基于鐵路巡線的導(dǎo)航定位終端的設(shè)計(jì)

作者/ 張婷 姚金杰 高虹 中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山西 太原 030051)

摘要：衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在不斷地發(fā)展和完善，而導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要核心是終端。本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)ATmega128A為處理器、以慣性器件MPU6050和FLASH存儲(chǔ)為核心的集成一體化的硬件接收機(jī)終端。應(yīng)用GPS/北斗模塊接收GPS/北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，應(yīng)用微慣性測(cè)量單元獲取終端姿態(tài)信息，并發(fā)送到單片機(jī)串口，經(jīng)過(guò)處理存儲(chǔ)至FLASH存儲(chǔ)芯片。將該技術(shù)應(yīng)用到鐵路巡線的導(dǎo)航定位終端中，鐵路巡視完成后，通過(guò)串口獲取數(shù)據(jù)，再通過(guò)短報(bào)文遠(yuǎn)程發(fā)送至軟件監(jiān)控平臺(tái)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地得到終端的定位巡視信息。

引言

　　目前，鐵路巡線仍存在作業(yè)難度大且管理不便，鐵路巡線工人是否履行職責(zé)關(guān)乎到鐵路運(yùn)行安全。然而，鐵路巡線屬于室外作業(yè)，其工作情況很難考核，傳統(tǒng)工作簽到記錄方法容易被偽造，且歷史記錄不易保存，很難對(duì)鐵路巡道工的工作情況進(jìn)行如實(shí)地考核和查證，在一定程度上會(huì)造成人員工作積極性和專業(yè)素質(zhì)技能的下降。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，將衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于鐵路巡線將極大地方便鐵路巡線的管理工作。本設(shè)計(jì)裝置能夠完成巡線人員和警犬的定位以及巡線軌跡存儲(chǔ)等功能，其中定位精度能夠達(dá)到1m，存儲(chǔ)深度達(dá)2GB。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有全球定位系統(tǒng)(GPS)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兩種，主要由空間衛(wèi)星單元、地面控制單元和用戶接收單元組成。地面控制單元是由主控站、地面控制站和監(jiān)測(cè)站組成。用戶接收單元為GPS或北斗定位終端。

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)，采用三球交匯的測(cè)量原理，但實(shí)際上只用到了兩顆衛(wèi)星，其基本原理是以這兩顆已知具體空間位置坐標(biāo)的衛(wèi)星為球心，以它們到用戶的距離為半徑畫(huà)球，再以地球的地心為球心，以用戶到地心的距離為半徑畫(huà)球，最后三個(gè)球必然相交于一點(diǎn)，這一點(diǎn)就是用戶的位置。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文以GPS系統(tǒng)為主設(shè)計(jì)，同時(shí)也兼顧北斗定位系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 高精度GPS模塊

　　接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)，選用高精度GPS定位模塊u-blox NEO-M8N，能夠同時(shí)獲取和跟蹤不同的全球?qū)Ш叫l(wèi)星(GNSS)系統(tǒng)并行接收GPS和GLONASS或北斗信號(hào)。適應(yīng)于即使在GPS信號(hào)差的環(huán)境下都需要最高的可用性和準(zhǔn)確性的高性能應(yīng)用。由于 GPS/SBAS操作在晴空郊外條件下就可達(dá)到最佳定位，另外還配備了內(nèi)置的智能自動(dòng)切換功能，可根據(jù)GNSS衛(wèi)星的可見(jiàn)性和可靠性，自動(dòng)切換到單一GNSS操作模式。

　　該接收模塊功耗低、重量輕、定位速度快，具有GNSS引擎，支持GPS和北斗通信，具有功耗低、導(dǎo)航精度高、費(fèi)用低、支持并行數(shù)據(jù)處理、體積小巧等特點(diǎn)。除此之外，NEO-M8系列提供了高靈敏度和低電壓供應(yīng)下的最小反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)為價(jià)格敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，并且NEO-M8N也提供了更簡(jiǎn)單的RF射頻集成，便于使用。

2.1.2 硬件模塊的設(shè)計(jì)

　　方案中采用Atmel公司型號(hào)為ATmega128a的8位MCU，擁有128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的RISC結(jié)構(gòu)，可通過(guò)ISP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。

　　定位終端是整個(gè)系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，應(yīng)具備以下功能：

　　(1)定位功能

　　鐵路巡線工人工作的時(shí)候?qū)⒃搶?dǎo)航定位終端攜帶在身上，待完成工作之后，將獲取的數(shù)據(jù)讀出即可反映出巡邏的路線，這就要求雙模定位終端能夠接收到GPS和北斗的雙模定位信息。

　　(2)FLASH存儲(chǔ)功能

　　目標(biāo)手持多模定位終端可通過(guò)FLASH存儲(chǔ)芯片將巡線過(guò)程中接收到的定位信息保存，待鐵路巡線結(jié)束后，將數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)，然后通過(guò)短報(bào)文發(fā)送給中心監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

　　按照定位終端的需求，本系統(tǒng)主要分為三大模塊，即北斗慣組定位模塊、MCU控制模塊和FLASH存儲(chǔ)模塊，其總體工作框圖如圖2所示。

　　MCU控制模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)完成以下工作：

　　(1)讀取衛(wèi)星導(dǎo)航所定位的位置信息，并將其有用的信息進(jìn)行提取;

　　(2)對(duì)提取的信息進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳送到FALSH模塊上存儲(chǔ)。

　　GPS模塊實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)的接收，在Vcc供給電壓端和芯片接地端用到了兩個(gè)直流板上型電感L1、L2，主要目的是為了抑制電磁干擾。

　　慣組電路模塊實(shí)現(xiàn)了其在信號(hào)不佳或沒(méi)有信號(hào)情況下的定位或?qū)Ш健?/p>

　　本設(shè)計(jì)采用的是MT29F16G08ABABAWPITB系列FLASH存儲(chǔ)器，直接連接到AVR的MCU上，主要用來(lái)存放GPS/北斗芯片接收到的定位數(shù)據(jù)。

　　考慮到裝置的工作環(huán)境需要電源電壓穩(wěn)定與可靠，本設(shè)計(jì)采用穩(wěn)壓NCV1117DT50T5G系列芯片，這是低壓差正電壓穩(wěn)壓器，具有較高精度，能夠提供一個(gè)超過(guò)1.0A的輸出電流。具有內(nèi)部保護(hù)特點(diǎn)，包括輸出電流限制，安全工作區(qū)補(bǔ)償并支持熱關(guān)。該系列也具有很好的通用性，且使用范圍非常廣泛。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是北斗數(shù)據(jù)采集處理。首先北斗定位模塊開(kāi)始工作，接收到位置信息，然后對(duì)接收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后只輸出經(jīng)緯度等系統(tǒng)所需要的信息，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給MCU控制模塊。MCU將收到的經(jīng)緯度等信息傳輸給存儲(chǔ)模塊。

　　從定位模塊所接收到的NMEA語(yǔ)句信息中提取經(jīng)度、緯度等數(shù)據(jù)。本終端所用定位芯片可接收許多格式的語(yǔ)句，由NMEA0183協(xié)議可以看出，RMC格式的語(yǔ)句是包含完整的數(shù)據(jù)信息的、數(shù)據(jù)量最小的定位信息。因此，在該設(shè)計(jì)中，選擇$GNRMC語(yǔ)句來(lái)提供雙模定位信息，$GNRMC語(yǔ)句的字段表示為：

　　$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13>

　　其中，<3>,<4>,<5>,<6>代表了系統(tǒng)所需要的經(jīng)緯度信息，因此，在數(shù)據(jù)處理中就是要提取出這四個(gè)字段的內(nèi)容。

　　要使雙模定位模塊只輸出$GNRMC語(yǔ)句，需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，本設(shè)計(jì)采用數(shù)組的方式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，首先判斷串口收到的數(shù)據(jù)格式是否為$GNRMC，若不是$GNRMC，則接收的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;若是$GNRMC，則接受的數(shù)據(jù)正確。接收到$GNRMC時(shí)，開(kāi)始存儲(chǔ)定位所要的數(shù)據(jù)，$GNRMC字段是以“，”分隔的，判斷定位是否有效，是看第二個(gè)“，”后收到的數(shù)據(jù)，若是“A”，則定位有效，開(kāi)始接收之后的經(jīng)緯度等數(shù)據(jù);若是“N”，則定位無(wú)效，重新接收數(shù)據(jù)。將接收到的有用信息提取并保存到數(shù)組中，最后接收到“*”終止符時(shí)，說(shuō)明本次數(shù)據(jù)接收完畢。北斗/GPS雙模定位模塊的數(shù)據(jù)處理基本流程圖如圖8所示。

3 接收測(cè)試

　　驗(yàn)證接收終端模塊時(shí)，主要完成的任務(wù)是獲取目標(biāo)的位置信息，如圖9所示。定位測(cè)試后就要對(duì)活動(dòng)軌跡的顯示進(jìn)行測(cè)試，可以使監(jiān)控人員更直觀地了解目標(biāo)的動(dòng)態(tài)，需要在地圖上實(shí)時(shí)地顯示目標(biāo)所走過(guò)的軌跡，如圖10所示為監(jiān)控目標(biāo)的活動(dòng)軌跡。從圖中可以很直觀地看到目標(biāo)行走的軌跡，這便有利于監(jiān)控人員掌握鐵路巡線員巡線狀態(tài)。

4 總結(jié)

　　本文采用GPS/北斗模塊和MCU設(shè)計(jì)了基于鐵路巡線的衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端，完成了鐵路巡線監(jiān)測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)，給出了此裝置中幾個(gè)重要的模塊電路原理圖，提供了定位終端軟件的基本流程，并對(duì)整體功能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，基本實(shí)現(xiàn)了所設(shè)定的功能要求，具有一定的應(yīng)用推廣前景。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第48頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。