LPC2214的車載導(dǎo)航服務(wù)終端的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
GPS在中國已經(jīng)有十幾年的發(fā)展歷程，但在民用領(lǐng)域卻一直投有大的突破。最近幾年，GPS民用的前景已經(jīng)越來越清晰，用戶需求正在上升。目前有兩種應(yīng)用被看好：一個(gè)是民用導(dǎo)航終端，特別是車載系統(tǒng)；男一個(gè)是基于手機(jī)的移動(dòng)定位服務(wù)。

導(dǎo)航是LBS(Location Based Services)應(yīng)用在汽車上的主要方式。目前我國已經(jīng)有汽車導(dǎo)航的實(shí)際應(yīng)用，一種是“GPS接收機(jī)+簡(jiǎn)化版的GIS引擎+地圖數(shù)據(jù)”的模式，通過GPS接收機(jī)獲取定位信息，然后調(diào)用本機(jī)存儲(chǔ)的地圖，將定位信息映射到電子地圖上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。這種模式雖然比較方便快捷，但也有其自身的局限性，例如成本較高、地圖資源不能共享、無法做到動(dòng)態(tài)的地圖更新。還有一種是“GPS接收機(jī)+GSM模塊十短信業(yè)務(wù)”的模式，通過GPS接收機(jī)獲取定位信息，以短信的方式將定位信息發(fā)送至控制中心，再通過GSM模塊撥打中心電話，以語音方式得到導(dǎo)航信息。這種模式成本較低，信息準(zhǔn)確，但短信一般有延時(shí)；實(shí)驗(yàn)表明在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不大的情況下單向傳輸一條140字節(jié)的短信，傳輸延時(shí)為6s的累計(jì)概率為92．86％，而且打電話獲取導(dǎo)航信息的速度太慢，操作也不方便。而這些問題通過與運(yùn)營商已有的通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS結(jié)合可以得到較好的解決。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于個(gè)別的大數(shù)據(jù)量傳輸。因此，車載終端選用高性能的處理器，通過GPRS與信息中心通信，完全可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程地圖下載與自主導(dǎo)航。

本文介紹了一種基于ARM處理器、支持GPRS、低成本的車載導(dǎo)航終端，并對(duì)其中所涉及的硬件設(shè)計(jì)方案給出了詳細(xì)的描述。

1 LBS系統(tǒng)模型與車載導(dǎo)航服務(wù)終端介紹
1．1 LBS系統(tǒng)模型
LBS系統(tǒng)主要由全球定位系統(tǒng)、移動(dòng)終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)中心組成，如圖1所示。圖中GPS衛(wèi)星提供定位信息，是整個(gè)LBS系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵；移動(dòng)終端主要用來獲取位置信息，發(fā)出位置服務(wù)申請(qǐng)以及解讀導(dǎo)航信息；G3SM通信網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端和信息服務(wù)中心的通信；信息服務(wù)中心是定位服務(wù)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)與移動(dòng)終端的信息交互和各個(gè)分中心的網(wǎng)絡(luò)互連，完成各種信息的分類、記錄和轉(zhuǎn)發(fā)以及分中心之間業(yè)務(wù)信息的流動(dòng)，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。

1.2 終端功能
本終端采用車用電源供電，接通電源后，各模塊自動(dòng)啟動(dòng)。該終端具有以下功能：GPS定位功能；遠(yuǎn)程電予地圖實(shí)時(shí)下載；定位信息和地罔數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；主控芯片可以進(jìn)入掉電模式，降低功耗，按下相應(yīng)功能鍵能夠立即喚醒主控芯片。

1．3 終端主要模塊
GPS模塊采用瑞士u-blox公司的TIM-LH。該GPS接收器可以在天空視野有限的區(qū)域內(nèi)提供動(dòng)態(tài)條件下的精確導(dǎo)航，定位精度半徑可達(dá)2．5m；有2個(gè)全雙工串口，支持NMEA、RBX和RTCM串口協(xié)議。集成度很高，大小是25．4 mm25．4mm，高度只有3mm。

GPRS模塊選用法國Wavecom公司推出的Q2406A。該模塊支持900／1800MHz兩種頻帶，所在頻段功率分別為2W(900MHz)和1W(1800MHz)，支持WAP(Wireless Application Protocol)、IrDA 1．2A協(xié)議和GPRS；有AT數(shù)據(jù)集接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短信、傳真服務(wù)等，其數(shù)據(jù)下載速率可達(dá)53．6 khps，上傳速率可達(dá)26．8 kbps。

本終端使用ARM微處理器作為主控芯片，結(jié)合GPRS，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地圖下載與快速處理。LPC2214是Philips公司推出的基于ARM7TIDMI(Thumb)內(nèi)核的16／32位微處理器，128位的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大速率時(shí)鐘下運(yùn)行；其高速計(jì)算能力為地圖數(shù)據(jù)的快速處理提供了保障，性價(jià)比遠(yuǎn)高于普通單片機(jī)。LPC2214具有8／16／32位的外部存儲(chǔ)器接口，可對(duì)4個(gè)外部存儲(chǔ)器進(jìn)行配置，每個(gè)存儲(chǔ)器可達(dá)16 MB，為大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和嵌入式操作系統(tǒng)的下載提供了條件；而且該芯片具有功率控制模塊，當(dāng)暫時(shí)不需要導(dǎo)航時(shí)可使終端進(jìn)入掉電模式，大大降低了功耗。另外，浚芯片有兩個(gè)串口，內(nèi)嵌片內(nèi)可編程鎖相環(huán)PLL，CPU最高工作頻率可達(dá)60MHz。

2 車載導(dǎo)航服務(wù)終端關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)與分析
車載導(dǎo)航服務(wù)終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，LPC2214的串口O與GSM／GPRS模塊連接，串口l與GPS模塊連接。液晶顯示器(LCD)通過并行方式與ARM芯片連接，采用8位數(shù)據(jù)傳輸方式；鍵盤采用矩陣掃描的方式，由8根GPIO端口線控制。

終端上電以后，通過軟件設(shè)置登錄GPRS；GPS模塊接收到GPS數(shù)據(jù)后通過串口1自動(dòng)向主控芯片發(fā)送；主控芯片收到GPS數(shù)據(jù)后選擇需要的信息，并將定位信息顯示在LCD上。需要周邊地圖信息時(shí)，按下相應(yīng)的功能鍵，主控芯片掃描到鍵盤信號(hào)，將定位信息通過串口0傳遞給GSM／GPRS模塊，并以短信的形式發(fā)送到信息服務(wù)中心，通過GPRS下載周邊地圖數(shù)據(jù)，主控芯片通過串口0讀取地圖數(shù)據(jù)，處理后在LCD上顯示，實(shí)現(xiàn)自主式導(dǎo)航。

2．1 電源電路的設(shè)計(jì)與分析
終端系統(tǒng)需要電源模塊提供3路電壓，分別為：3．3V、1．8V和5V。其中：LPC2214的內(nèi)核電源電壓為l.8V；LPC2214的I/O口電源電壓、TIM-LH和Q2406A的供電電壓為3．3V；液晶顯示器的供電電壓為5V。本終端采用車用電源供電，電壓一般為12V或14V。選用National公司的LM2576系列電源芯片來獲取5V和3．3V電壓，具體方案是：選用LM2576-5．O獲得5V的電壓、LM2576-3．3獲取3．3V電壓，然后3．3V的電壓為輸入電壓通過電源芯片LMlll7-l.8得到l.8V電壓。

電源線和地線是所有電路的公共部分，由于各部分電路的工作電流通過電源與引線而相互耦合，從而形成干擾，因此印刷電路板PCB(Printed Circuit Board)的地線與電源線要精心設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，可根據(jù)電流的大小，盡量加大電源線的布線寬度；同時(shí)減少環(huán)路電阻，使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。由于多層板的抗干擾能力明顯高于雙層板，因此可以考慮設(shè)置電源層和地層。對(duì)于一塊電路板上需要多個(gè)電源電壓的情況，可針對(duì)不同的電壓對(duì)電源層進(jìn)行分割；在PCB布局時(shí)應(yīng)盡量把使用相同電源電壓的器件分布在對(duì)應(yīng)的區(qū)域。地層與電源層緊耦合，適當(dāng)?shù)乇入娫磳油庋?，也可以有效地抑制共模干擾；當(dāng)然也可以設(shè)置多個(gè)電源層，但成本會(huì)大幅增加。本終端的電路板采用設(shè)置單個(gè)電源層、分割電源層的方法，分割好的電源層如圖3所示。

此外，電路板的電源輸入的端應(yīng)接10～100μF的去耦電容；每個(gè)芯片的VCC端口和地之間接一個(gè)O．01～O．1μF的去耦電容，也可以有效抑制噪聲的干擾。實(shí)踐證明，上述一些方法對(duì)抑制信號(hào)頻率低于10 MHz的電路板上的噪聲和干擾比較有效。

2.2 GPS模塊外圍電路
GPS模塊TIM-LH上電后通過串口向外發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式有RMC(Recommended Minirnum SpecificGNSS Data)、GGA(Global Positioning System Fix Data)等，可以根據(jù)需要編程遺擇相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)。TIM-LH芯片串口1的默認(rèn)波特率是9 600 bps，串口2的默認(rèn)波特率是57 600 bps，可通過軟件改變；如果不使用某個(gè)串口，則對(duì)應(yīng)的串口輸入端應(yīng)接上拉電阻。

TIM-LH的外圍電路原理圖如圖4所示。外部復(fù)位端口REXET_N低電平有效，非常敏感，如果不用，則將其置空。不能接高電平。TIM-LH模塊上電之后自動(dòng)復(fù)位，通常復(fù)位信號(hào)是在模塊工作不正常的情況下使用，在設(shè)計(jì)中，使用控制電源的方式來復(fù)位就可以了，這樣控制起來會(huì)更加靈活、可靠；而且模塊出現(xiàn)死機(jī)的現(xiàn)象很少，若希望進(jìn)行重啟動(dòng)，則也可通過程序使用命令來控制。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)應(yīng)將GPS芯片周邊區(qū)域敷銅，以屏蔽外界干擾。

2．3 GSM／GPRS模塊與處理器接口設(shè)計(jì)和SIM卡接口電路
GSM模塊與ARM芯片之間通過標(biāo)準(zhǔn)的串行口通信，最高波特率可達(dá)115 200 bps。處理器LPC2214的串口輸出的電平是3．3V，中間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，選用MAXIM公司的MAX3232來實(shí)現(xiàn)。LPC2124與GSM模塊之間的串口通信采用最簡(jiǎn)單的三線接法，即地、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)3個(gè)端口相連，接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)端口要彼此交叉。

GSM模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIM-DATA信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SIM卡接口電路的原理圖如圖5所示。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)要注意，為了提高穩(wěn)定性，GSM模塊的連接器和SIM卡座的引腳之間的距離不要超過20cm。此外，為達(dá)到最佳效果，應(yīng)在SIM支架下敷銅，敷銅與SIM卡的GND引腳相連；SIMVCC和SIMGND之間的電容C101和C102要離引腳盡量近，以滿足規(guī)范要求。在選擇SIM卡時(shí)要選擇支持GPRS業(yè)務(wù)的，并開通GPRS業(yè)務(wù)。

2.4 LPC2214外圍電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵
在設(shè)計(jì)LPC2214外圍電路時(shí)，特別要注意P0．14引腳的使用。Flash boot裝載程序代碼在器件上電或復(fù)位時(shí)執(zhí)行。裝載程序可執(zhí)行ISP命令處理器或用戶應(yīng)用代碼；復(fù)位后PO．14的低電平被認(rèn)為是啟動(dòng)ISP命令處理器的外部硬件請(qǐng)求。如果P0．14采樣到低電平并且看門狗溢出標(biāo)志置位，則啟動(dòng)ISP命令處理器的外部硬件請(qǐng)求將被忽略。如果沒有外部請(qǐng)求(P0．14復(fù)位后采樣為高電平)，那么將搜索有效的用戶程序。若找到有效的用戶程序．執(zhí)行的控制就轉(zhuǎn)移給用戶程序；若沒有找到，那么就調(diào)用自動(dòng)波特率程序。

引腳P0．14作為ISP硬件請(qǐng)求時(shí)，由于P0．14在復(fù)位后處于高阻模式，因此用戶需要提供外部硬件(上拉電阻或其他器件)使引腳處于一個(gè)確定的狀態(tài)；否則，可能導(dǎo)致非預(yù)期地進(jìn)入ISP模式。

此外，由于使用外部晶振，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)晶振應(yīng)與芯片的振蕩器輸入、輸出引腳盡量靠近，以減小外部干擾的影響。

3 硬件電路的調(diào)試
調(diào)試電路板重點(diǎn)應(yīng)放在整體性、全局性連線的錯(cuò)誤排查，如電源線的短路、錯(cuò)接等。在調(diào)試串口時(shí)可以將電路板上的串口線引出，通過與計(jì)算機(jī)的串口通信來調(diào)試終端的各個(gè)串口，需用注意的是計(jì)算機(jī)的串口是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串口。其中，對(duì)GSM／GPRS模塊的調(diào)試是通過AT指令來完成的。對(duì)串口調(diào)試完成以后，就可以設(shè)計(jì)軟件程序來測(cè)試電路的性能。圖6描述了GPS模塊接收到的定位信號(hào)。

4 結(jié)論
本文介紹了基于ARM的車載導(dǎo)航服務(wù)終端的硬件設(shè)計(jì)。終端的軟件推薦使用C語言編寫，可以自己從底層開發(fā)，也可以裁剪μClinux操作系統(tǒng)進(jìn)行更高級(jí)的開發(fā)，使終端具有更強(qiáng)大的功能和更友好的界面。試驗(yàn)證明，該終端的硬件設(shè)計(jì)方案是可行的，登陸網(wǎng)絡(luò)只需5s，數(shù)據(jù)下載速度可達(dá)38．4kbps，上傳速度可達(dá)19．2kbps。隨著GPRS服務(wù)的進(jìn)一步完善，車載導(dǎo)航服務(wù)終端必然會(huì)向支持遠(yuǎn)程電子地圖更新，實(shí)時(shí)圖像通信的方向發(fā)展，因此該終端將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。