PC/104在GPS車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(dòng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(duì)機(jī)動(dòng)車輛實(shí)施管理、調(diào)度、救生、咨詢或進(jìn)行防盜等多種功能，幅度提高交通管理質(zhì)量。對(duì)集團(tuán)用戶則可以提高車輛的營運(yùn)效率，降低營運(yùn)成本。

為了實(shí)現(xiàn)ITS智能交通系統(tǒng)，如何進(jìn)行車輛定位是一個(gè)關(guān)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(jī)動(dòng)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(fèi)的高精度標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)/導(dǎo)航定位服務(wù)，通過車載GPS接收機(jī)可以實(shí)時(shí)地獲得車輛的經(jīng)緯度位置和時(shí)間等關(guān)鍵信息。也正因?yàn)榇?，GPS系統(tǒng)成為當(dāng)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(jìn)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(jì)算機(jī)應(yīng)用在GPS車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，討論了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。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(wù)，以及GIS系統(tǒng)的應(yīng)用密不可分。以下將對(duì)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(dǎo)航星”（NAVSTAR）系統(tǒng)，1993年12月8日由美國國防部建成并投入運(yùn)營。該系統(tǒng)將24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)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(shí)刻都處于不少于4顆衛(wèi)星的觀測之下。GPS接收機(jī)通過天線接收衛(wèi)量信號(hào)和導(dǎo)航電文，然后進(jìn)行碼測量或相位測量，依據(jù)導(dǎo)航電文提供的衛(wèi)星位置和鐘差改正信息，就可確定4個(gè)導(dǎo)航參數(shù)：緯度、經(jīng)度、高度和時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航。GPS接收機(jī)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(hào)。

2.2 定位業(yè)務(wù)（LCS）

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

2.3 GIS地理信息系統(tǒng)

GIS地理信息系統(tǒng)能以一個(gè)空間信息為主線，將其它各種與其有關(guān)的空間位置信息結(jié)合起來，是以計(jì)算機(jī)為手段，對(duì)具有地理特征的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的軟件系統(tǒng)。GIS的用途十分廣泛，可以為各類應(yīng)用目的服務(wù)，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(shè)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(jìn)和深化GIS各類應(yīng)用已經(jīng)成為國內(nèi)外科技界和產(chǎn)業(yè)界的一大熱點(diǎn)。

GIS的理論基礎(chǔ)主要有兩大支柱：地球科學(xué)和信息科學(xué)。前者涉及地物空間信息及其關(guān)系信息的獲取、分類模型及語音表示中的理論問題和實(shí)踐問題，后者則涉及信息的組織、存儲(chǔ)、處理、可視化表示及傳輸中的理論問題和實(shí)踐問題。GIS的技術(shù)基礎(chǔ)包括遙感技術(shù)、定位技術(shù)和信息技術(shù)的各個(gè)方面。其發(fā)展趨勢(shì)之一是OpenGis（開放地理數(shù)據(jù)互操作）；發(fā)展趨勢(shì)之二是全關(guān)系化，其目標(biāo)就是大大提高空間數(shù)據(jù)的建設(shè)、分析速度，大大簡化GIS應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。GIS發(fā)展的總趨勢(shì)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(dǎo)航地圖來描述城市道路交通信息，而電子導(dǎo)航地圖即屬于GIS地理信息系統(tǒng)的一種應(yīng)用。

3 GPS車輛定位系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

車載設(shè)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(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在產(chǎn)品中嵌入微機(jī)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(shè)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(yīng)用就意味著能夠大幅度地降低開發(fā)成本、減小風(fēng)險(xiǎn)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(hù)和技術(shù)支持。

PC/104計(jì)算機(jī)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(yīng)用的獨(dú)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(jī)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(yīng)用。

現(xiàn)在市場上銷售的PC/104計(jì)算機(jī)型號(hào)一般都在486以上，具有兩個(gè)串行口和一個(gè)并行口。在GPS車輛定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，可以將兩個(gè)RS232串行口分別用于GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)接收和RTCM104差分GPS修正擴(kuò)展。一個(gè)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(kuò)展成用戶鍵盤直接連接在PC/104的標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)硬盤使用。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(shí)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(hù)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(shí)間行走的軌跡）；接受并處理報(bào)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(jī)動(dòng)車輛實(shí)施管理、調(diào)度、救生、咨詢或進(jìn)行防盜等多種功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

GPS車輛定位系統(tǒng)軟件編制工作主要集中在GPS信號(hào)接收、電子導(dǎo)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(gè)方面。其中難點(diǎn)在于電子導(dǎo)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(shè)計(jì)電子導(dǎo)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(fèi)用。

②引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)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(yīng)用目標(biāo)開發(fā)。這種方法比較簡單易行，主要缺點(diǎn)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(dú)立運(yùn)行。

③利用支持對(duì)象技術(shù)的高級(jí)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(yīng)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(jì)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(diǎn)是開發(fā)周期短、成本低、可以脫離大型商業(yè)GIS軟件平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，為不熟悉GIS技術(shù)的團(tuán)和個(gè)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(yīng)用開發(fā)，也為了MapInfo 的普及推廣，MapInfo推出了能讓用戶進(jìn)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(yīng)用系統(tǒng)?？梢詧?zhí)行復(fù)雜而先進(jìn)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(yīng)用軟件集成，能實(shí)現(xiàn)MapInfo與其他應(yīng)用程序的連接。在MapBasic開發(fā)環(huán)境的支持下，可將MapInfo應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域（如決策支持、多媒體數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、衛(wèi)星定位應(yīng)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(dāng)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(gè)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(yīng)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(gè)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(fèi)較少的時(shí)間和財(cái)力使用Mapinfo MaXP提供的先進(jìn)地理信息系統(tǒng)功能。

4 結(jié)束語

在國內(nèi)，針對(duì)GPS車輛定位系統(tǒng)的研究方興未艾，在系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用中還有許多問題需要研究解決；（1）針對(duì)GPS車輛定位系統(tǒng)的性能指標(biāo)，選擇一個(gè)合理的GPS接收機(jī)； （2）各城市電子導(dǎo)航地圖的制作需要專業(yè)人員按統(tǒng)一格式嚴(yán)格制作，以便于統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享。因?yàn)楝F(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?yàn)榈缆方煌ㄐ畔⒘枯^大，故需研究一下可以滿足實(shí)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(shí)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(dòng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的共同發(fā)展和完善。本文將PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用在GPS車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，討論了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。