基于GPS的车辆自动报站器的设计.docx

基于GPS的车辆自动报站器的设计
1 引 言
1.1论文选题的背景和意义
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。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。
从80年代中期开始，大城市的公共汽车交通相继萎缩。90年代初，公共汽车在居民出行交通结构中，多数大城市从原来30%下降到10%以下。其原因是公交企业主要依靠政府补贴，运营效率不和经济挂钩，服务质量下降与企业生存无关，因而普遍处于亏损状态。虽然近年来我国城市公交建设取得了较大的进展，但城市公共交通滞后于经济社会发展的局面没有根本改变。
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，智能交通系统发展则应运而生。目前，国内公交报站器基本上采用人工手动报站，部分城市采用GPS语音自动报站系统，如广州中山、南京、上海、哈尔滨等城市。由于GPS定位系统自动报站器成本还比较昂贵，现阶段还未普及。
传统的公交运营系统的装备和管理模式还存在着很多缺点和不足。而城市公共交通是城市建设和发展的重要组成部分,它代表政府体现了当地城市的形象与风貌，同时，好的公交运营系统能为城市公共交通事业的发展创造良好条件与环境，从而创造良好的社会效益与经济效益。而GPS技术日益发展成熟，GPS产品成本降低。因而，具有定位精度高，语音自动播报等特点的GPS语音报站系统的提出具有必然性。然而，针对语音报站，还存在着一些不完善因素，在桥底或树木高楼等密集的一方，可能会存在接收不到信号问题。下一步发展趋势是GPS定位，GPRS无线通信网和城市地理信息系统结合起来。
1.2国内外智能交通系统发展现状
l 国外情况简介
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。目前已形成以美国、日本、欧洲为代表的三大研究中心。
在美国，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。另外，美国为了防止交通堵塞、提高公路运输能力，利用GPS、城市交通地理信息和移动通信，与交通管理中心联络，为司机提供实时的交通信息，指引车辆选择最佳的行车路线，避开交通堵塞路段，还可以为司机及时调整车距，避免撞车提供信息。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，其中DRIVE工程是目前世界上交通运输界规模最大的合作研究计划，共有12个国家的700多个单位参加，经费达5亿欧元。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。
l 国内报站器简介
我国基本情况先前已介绍，此处主要介绍一下我国目前主要的车辆报站方式，如表1.1：
表1.1： 当前报站器的种类及其操作方式和优缺点
方式
操作方式/原理
优缺点
电脑语音报站器
到站时候由乘务人员按“进站”按钮开始报站，出站时由司乘人员按“出站”，开始报下站名
需司乘人员时刻关注进出站的状态，这就影响了司乘人员的注意力，存在着驾车安全隐患
门控语音报站器
将开关门信号和语音白站起连接，开门和关门时，自动报站
不能提前报站，报站时容易出现错误，中途由于存在某种原因开关门会引起报站顺序混乱
无线信标式自动语音报站器
在公交车站设置发射信标点，公交车临近站点50米左右会收到信标信号，开始自动报站，出站50米后信号消失，开始预报下一站
需要组建许多车站信标发射点，有些站点无电源供给；公交车数量较多时，寻找频率干扰问题，且问题严重；系统维护成本高
基于GPS的车辆自动报站器
根据GPS模块接收的信息处理后得到当前公交经纬度以及车辆行驶方向信息，经过与存储器中站点的信息进行比对从而在设定范围内的车站报名
有效减轻司机的任务量，使得安全隐患降低；虽然本设备成本较高，但是系统精度比较大、维护成本较低，甚至路途中间可以插播广告或者本地介绍

由表中很明显地看出，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。
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。
1.3本设计的要求及重点
l 设计要求
1.GPS定位
2.能进行自动报站，并且语音清晰，满足表1.2
表1.2 公交车的四个运行状态
状态
判断依据
动作（语音播报）
靠站
距离站点由很远接近200m
前方到站…
进站
距离站点在20m以内
××站到了…
出站
距离站点大于20m，速度大于0
车辆出站…
运行
距离上站50m下站200m
广告信息

3.有USB下载接口可更新存储内容;
4.设计说明书要求包括以下内容：
目录、标题、概述、方案总体设计（硬件、软件、 框图）、单元电路和单元软件程序、 电路总图、参考文献等;
5.字数1.5万～2万字内;
6.自己可扩展其它功能。
l 设计的重点与难点
GPS语音自动报站系统的主要原理是通过GPS模块确认车辆的动态位置(精度,纬度),时间,状态等信息,与公交线路信息库中存储的位置进行比较,根据预先设定的的距离和规则向乘客播报车站和线路的语音信息等。
该系统应具有:全球定位,自动报站,语音录入,数据采集等功能
该系统主要由GPS接收板与接收天线,ARM处理器,长时间语音处理芯片,电源模块,放大单元,显示等部分组成.

2 基于GPS的车辆自动报站器系统的设计原理
2.1 GPS系统
2.1.1 GPS系统简介
GPS(Global Positioning System)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，如下图。GPS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——GPS卫星；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
图2.1　卫星分布图
如图2.1所示，GPS空间部分使用了二十四颗卫星组成的星座，卫星高度约20200公里，分布在六条升交点互隔60度的轨道面上，卫星轨道倾角为55度，每条轨道上均匀分布四颗卫星，相邻两轨道上的卫星相隔40度，使得地球任何地方至少同时可看到四颗卫星。并能保持良好定位解析精度。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，C/A码对社会开放。由于GPS对社会开放，因此各类接收机、测量设备如雨后春笋般涌现，并广泛应用于各行各业，彻底改变了传统的定位导航方式。
2.1.2定位原理
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置 (X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经6纬度和高度。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。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等定位信息（该时间加上8小时即为我国标准时）。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。
(x,y,z)
x
z
卫星1

卫星2

卫星3
卫星4

y

图2.2 卫星定位原理图
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，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图2.2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△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

上述四个方程中待测点坐标x、y、z和接收机的钟差为未知参数，其中方程中各个参数意义如下：
x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标；分别为卫星1~卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得，分别为卫星1~卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供； 分别为卫星1~卫星4的信号到达接收机所经历的时间；c为GPS信号的传输速度，即光速。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z及接收机的钟差。
2.1.3 GPS接收机简介
l 接收机的分类
由于GPS导航定位技术的迅速发展，应用领域越来超广阔，世界各国对GPS接收机的研制与生产也越来越多，目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，产品也有上百种。这些产品按照用途、功能等来分类有以下几种。
1．按接收机工作原理分类
(1)码相关型接收机
码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测量．即由GPS接收机产生与卫星上发射的伪随机码(C/A码，P码)结构完全相同的复制码，通过移相器使复制码与接收码最大相关，测定卫星信号到达用户接收机天线的传播时间．这种接收机一定要知道码的结构。若已知C/A码结构为C/A码接收机，知道P码为P码接收机，目前国内的导航接收机都为C/A码接收机。
(2)平方型接收机
平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，得到去掉调制信号后的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差．来测定伪距观测值。这样的接收机不需要掌握测距码结构，所以称为无码接收机。
(3)混合型接收机
这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。目前大部分测量型接收机如Trimble 4000 SSE，Leica的wild 200等都是这种类型的接收机．
(4)干涉型接收机
这种接收机是将GPS卫星作为射电源采用与VLBl干涉测量相同的方法，即通过测定卫星信号到达两个测站的时间差或相位差来测定两个测站间距离。这种接收机由于不需要知道GPS卫星的结构和卫星星历，因此不会受美国军方对GPS控制的影响。但是由于其体积重，结构复杂，因此很少使用．
2．按接收机的用途分类
接收机按用途可分为：
(1)导航型接收机
这种接收机主要用于运动物体的导航，它可以实时给出物体的位置和运行速度．当指定到达目标位置，它可以引导载体到达预定目标．这种接收机都是采用C/A码伪距测量，单点实时定位，定位精度25m(有SA时为100m)。这种接收机价格便宜，应用也广泛．该种接收机还可以进一步分为下列几种类型：
车载型——用于车辆导航定位；
航海型——用于船舶导航定位．常与海图配合使用；
航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。
(2)测地型接收机
测地型接收机是主要用于精密大地测量工作的接收机。这种仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。
(3)授时型接收机
这种接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。
3．按接收机的载波频率分类
(1)单频接收机
单频接收机只能接收LI载波信号．测定载波相位观测值进行定位。采用的是相对定位．由于不能消除电离层延迟影响，所以单频接收机适用于基线距离短（<15km)的精密定位，其精度可达到1~2ppm。
(2)双频接收机
双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电研层对电磁波信号延迟的影响，采用载波相位相对定位可用于长达几千公里的精密定位。
4、按接收机通道数分类
GPS接收机能接收天空多颗GPS卫星的信号，为了将接收到的不同的卫星信号加以分离，以实现对卫旱信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。
（1）多通道接收机
多通道接收机具有多个卫星信号通道，每个通道只跟踪一个卫星信号。这种接收机的优点是可以对卫星进行连续跟踪，同时可得到卫星广播星历。但是由于通道多、价格较贵，另外，通道之间有时延，在信号处理上要解决信号时延的问题。
(2)序贯通道接收机
序贯通道只有一个通道．为了实现对多个卫星信号的跟踪．采用软件控制，按一定时序依次对不同卫星进行跟踪和量测。由于序贯通道对多个卫星信号依次进行量测，不同信号之间转换率和导航电文波特率是不同步的．所以，在对一个卫星信号测量时，将要丢失其他一些卫星信号的信息，无法获得完整的导航电文。所以，一般要再设一个通道来获取电文。采用单通道各卫星号在通道中延时是相同的，但是控制软件较为复杂，也难以保持载波信号跟踪。由于通道少，结构简单、体积小、重量轻，在早期导航接收机中常被采用．
(3)多路多用通道接收机
多路多用通道和序贯通道相类似，也是在软件控制下依次对卫星进行量测，但是量测速度快，量测一遍时间只为20ms 。这样，不同卫星信号之间以及LI，L2载频信号之间可以进行快速转换并且转换速率同导航电文波特串一样。所以，可以同时获得多颓卫星上的完整导航电文，也能对载波相位进行连续跟踪，实现对载波相位的测量。
l GPS接收机基本结构
GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
GPS接收机主要由GPS接收机天线，GPS接收机主机及电源组成。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存贮器及显示器组成(见下图)．
前置放大器
频率变换器
基准频器
频率

合成器
存储器
微处理器
电源
显控器
数控接口
PC机
1~12 信 号 通 道
号
通
道
号
通
道

图2.3 GPS接收机的基本构成方框图
1、GPS接收机的天线部分
（1）对天线部分的要求
天线由接收天线和前置放大器两部分所组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁彼能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大，一般还兼有变频作用。为便于接收机对信号进行跟踪、处理和量测，对天线部分有以下要求：
——天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，并减少信号损失；
——须保障能接收来自任何方向的卫星信号．不产生死角；
——须有适当防护与屏蔽措施(如加基板)．最大限度减弱信号的多路径效应；
——天线的相位中心保持高度的稳定．并与其几何中心尽量一致。
（2）前置放大器
由于GPS卫星高，GPS天线接收来的20 000km高空的信号很弱，信号电平只有-50~ -180dB；输入功率信噪比为S/N＝-30dB。即信号源淹没在噪声中。为了提高信号强度，一般在天线后端设有前置放大器。对于双频接收机设有两路前置放大器以减少带宽．抑制外来信号干扰,也防止,信号干扰，见下图2.4：
大部分GPS天线都与前置放大器结合在一起，但也有些导航接收机为减少天线重量而将天线和前置放大器分开。
前置放大器
前置放大器
合成器
，分频器
GPS天线

图2.4 前置放大器
2、变频器及中频放大器
由GPS前置放大器来的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，采用了变频器。下图2.5为变频电路。
由天线来信号
分频器
积分器
下变频器
下变频器
中放
中放
开关电路
送码及载波通道
基准频率F
频率综合器
-36F
-36F

29F
7F
F/4

图 2.5 变频电路
GPS接收机内没有石英晶体振荡器产生本机基准频率(10.24MHz)，该信号经过频率综合影产生多种频率如：—36F；—36F，29F，7F，F／4等．在图2.5电路中，一36F和—36F信号分别送到，，F变频器，经过很滤后得到载波为36F的中频信号．该信号的调制信号仍为伪码及数据码．为了分析方便，在此只分析C/A码调制信号:

式中，；为无线电信号从卫星传到接收机的延迟。
3、信号通道

信 号

解 扩

解 调
C/A
发
生
器
P码
发
生
器

伪码测值
载波相位测量
存

贮

器
频率变换
频率综合
基准频率
信号通道

图2.6 通道内部示意图
信号通道是接收机的核心部分，其具体框图如上2.6。GPS信号通道是硬软件结合的电路．不同类型的接收机其通道是不同的。在此先介绍相关型通道．其他类型的通道将在GPS信号分析中介绍。
GPS信号通道的作用：
(1) 搜索卫星，牵引并跟踪卫星；
(2) 对基准信号，即广播电文数据信号实行解扩．解调得到广播电文；
进行伪码反测量；载波相位测量及多普勒频移测量值。
从卫星接收到的信号是扩频的调制信号，所以要经过解扩．解调才能得到导航电文。
3、存贮器
接收机内设有存贮器以存贮一小时—次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。目前，GPS接收机都装有半导体存贮器(简称内存)如Trimble 4000 SSE带有8M内存，在15s数据率的采样下，可以存贮5颗卫星，双频观测19h的数据，若1S数据率可以存贮2h。接收机内存数据可以通过数据接收口传到微机上，以便进行数据处理和数据保存。在存贮器内还装有多种工作软件，如：自测试软件；天空卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等。
4、微处理器
微处理是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。其主要工作步骤为：
(1)．接收机开机后首先对整个接收机工作状况进行自检．并测定、校正、存贮各通道的时延值。
(2)．接收机对卫星进行搜索，捕捉卫星．当捕捉到卫星后即对信号进行牵引和跟踪并将基准信号译码得到GPS卫星星历。当同时锁定4颗卫星时，将C/A码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标，并按项置位置更新率计算新的位置。
(3)．根据机内存贮的卫星星历书(若是新的接收机，机内无历书．或内存中历书已超过3个月则需重新审新历书．这时．需要接收12．5min卫星信号)和测站近似位置，计算所有在轨卫星升降时间、方位和高度角。
(4). 根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数、航偏距、航偏角、航行速度等。
(5)．接收用户输入信号，如：测站名，测站号，作业员名称，天线高，气象参数．
5、显示器
GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息。并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作。对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图．
6、电源
GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于为RAM存贮器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常采用可充电的12V 直流镍镉电池组，有的也可采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电流交换器。
2.1.4 GPS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（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情况，再发出调度指令，以完成对车辆或船只的管理和控制。
德国奔驰公司和宝马公司早在1994年就推出了安装有GPS接收机的高档汽车，可根据GPS显示器显示汽车周围的地图和汽车行驶方向，该系统与移动通信系统、地理信息系统配合使用，可构成现代化的汽车交通引导系统。美国也早已将GPS系统引入铁路的运行管理之中，大大提高了铁路的利用率，由于缩小了行车间隔，减少了火车的停滞时间，提高了货物、乘客的周转量。
我国的银行业也已将GPS系统运用于运钞车的车辆监控管理之中，有的城市的消防车辆调度也引入GPS系统。同样，贵重器材的运输管理也采用了GPS车辆调度系统。利用GPS实时测定车船位置，对车船的事故报警安全防范有着明显的应用前景，国内有些城市的公交安全部门已建立了车辆自动定位和报警监控系统
2.2嵌入式公交自动报站系统
2.2.1基于GPS公交自动报站的原理概述
车载卫星定位系统，属于智能交通系统的分支，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2.7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插播不同的公益信息、广告信息和景点信息等。在离站、到站和拐弯点阈值范围内进行语音信息播报，给乘客一种全方位的提示与服务。

主控制器
ARM芯片
音频设备

GPS接收模块
存储器

图2.7 基于GPS的嵌入式公交自动报站器的系统原理图
2.2.2误差分析
本系统的误差主要来自两个大的方面，一方面是GPS信号传输中存在的误差;另一方面是车辆行进中产生的偏差造成的，对于要求定位精度较高的定位系统来说，会采用多种方法来消除或减少误差的产生。下面就系统的各类误差进行阐述和分析。
GPS测量中出现的各种误差按其来源大致可分为三种类型:
a、与卫星有关的误差
主要包括卫星星历误差、卫星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应的影响等;
b、信号传播误差
因为GPS卫星是在距地面20000km的高空中运行，GPS信号向地面传播时要经过大气层，因此，信号传播误差主要是信号通过电离层和对流层的影响。此外，还有信号传播的多路径效应的影响;
c、设备误差
1、接收设备的误差
一般GPS接收机内时标采用的是石英晶体振荡器。其稳定度为1~，若要精度更高，可采用恒温晶体振荡器，但也只能达到1~。但其体积大，耗电量也大，并且要长时间预热。早期GPS接收机采用恒温晶体振荡器，目前都用温补晶体振荡器。如果卫星钟与地面接收机钟同步误差为1us()，引起等效距离误差为300m，这个误差很大。解决接收机钟差办法如下:在单点定位时，是将钟差作为未知数在方向中求解;在载波相位相对定位中，采用对观测值的求差(星间单差，星站间双差)的方法，可以有效地消除接收机钟差;在高精度定位时，可采用外接频标的方法，为接收机提供高精度时间标准，如外接艳钟、铆钟等，最后一种方法常用于固定站。
2、天线相位中心的位置偏差
在GPS测量中，其伪距和相位观测值都是测量卫星到接收机天线相位中心间的距离。而天线对中都是以天线几何中心为准。所以，要求天线相位中心应与天线几何中心保持一致。但是，天线相位中心的瞬时位置会承受信号输入的强度和方向的不同而发生变化，所以观测时，相位中心的瞬时位置(称为视相位中心)与理论上的相位中心会不一致。天线视相位中心与几何中心的差称为天线相位中心的偏差，这个偏差会造成定位误差。所以，在天线设计时，应尽是减少这一误差(一般控制在5mm之内)，并且要求在天线盘上指定指北方向。这样，在相对定位时，可以通过求差来削弱相位中心偏差的影响。所以，在野外观测时，要求天线要严格对中、整平，同时还要将天线盘上方向标指北(偏差在3°~5°之内)。
综合以上各种误差的和目前已经可以控制在10m左右。
d. 行走偏差
车辆行进中产生的偏差由于实际上车辆行使的路线和指定播报点总是要有一定差距的，这种情况只有在行进方向的左右两侧产生。举例如下：
如下图2.8所示，为指定播报点，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，一般情况下是不会超过2m的，即≤2m；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，由于公交快要进站的行驶速度是限制在30km/h之内的，而GPS数据采集间隔小于1s，所以两次采集时间间隔中车辆行走最远距离为8.3m，即≤8.3m。
综合上述两种情况，产生的综合最大误差。一般公交车的长度在8米到12米之间，可见产生的综合最大误差相近于一个车长。因此，在日常生活中是可以接受的。
E
实际行走路线

指定行走路线

图 2.8 行走偏差分析图

3 主处理器及其单元模块
3.1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：
(1)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(Memory Management Uinit)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。
(2)系统的工作频率。系统的工作频率在很大程度上决定了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。
(3)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。
(4)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。
(5)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。
3.2 S3C2410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）、NAND Flash控制器、4个DMA通道、3个UART通道、1个I 2C总线控制器、1个I 2S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。其最小系统详见附录二。
3.3系统硬件总体设计
GPS公交自动报站系统硬件上以ARM9 S3C2410X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图3.1所示。

S3C2410X
GPS模块
串行接口
USB接口
JTAG接口
电源
音频电路
触摸屏
FLASH/RAM存储器
时钟电路
复位电路

图3.1 嵌入式公交自动报站系统硬件原理框图
3.4单元电路设计
3.4.1电源模块设计
对于电源控制逻辑，S3C2410具有各种电源管理方案，对于每个给定的任务都具有最优的功耗，在S3C2410中的电源管理模块具有正常、慢速模式、空闲模式好掉电模式4种有效模式。
在正常模式，电源管理模块为CPU和S3C2410种的所有外围设备提供时钟，在这种模式下，由于所有的外围设备都处于开启状态，因此功耗达到最大。用户可以通过元件来控制外围设备的操作。
慢速模式又称为PLL模式。与正常的模式不同，在慢速模式下不使用PLL，而使用外部时钟（XTIPLL或EXTCLK）直接作为S3C2410中的FCLK，在这种模式下，功耗大小仅仅取决于外部时钟的频率，功耗与PLL无关。
在掉电模式下，电源管理模块断开内部电源，因此，除唤醒逻辑以外，CPU和内部逻辑都不会产生功耗。激活掉电模式需要两个独立的电源，一个电源为唤醒逻辑供电；另一个电源为包括CPU在内的其他内部逻辑供电，并且这个电源开/关可以控制，在掉电模式下，为CPU和内部逻辑供电的电源关断。通过EINT[15:0]或RTC报警中断可以从掉电模式唤醒S3C2410。
在实际应用中，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。5V输入电压经过DC-DC转换器可完成12V到3.3V和1.8V的电压转化。系统中RTC所需电压由1.8V电源和后备电源共同提供，在系统工作时1.8V电压有效，系统掉电时后备电源开始工作，以供RTC电源所需，同时使用发光二极管指示电源状态。电源管理功能框图（图3.2）和系统的电源电路设计（图3.3）如下所示：

图 3.2电源管理系统功能框图

图3.3系统的电源电路设计

RTC电路电压是1.8V，实际上是将电池电压或者3.3V电压经过两个BAV99（等价于4个二极管串联）降压后得到的，如图3.4

图3.4 RTC电路的电压原理图
3.4.2复位和时钟电路的设计
l 复位电路的设计
在嵌入式应用系统的设计中，ARM处理器的复位类型包括上电复位、外部硬件复位、内部硬件复位、JTAG复位、外部软件复位和内部软件复位等。复位的目的是为了在仿真时将设计强制定位在一个可知状态，因此，合理选择复位方式是电路设计的关键。
为保证ARM芯片在电源未达到所要求的电平时，不会产生不受控制的状态，必须在系统中加入电源监控和复位电路，由该电路确保在系统加电过程中，在内核电压和外围端口电压达到要求之前，ARM芯片