基于新一代北斗卫星导航系统的智能车载终端设计
2023-05-05解志恒
解志恒
（烟台国丰投资控股集团有限公司 山东省烟台市 264003）
文章举例设计的搭载新一代北斗卫星导航系统的智能车载终端，其核心为 ARM9 微处理器和嵌入式 Linux系统，并在此基础上添加了包含诸多功能的相应模块。智能车载终端功能较多且结构较为复杂，因此需要在明确系统整体设计要点的思路上，从硬件与功能两个角度展开设计分析，细化功能结构、芯片选型、电路设计、工作流程、模块功能以及定位模块解析等内容，进而从根本上解决以往汽车行驶记录仪功能单一且通信较差的问题，为未来智能交通发展奠定基础。
1 智能车载终端系统总体设计
（1）路况信息收集系统。此系统由于融合了嵌入式技术等诸多先进技术，使得无论是行驶的车辆信息还是各个路段的实际情况均可展开自动采集并将采集信息上传至交通信息处理系统[1]。例如对速度进行检测的测速雷达、对事故进行自动检测的相关系统等。
（2）交通信息处理系统。作为整个ITS 系统（智能交通系统）的核心，交通信息处理系统可用于对道路实际情况的相关信息进行自动化处理以及对应处理方案的存储。此系统由于使用了针对特定数据的相应处理算法，进而使得路况信息的处理过程更为方便，并在天气预报、信息登记等系统配合下，实现对路况的客观分析，并自动将分析结构上传至数据库中。
（3）远程监控管理系统。作为ITS 系统决策核心，交管部门可充分利用此系统对交通路况进行实时监控，从而确保拥堵路段的疏导及时性，并可针对具体事件制定并落实相应的管制策略，达到对交通资源配置予以优化的目的[2]。而交通运输企业同样可基于此系统，实现对企业运输车队的监控，并可结合路况信息与实际需求制定行驶路线并展开车辆调度。
（4）交通信息发布与查询系统。从该系统的实际应用情况来看，可对相应输出的路况信息进行自动化处理，并获取到相应结果，通过诸如电子情报版以及路况信息网站等途径向出行人员发布路况信息。
（5）智能车辆管理与服务系统。该系统包含了事故救援、交通执法、路径诱导等内容，是实现自动化与智能化车辆管理的关键手段。
（6）其他辅助系统，包括卫星导航、无线通信、地理信息等系统类型，可为智能交通管理提供需求信息。
ITS 系统通过收集路况信息、车辆信息，可实现发布路径诱导与调度行驶车辆，为出行者提供便利的出行服务条件[3]。集成化与广域化是ITS 系统的未来发展方向，若仅仅基于以往功能单一的车载终端则无法满足用户多样化的实际需求，这就需要优化远程监控、车辆调度以及自动化管理等功能，完善智能车载终端，其是推动智能交通系统持续发展的核心因素。图1 为智能交通系统体系结构。
图1：智能交通系统体系结构示意图
2 智能车载终端硬件平台设计
2.1 硬件结构设计
（1）主控制模块，其核心为ARM 微处理器，负责指令集成、命令发出以及统一模块功能调度等；
（2）电源模块，可将汽车电源所提供的9 ～36 伏电压，转化为需求的5 伏与3.3 伏标准直流电压；
（3）数据存储模块，此类模块通常应用于所产生行驶记录数据的实时存储，并能够对在车载终端运行过程中的软件系统功能代码进行存储[4]。车辆事故疑点数据同样可借助于此模块进行保存，文章中举例设计最终确认使用 SDRAM+NAND FLASH+铁电存储器；
（4）位置信息采集模块，此模块通常应用于针对车辆行驶过程中位置变化信息的实时采集，并具有将过程中所接收到的物理信号做转化解析处理的作用，并传输至CPU 进行后续分析；
（5）无线通信模块，其中安装的GPRS 模块用于将远程监控中心与车载终端相连接，进而实现对车辆往来进行远程监控与调度；
（6）车辆数据采集模块，可用于车辆信息采集，包括车辆速度、数字量参数、模拟量参数等；
（7）RFID 模块，用以实现车辆管理服务系统与车载终端之间的通信；
（8）LCM 显示模块，可基于个人需求进行终端参数设置，主要用于对各类接收信息予以显示；
（9）I/O 接口模块，可为八廓语音设备、SD 卡、摄像头等功能独立的设备提供接入端口。
2.2 模块芯片选型
2.2.1 核心控制模块芯片选型
举例设计采取的 ARM920T 核心具有低功耗与高性能特点，支持 Linux 系统。芯片供电采用3.3 伏，普通运行模式下功耗为386mW。CPU主频最高可达533兆赫，可满足当下终端对数据处理速度的需求。
2.2.2 电源模块设计
对于智能车载终端来说，在其工作状态下能否保证相关功能的正确发挥，与工作电压是否稳定存在着紧密联系，这也是在设计车载终端时极为关键的内容。举例设计的5 伏电压配套使用 MP2467DN 高频开关式降压稳压芯片，最大输出电流可达2.5 安，且功率转换可达到95%，兼顾了过流与过热保护等功能；3.3 伏电源模块将5 伏电源作为主要的输入电压，配合使用PAM3110ALA330R 低压降三端稳压芯片作为电压转换芯片，该芯片具有压降低与电流稳定等特点，兼顾了短路保护与内部限流等诸多功能。
2.2.3 定位模块设计
定位模块主要功能为对新一代北斗导航系统（BDS）信号的接收与解析，举例设计不仅需要考虑到能否与新一代BDS 导航车载终端的相应功能已经匹配 同时需要确认所使用定位技术的主要应用优势以及在此基础上所延伸出的未来产品的功能扩展趋势，因此选择的定位模块芯片为BDS/GPS 双模卫星定位芯片。接收芯片的内部集成了TD1010 与双模射频芯片，可根据实际需求选择对应工作模式，并可进行自由切换，定位精度可控制在5 米以内。
2.2.4 GPRS 通信模块设计
DTU 模块现已被应用于多种类型的无线通信设备中，且在其中所使用的相关技术经由长期完善已经颇为成熟。基于对所使用的车载终端的设计要点进行分析可发现， GPRS DTU 的使用需要对所处高温与高振动环境下的稳定无线数据连接予以考虑，从而确保在永久在线条件下针对车辆实施远程监控。举例设计中所采取的为FIBOCOM G610-A50-00 GSM/GPRS，该通信模块即使在高温高湿与电磁干扰较为恶劣的环境下，依旧能够维持其正常工作状态。该芯片采取3.3 至4.5 伏供电，休眠模式下的工作电流仅为1.6 毫安，并配备多个扩展接口。
2.2.5 射频识别模块设计
当下所使用的射频识别技术中的中高频与低频在应用期间所能够达到的通信距离，相较高频能够传播的通信距离要短的多，一般在1 米以内，而微波段的通信距离最高可达到上百米，且通信速率相对较高。但需要注意的是，此频段经常会受到环境的影响，使得其电磁波方向性表现出较强的特征。而超高频433 兆赫本身有着较强障碍物穿透与抗干扰能力，这也是其被应用于门禁系统、无线传感网络以及身份识别领域的主要原因。超高频频 860～960 兆赫，在满足对较远通信距离与较高通信速率需求的前提下，其抗环境干扰性同样较强，在多个领域均展现出了其应用优势。
举例设计所使用的模块为挪威 Nordic 公司的单片无线收发器芯片NRF905，包含了433/868/915MHz 三个 ISM 频段，工作电压维持在1.9 至3.6 伏范围内，不仅功耗较低，且可达到最高50KBPS 的发射速率。从硬件层面分析，此芯片可满足各个系统之间的短程通信需求，并可在未来通过OTA 升级获取到更多功能。文章介绍终端所使用芯片的发射频段被选择为915 兆赫，与我国当下所使用的ETC 系统频段相匹配。
3 智能车载终端功能实现
3.1 车载终端软件系统工作流程
智能车载终端主程序流程图如图2所示。
图2：智能车载终端主程序流程图
在终端通电并正式启动后，即可展开针对硬件所处的初始化状态以及设备运行情况的全面检测。这一过程中只需要将驾驶员的相关信息输入到对应系统设备中，即可根据自身需求将功能模块启动。所采集信息种类包括时间、里程、速度以及车门、转向灯动作数字量。
3.2 GPRS无线通信模块功能实现
对于无线通信模块来说，其最为关键的应用功能在于传输给监控平台相应的需求车辆信息，以车辆在行驶过程中的位置变化信息为主。远程平台在无线通信模块的协助下能够获取到针对车辆展开集中监控、实时跟踪、信息调度以及信息查询的基础条件。举例设计中选择使用 G610 模块内置 TCP/IP 协议栈的形式，从设计层面来看可支持终端设备的自动拨号或永久在线，且可基于串口发送模块数据，进而将软件开发工作量予以简化。
在终端处于正常工作的状态下， S3C2440A 微处理器通过串口可发送相应的AT 指令，用以对无线数据传输模块进行数据接收与发送。完成TCP 连接建立工作后，即可将对应的消息处理函数依照预设要求，将所获取到的信息展开特定需求下的对应格式处理工作，并将处理完成后所获得的相应信息根据需要存入到消息队列中。G610 可在完成对串口数据包的接收任务后，展开相应的封装工作并转化为 TCP/UDP 包，发送至缓冲区，接收由远程监控中心发出消息后，即可取出缓冲区内的数据包进行子函数解析。正式的收发数据前，需要确保终端处于正常工作状态，从而为相应的GPRS 模块以及串口提供TCP 连接条件，建立起与远程平台之间的数据收发关系。整个通信模块的主程序流程图如图3所示。
图3：通信模块的主程序流程图
AT 指令应用领域一般为建立终端设备之间的通信渠道，在这一过程中所使用的AT 指令集显经由长期完善为其设定了相对固定的发送标准，均将AT 作为前缀，结尾为
3.3 定位模块数据解析与存储
BDS 卫星信号接收模块的工作状态下，一般可在芯片的协助下实现针对所获取的卫星信号的及时处理，并能够将其进行标准语句的转换，最终从所提供的串口管脚位置进行输出。从这一点来看，终端定位功能的精准性与芯片输出定位信息能否进行及时且准确的解析与存储密切相关。
NMEA 协议由美国制定，制定初期主要用于保证海洋电子设备之间的通信效果。通过对这一协议的持续更新，使得其已经能够满足测深仪、罗经方位系统以及GPSD 等导航测量设备的功能使用需求，制造商能够根据自身需求为相应的设备提供通信协议的添加条件，一般可在不接受相应的许可条件下展开自行添加工作，进而使得该协议灵活性予以强化。伴随协议发展至今，其已经成为当下导航领域的主要业内标准。以TD3020D为例，其处于正常工作状态时，可利用UTC 输出格式为 NMEA-0183 的定位信息语句，并能够根据需要进行自定义。
4 结束语
综上所述，基于ITS 能够起到针对交通资源展开自动化优化与配置的作用，在这一背景下得以将发生交通事故的整体风险进一步降低，俨然已经成为了交通运输行业的主要发展方向，展现出了智能化与信息化的发展趋势。在将新一代北斗卫星导航系统融入到我国智能交通系统后，赋予了新的应用优势，尤其是在智能车载终端中的应用，更是在动态实时监控与交通信息采集的过程中，具备了多样化的服务特点，并可基于短程无线通信与移动通信网络，实现车载终端与ITS 互联通信的目标，为未来智能交通领域的进一步发展奠定坚实基础。
