PC/104在GPS車輛定位系統(tǒng)設計中的應用

1 引言

為了緩解現(xiàn)代城市交通的壓力，近年來出現(xiàn)了將最新的GSM（全球移動通信系統(tǒng)）、GPS（全球定位系統(tǒng)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合的ITS智能交通系統(tǒng)。通過此系統(tǒng)可以合理利用和充分發(fā)揮現(xiàn)有道路的交通潛力，有效解決交通擁擠的現(xiàn)象。借助于高科技手段，ITS系統(tǒng)可以對機動車輛實施管理、調(diào)度、救生、咨詢或進行防盜等多種功能，幅度提高交通管理質(zhì)量。對集團用戶則可以提高車輛的營運效率，降低營運成本。

為了實現(xiàn)ITS智能交通系統(tǒng)，如何進行車輛定位是一個關鍵性的問題。GPS車輛定位系統(tǒng)，是借助GPS全球定位系統(tǒng)為機動車輛提供定位信息的系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)可以提供全球覆蓋、全天候、免費的高精度標準授時/導航定位服務，通過車載GPS接收機可以實時地獲得車輛的經(jīng)緯度位置和時間等關鍵信息。也正因為此，GPS系統(tǒng)成為當前車輛定位的首選方案。車輛定位系統(tǒng)將GPS系統(tǒng)獲得的經(jīng)緯度信息進行地圖匹配，以確定車輛在城市交通道路中的具體位置。 本文將PC/104嵌入式計算機應用在GPS車輛定位系統(tǒng)設計中，討論了系統(tǒng)的軟硬件設計。2 GPS車輛定位系統(tǒng)工作原理 GPS車輛定位系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

從圖1可以看出GPS車輛定位系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)、定位業(yè)務，以及GIS系統(tǒng)的應用密不可分。以下將對它們的研究現(xiàn)狀加以簡要介紹。

2.1 GPS全球定位系統(tǒng)

GPS原名“導航星”（NAVSTAR）系統(tǒng)，1993年12月8日由美國國防部建成并投入運營。該系統(tǒng)將24顆衛(wèi)星分布在6個等間隔空間軌道上，其中有三顆備用星。這種分布可以保證全球任意地區(qū)、任何時刻都處于不少于4顆衛(wèi)星的觀測之下。GPS接收機通過天線接收衛(wèi)量信號和導航電文，然后進行碼測量或相位測量，依據(jù)導航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差改正信息，就可確定4個導航參數(shù)：緯度、經(jīng)度、高度和時間，從而實現(xiàn)定位和導航。GPS接收機僅接收數(shù)據(jù)，因此在同一地區(qū)可以有任意數(shù)目的用戶接 GPS信號。

2.2 定位業(yè)務（LCS）

移動通信發(fā)展到今天，最能體現(xiàn)它勃勃生機的地方在于其豐富多彩的數(shù)據(jù)業(yè)務和增值業(yè)務。移動定位業(yè)務作為移動通信網(wǎng)的一種增值業(yè)務，在這一發(fā)展機遇下也悄然興起。據(jù)預測，到2004年，在各種移動通信業(yè)務用戶數(shù)排名中，定位業(yè)務用戶數(shù)將位居第二，成為僅次于語音業(yè)務的增值業(yè)務。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）早在1996年，就規(guī)定美國的移動通信公司必須在2001年前為每位擁有手機的用戶提供定位業(yè)務，使這些用戶能夠用手機撥打911緊急救援電話（相當于中國的110電話）。FCC還對所要提供的位置精度作了規(guī)定。由于定位業(yè)務的深遠影響，GSM的標準組織ETSI也委托美國的T1P1為GSM制定Phase 2+的定位業(yè)務標準，并已納入到ETSI的標準當中，同時，AMPS、CDMA、尋呼系統(tǒng)等移動通信系統(tǒng)都在積極開發(fā)定位業(yè)務，許多廠商已經(jīng)開發(fā)出了許多定位設備，提供精度越來越高的定位業(yè)務。它的應用前景主要集中在以下幾點：緊急救援、車輛導航和智能交通系統(tǒng)（ITS）、工作調(diào)度和團隊管理、移動黃頁查詢、與距離有關的計費等。

2.3 GIS地理信息系統(tǒng)

GIS地理信息系統(tǒng)能以一個空間信息為主線，將其它各種與其有關的空間位置信息結(jié)合起來，是以計算機為手段，對具有地理特征的空間數(shù)據(jù)進行處理的軟件系統(tǒng)。GIS的用途十分廣泛，可以為各類應用目的服務，例如交通、能源、農(nóng)林、水利、測緩、地礦、環(huán)境、航空、國土資源綜合利用等等。在未來“數(shù)字地球”的建設中，GIS將起到十分重要的作用。研究GIS的理論與技術(shù)、開發(fā)GIS軟件產(chǎn)品以及推進和深化GIS各類應用已經(jīng)成為國內(nèi)外科技界和產(chǎn)業(yè)界的一大熱點。

GIS的理論基礎主要有兩大支柱：地球科學和信息科學。前者涉及地物空間信息及其關系信息的獲取、分類模型及語音表示中的理論問題和實踐問題，后者則涉及信息的組織、存儲、處理、可視化表示及傳輸中的理論問題和實踐問題。GIS的技術(shù)基礎包括遙感技術(shù)、定位技術(shù)和信息技術(shù)的各個方面。其發(fā)展趨勢之一是OpenGis（開放地理數(shù)據(jù)互操作）；發(fā)展趨勢之二是全關系化，其目標就是大大提高空間數(shù)據(jù)的建設、分析速度，大大簡化GIS應用軟件的設計。GIS發(fā)展的總趨勢是從以系統(tǒng)為中心向以數(shù)據(jù)為中心發(fā)展。并且，GIS/GPS技術(shù)的一體化一直是GIS技術(shù)界努力的方向。

在車輛定位系統(tǒng)中，需要電子導航地圖來描述城市道路交通信息，而電子導航地圖即屬于GIS地理信息系統(tǒng)的一種應用。

3 GPS車輛定位系統(tǒng)軟硬件設計

3.1 硬件設計

車載設備的具體工作環(huán)境要求GPS車輛定位系統(tǒng)的體積要盡可能小、可靠性要盡可能高。因此，系統(tǒng)硬件核心部分適宜選擇某種嵌入式計算機。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在產(chǎn)品中嵌入微機作為控制器已開始隨處可見。由于PC體系結(jié)構(gòu)的廣泛流行，與PC兼容的軟件、硬件、外設和開發(fā)工具都比其它體系結(jié)構(gòu)更豐富、更便宜，將PC體系結(jié)構(gòu)用于嵌入式應用就意味著能夠大幅度地降低開發(fā)成本、減小風險及縮短開發(fā)周期，而且減少了許多令人頭疼的系統(tǒng)維護和技術(shù)支持。

PC/104計算機可以滿足以上要求，它體積小、集成度高，提供與PC總線在體系結(jié)構(gòu)、硬件和軟件上的完全兼容，而且結(jié)構(gòu)緊湊的棧接式模塊很適合嵌入式控制應用的獨特要求。由于使用CMOS器件，PC/104模塊功耗低，不存在散熱問題，工作溫度范圍寬（0～70℃）；結(jié)構(gòu)緊固，非常緊湊，所占面積只有90mm×96mm，超小的體積使安裝和攜帶都很方便；減少了產(chǎn)品部件的數(shù)量；由模塊構(gòu)成的系統(tǒng)，直接疊裝，無需機箱和底板；并且具有良好的抗沖擊、抗震特性。已有的PC/104模塊為構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)提供了種類繁多的各種構(gòu)件，它能高集成性和可模塊化的結(jié)構(gòu)適用于多種應用。

現(xiàn)在市場上銷售的PC/104計算機型號一般都在486以上，具有兩個串行口和一個并行口。在GPS車輛定位系統(tǒng)硬件設計中，可以將兩個RS232串行口分別用于GPS接收機數(shù)據(jù)接收和RTCM104差分GPS修正擴展。一個并行口可外接液晶顯示屏。通過配套的萬用鍵盤接口，可以將薄膜鍵盤擴展成用戶鍵盤直接連接在PC/104的標準鍵盤接口上使用。此外，PC/104還可以選擇各種容量的固態(tài)盤芯片和電子盤作為數(shù)據(jù)存儲硬盤使用。系統(tǒng)硬件設計原理圖如圖2所示。

GPS車輛定位系統(tǒng)在完成地圖匹配后，需將行車路徑顯示在液晶屏上。如果需要，還可顯示時間、精度、緯度及海拔等觀測量。此外用戶可以通過發(fā)送指令完成地圖縮放和信息查詢；記錄和維護歷史軌跡，支持軌跡重放（即能夠通過液晶顯示器顯示車輛在某一段時間行走的軌跡）；接受并處理報警信息等。通過通信網(wǎng)傳輸車輛的位置信息，還可以完成機動車輛實施管理、調(diào)度、救生、咨詢或進行防盜等多種功能。

3.2 軟件設計

GPS車輛定位系統(tǒng)軟件編制工作主要集中在GPS信號接收、電子導航地圖的開發(fā)與管理，以及地圖匹配和定位信息顯示等幾個方面。其中難點在于電子導航地圖的開發(fā)與管理，這屬于GIS系統(tǒng)范疇，其開發(fā)形式主要有三種：

①自主設計電子導航地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫，利用Visual C++、Visual Basic等編程語言開發(fā)GIS系統(tǒng)軟件。這種開發(fā)形式要求必須具備雄厚的科研力量和巨額的開發(fā)費用。

②引進國內(nèi)外先進的GIS系統(tǒng)軟件，利用其提供的二次開發(fā)工具，結(jié)合自己的應用目標開發(fā)。這種方法比較簡單易行，主要缺點是移值性差，并且受開發(fā)工具的限制，不能脫離原系統(tǒng)軟件環(huán)境而獨立運行。

③利用支持對象技術(shù)的高級語言和GIS廠商提供的控件構(gòu)成面向最終用戶的可執(zhí)行應用程序。利用這些控件開發(fā)的GIS被稱為嵌入式的GIS。這種方法是隨著20世紀90年供興起的控件技術(shù)的發(fā)展而開始流行的，它的特點是開發(fā)周期短、成本低、可以脫離大型商業(yè)GIS軟件平臺獨立運行，為不熟悉GIS技術(shù)的團和個人提供使用上的便利，是未來GIS開發(fā)的重要方向。

例如：MapInfo是美國MapInfo Corpration開發(fā)的桌面地理信息系統(tǒng)軟件，為用戶提供完整的地理信息解決方案。為了方便用戶應用開發(fā)，也為了MapInfo 的普及推廣，MapInfo推出了能讓用戶進行二次開發(fā)和使MapInfo智能化的MapBasic編程語言。使用MapBasic語言可以使用戶方便地開發(fā)專門的MapInfo應用系統(tǒng)?？梢詧?zhí)行復雜而先進的數(shù)據(jù)庫查詢操作。此外，MapBasic程序易于諸如Visual Basic、C++、Visual C++、Power Builder、Delphi等語言編寫的應用軟件集成，能實現(xiàn)MapInfo與其他應用程序的連接。在MapBasic開發(fā)環(huán)境的支持下，可將MapInfo應用于各種不同的領域（如決策支持、多媒體數(shù)據(jù)庫應用、衛(wèi)星定位應用系統(tǒng)等）。從而可用其開發(fā)出與GPS相結(jié)合的車輛定位系統(tǒng)。

當今，比較前衛(wèi)的桌面地理信息系統(tǒng)開發(fā)工具是Mapinfo MapX，它是Mapinfo公司新近推出的GIS產(chǎn)品，它不同于Mapinfo是Professional Runtimes和Map Basic，它是一個OCX控件。開發(fā)人員使用它可將桌面地理信息系統(tǒng)的功能嵌入一系列軟件應用中，從而滿足用戶的特定需求。它可在諸如AB、VC、Power Build或Delphi這些可視化編程環(huán)境中調(diào)用。由于Mapinfo MaXP不再是一個專有程序語言，使用人員可在原有熟悉的編程環(huán)境下花費較少的時間和財力使用Mapinfo MaXP提供的先進地理信息系統(tǒng)功能。

4 結(jié)束語

在國內(nèi)，針對GPS車輛定位系統(tǒng)的研究方興未艾，在系統(tǒng)實際設計與應用中還有許多問題需要研究解決；（1）針對GPS車輛定位系統(tǒng)的性能指標，選擇一個合理的GPS接收機； （2）各城市電子導航地圖的制作需要專業(yè)人員按統(tǒng)一格式嚴格制作，以便于統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享。因為現(xiàn)階段的地圖制作還處于不同公司或不同部門開發(fā)，誰開發(fā)誰管理的階段，數(shù)據(jù)庫格式不能兼容。因為道路交通信息量較大，故需研究一下可以滿足實際需求的GIS系統(tǒng)。 （3）在城市中逐漸建立起完善的ITS智能交通系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)車輛定位、管理和調(diào)度等多種功能。 以上這些都有賴于GSM（全球移動通信系統(tǒng)）、GPS（全球定位系統(tǒng)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡技術(shù)的共同發(fā)展和完善。本文將PC/104嵌入式計算機應用在GPS車輛定位系統(tǒng)設計中，討論了該系統(tǒng)的軟硬件設計。