完全非插入式（即不使用片上资源）调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是驻留监控软件所必需的。另外，由于JTAG调试的目标程序是在目标板上执行，仿真更接近于目标硬件，因此许多接口问题，如高频操作限制、AC和DC参数不匹配、电线长度的限制等被最小化了。缺点是需要工作基本正常（至少MCU工作正常）的目标板，仅适用于有调试接口的芯片。JTAG接口原理图如图13。18USB接口电路USB通用串行总线支持设备的热插拔，传输速度快，结构简单。USB设备分为HOST（主设备）和SLAVE（从设备）。S3C2410X提供了方便的USB1.1接口，片内包括两个USB控制器，可设置为2个主设备或

51、1个主设备与1个从设备。只有当一台HOST与一台SLAVE连接时才能实现数据的传输。因此，本系统的USB接口采用HOST模式，挂载1G的U盘，用来存储广告、站点介绍等多媒体文件。接口电路图如下图14。1923fiHCN1VCDnRESETR910Kp201QKGNDVDDGNDnTRSTGNDTDIGNDTMSGNDTCK12TDOGNDVDD13riTRSTtdTTDMSTCDO图13JTAG接口原理图vcc14357触摸屏接口电路（1）触摸屏工作原理触摸屏按其工作原理可分为表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏几种。本系统采用的电阻触摸屏。如图15所示，电阻技术触摸屏的主要部分是一块与显示器表

52、面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜。它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（ITO氧化铟，透明的导电电阻）导电层，上面再盖一层外表面经硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也涂有一层ITO涂层，在它们之间有许多细小的（小于1/1000in）透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏时，两层导电层在触摸位置就有了接触，因其中一面导电层（顶层）接通X轴方向的5V的均匀电压场，使得检测层（底层）的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比即可得触摸点的X轴坐标（原点在靠近接地点的那端）；图15电阻触摸屏原理示意图Xi=Lx*

53、Vi/V（即分压原理）同理得出Y轴的坐标，这就是电阻触摸屏基本原理。（2）触摸屏接口电路设计本系统采用的LCD是8寸16bitTFT触摸屏，分辨率是640X480,型号是LQ080V3DG01.由于S3C2410X自带触摸屏控制器，因此可以直接将相关的引脚设置为触摸屏功能引脚，和触摸屏相连，实现对触摸点坐标的采集。这使得LCD部分的电路非常简单，LCD控制器的信号线经过FDC6321场效应管后即可连接LCD模块。输入信号在经过阻容式低通滤波器滤除坐标信号噪声后被接入S3C2410X内集成的ADC（模数转换器）的模拟信号输入通道。其接口原理图如图16所示。GNDGNDGNDLCDVCLKLCDV

54、LRSLCDVEVCLCDVD19LCDVD20LCDVD21LCDVD22LCDVD2311721S319斗20521622723S2492510261127122S1329143015311632J1CON32LCDVD14LCDVD15zrrLCDVD3瓦总D斗LCDVD5LCDVD6LCDVD7LCDVM-4|VDD33LCDVD10LCDVD11LCDVD12LCDVD13+5VC61lOLhiFVDD334.7KGNDVDD335斗321LCDHiVGJ501jLCDHiV12|口LCD_Hx7_GCON2CON5MODULE501图16LCD接口原理图GND从S3C2410X的L

55、CD控制器出来的信号线包括24根数据线和若干根控制线。这些信号线是经过74HC245隔离后接到LCD模块的，如图17所示。LCD模块除了需要控制信号和数据信号外，还需要一个22V左右的工作电压和上千伏的背光电压。前者由MAX629升压后得到（见图7）,后者由一个逆变器模块（图16中的MODULE501）提供。20VIM2VPiJVixvm5vm67VI15WVD7GNI)|li.JlVITO74ITG245IJK18U2VMX)V倔217LCDDIVW3LCDM12VDH)415LCDM13VDI154VI613IXDM15VI)13i12LCUMJ6VTJI-lg11LCDMJ7VT)I5g

56、204)101rJIRXfnvnisvocGNTJIJOlilHIB3叫B5H6117HA-HLAJIRA2AJuA.6A77AVL-H5I、IJCWKT1VRI：?VUT)图1774HC245原理图3.58音频电路IIS(InterolCSound)总线是Philips公司提出的串行数字音频总线协议。它是一种面向多媒体的音频总线，专用于音频设备之间的数据传输，为数字立体声提供序列连接至标准编解码器。IIS总线只处理声音数据，其他信号(控制信号)必须单独传输。为了使电路的引出引脚尽可能少，IIS只使用了3条串行总线：时分复用的数据线、字段选择线(声道选择)、时钟信号线。本系统采用Philips

57、基于IIS音频总线的UDAl341型音频CODEC。该CODEC支持IIS总线数据格式，采用位元流转换技术进行信号处理，具有可编程增益放大器(PGA)和数字自动增益控制器(AGC)。由于IIS总线只处理音频数据，因此UDAl341还内置了用于传输控制信号的L3总线接口。通过L3接口相当于混音器控制接口，可以控制输入/输出音频信号的低音及音量大小等。如图18,UDAl341对外提供两组音频信号输入接口，每组包括左右2个声道。两组音频输入在UDAl341内部的处理存在很大差别：第一组音频信号输入后经过1个0dB/6dB开关后采样送入数字混音器：第二组音频信号输入后先经过可编程增益放大器(PGA)，

58、然后再进行采样，采样后的数据要再经过数字自动增益控制器(AGC)送入数字混音器。因为希望通过软件的方法实现对系统输入音量大小的调节，本系统设计时选用第二组输入音频信号，通过L3总线接口控制AGC来实现。另外，选择通道2还可以通过PGA对从MIC输入的信号进行片内放大。L3控制接口接在S3C2410X的GPG8、GPG9、GPGlO引脚上，利用这3个I/O口模拟L3总线的全部时序和协议。音频电路原理图见图19。21VINL-2PGAVINFL2VIbIL-1图18UDA1341的内部结构LNEirJ6U1E二百24斗iChjl.ICH4lOuAUDIOJ601CAUI：I0V5SARgl5VDD

59、33A100VSSAVSSAC626-I-ILhjVIHL1VINR1VINL2WSDATAODATAIL2M0DEVOUTRL3CLOCKVOUTLL3DATA+丄0MCDCDKUDA1341TST書書CLK16TELECia了GFG612；UPC也14UPU1D15頂辽IIE：TSSDO191.IC601UVERFLAGCSTATTEST1TEST2SYSL-KUluIUTEIffKDAUI：I0PHOLIE104VSSAR608FGt-TIjVSSAEi607rzC608r-iVSSAVDD33AVDD33Kt-1010KUTI.RJ517urSSATJ601AUTR口口口A10KLiC

60、619二47u图19音频电路原理图224系统测试4.1测试方案系统测试是对工作成果的验证，也是系统设计工作的不断修正和改进的过程，是应用系统设计不可缺少的一部分。为验证设计并实现的基于GPS的嵌入式公交报站系统是否达到设计目标，需要确定实验方案并进行相应的测试。整个测试方案分为四个层次：硬件测试：在嵌入式自动公交报站系统硬件设备完成设计安装之后，需要进行硬件测试。这个阶段的测试工作是基础，只有保证硬件有正确可靠的功能与性能，才能进行下一个阶段的测试；各应用程序单独测试：主要针对各应用程序单独测试，检验其功能是否实现;系统联合测试:硬件测试和各应用程序测试通过之后，进行系统联合测试；功耗测试。测