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采用北斗模块的车载监控终端设计与实现

2014-5-22 14:11| 发布者: dzly| 查看: 1474| 评论: 0

摘要: 提出一种以北斗(BD)模块为核心、以通用分组无线业务(GPRS)为通信方式的车载监控终端方案。该终端采用高集成、高 速率、低功耗的Cortex-M3 内核处理器,通过BD 模块等传感器采集车辆信息,通过GPRS 模块传输到管理中心。采用软硬件协 同设计,提高了终端的可靠性,非常适合车载应用环境。

  0 引言
  卫星导航系统发展迅速,已成为全球性的高新技术产业。目前基于GPS 的车载监控终端容易受制于人,在战时急时,美国可以在GPS 系统中加入误差甚至关闭GPS 信号。从战略安全、经济利益等方面,国家必将全力推广北斗系统的应用。目前北斗二号系统已经覆盖亚太运行,各行业的北斗二号示范工程开展迅速,因此十分有必要采用北斗模块设计车载监控终端。
  1 监控系统总体架构
  整个车辆监控系统总体架构如图1 所示,由管理中心和车载监控终端两部分组成。系统综合BD/GPS 卫星定位、GPRS、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、GIS、数据库、计算机控制等多项现代信息技术,将用车人信息、运行状态、实时位置以及车辆速度等数据上传到管理中心,实现对车辆状态和位置监控,完成车辆的科学调度,并对人员用车情况进行统计分析,为车辆监控管理提供有效数据,从而提高车辆利用率,降低运营成本。


  1.1 管理中心
  管理中心的主要功能有身份识别、区域限行、实时监控、应急调度等。由防火墙、通信服务器、门户服务器、数据库服务器、地图服务器、存储阵列支撑平台、管理软件包等组成。
  1.2 车载监控终端
  终端通过BD 模块、RFID 读卡器等传感器监测车辆的位置状态,并以通过GPRS APN 专线方式向通信服务器回传信息, 同时监听管理中心指令,执行相关操作。
  2 车载监控终端方案设计


  车载监控终端原理框图如图2 所示,由主机(含BD/GPS 定位模块、GPRS 模块、控制模块等)和身份识别读卡器组成。主机支持单GPS 定位,单BD 定位和组合定位三种定位模式,可接收管理中心下发的指令切换定位模式,保证车载终端定位结果的准确性、可用性。车载监控终端电气接口,物理接口和数据协议完全兼容现有的单GPS 定位系统,设计上充分考虑到车载应用的电磁环境和温度湿度特性,具备良好的电磁兼容性,灵活可配置的功耗模式,在定位数据的可用行、安全性和可靠性方面做了专门的优化设计。
  各组成单元功能分别如下:辆信息传感器单元
  车辆的速度、经纬度位置、时间和方向信息由BD/GPS 定位模块提供,而车辆发动机的行使/ 停止、点火状态等由IO 转换器直接采集。BD/GPS 定位模块采用以BD 为主、融合GPS 的组合定位算法完成定位,是实现车辆行驶轨迹监管的核心模块。
  ②智能电源管理单元
  车载终端既利用车载电池供电,又配置可充电锂电池。通过实时采集电池信息,智能判断并自适应切换供电。在车载电池电压过低时候,硬件电路自动切换,由内置电池供电。并由通信数据传输模块通知系统。电源管理方式采用低功耗设计,最大限度延长车载电⑴池的使用寿命:硬件方面选择效率高的DC-DC 转换芯片;选用具备待机、休眠和关断等节能模式的M3 内核处理器;选用有休眠功能的外设及元器件;各个模块的供电设计为可控,控制程序根据车辆行驶状态和电池等综合情况,自动进入对应的节能待机或者睡眠模式。
  ③数据传输单元
  数据传输单元核心是GPRS 模块。GPRS 模块是和管理中心进行数据交互的接口,向管理中心传输数据,同时接收管理中心的指令、终端各种参数的设置。主要传输数据有:上报采集、统计的数据,如定位数据、车辆状态数据、里程统计数据;接收来自管理中心的指令,如报警解除、紧急关闭、定位模式设置等。
  ④处理器单元
  处理器单元是车载终端的控制核心。实现的关键功能有:接收并解析来自BD/GPS 定位模块数据;接收并解析车辆的状态信息;负责GPRS 模块进行数据传输和其它外设控制等。
  ⑤ RFID 读卡器
  RFID 读卡器通过读取RFID 卡信息来采集车辆使用者信息,同时完成声光提示。硬件由M0 内核处理器和RFID 通用读卡机专用芯片组成,通过串口连接控制单元。
  3 车载终端软硬件协同设计
  3.1 功能业务设计
  为满足车载环境的监控需要,设计如下功能业务:①车辆行驶轨迹监控:通过定位信息以及ACC 等信号数据线,实时采集车辆启动/ 熄火、行驶/ 停止等状态信息。
  ②里程统计:根据定位信息,采用不依赖具体的电子地图高精度算法,计算出车辆行驶的里程值,形成车辆实时、分段、连续的运行里程。
  ③提示功能:通过读卡器识别用车人信息,并传输到管理中心,平台识别用车人的信息。如忘插卡或插入未授权卡,读卡器通过蜂鸣器给出声音提示,并上报管理中心。
  ④ 远程程序升级:终端采用IAP(In-ApplicationProgramming) 技术实现远程程序升级。在应用程序正常运行的情况下对另外一段程序Flash 进行读写操作,不影响终端功能的正常使用。管理中心下达远程升级命令,终端处理器的接收程序与管理中心进行信息交互,同时接收升级数据包,存放到Flash中;BOOT 引导区的升级程序根据升级标志读取Flash 中的升级程序包。成功写入后,升级程序清除升级标志位,更新版本号,然后跳转到新用户程序运行新版本的程序。
  ⑤远程参数设置:车载终端通过GPRS 模块,接收管理中心的指令,参数进行设置:关闭/ 开启定位功能、设置数据上传频度、关闭/ 开启GPRS 上传功能、管理中心主和备份服务地址和端口号、协议类型、超速报警门限值、节能模式时间门限值、电池异常时操作模式、清除报警状态等,参数设置成功后保存到Flash中,参数设置后立即更新,无需重新上电。
  ⑥链路备份:终端上保存主通信服务器和多个备份通信服务器地址,当主通信服务器出现故障,终端自动连接到可用的备份通信服务器,保持数据传输的畅通完整。
  ⑦数据补登: 当GPRS 网络故障,导致车载终端无法连接所有服务器时,车载终端将按照一定的策略记录车辆信息数据到非易失性存储器中,保存一定时间的车辆行驶轨迹数据,待GPRS 网络恢复正常通信后,将保存的数据补登到服务器上。
  ⑧异常紧急告警:具备车辆越界、断电、电源异常等报警功能,报警信息能自动发送到管理中心;报警将通过声光形式提示;终端上紧急按钮可实现隐蔽紧急告警。
  ⑨保密隐身:终端可根据管理中心的指令,关闭数据传输和定位功能,实现保密隐身。需要时,管理中心可以发送指令,让终端恢复数据传输和定位功能。
  3.2 软硬件协同设计
  根据业务功能要求,统计内外部事件个数,分析处理器中断资源,建立任务处理模型,将中断数据采集和中断处理剥离,实现快速响应。各个任务的处理按照实现划分优先级进行。为提高复用率,抽象出各个任务共性通用的代码。整体设计基本思想是中断捕获- 数据采集- 消息驱动- 任务分发。为平衡响应速度和资源占用,设计2 级消息队列,优先级固定。从逻辑上,主控软件可以划分了中断域和处理域。中断域负责响应中断,采集数据;处理域负责数据处理。总体流程如图3 所示:

图3 主控软件流程示意图

  4 三性设计
  4.1 可靠性设计
  终端的可靠性设计考虑了车载环境严酷性,遵循软硬件协同设计思想,元器件选型上严格筛选,在设计初期进行可靠性模型进行预计,提前发现可靠性缺陷;在软件设计上进行了充分的测试验证,包括从函数单元测试,模块测试到整机软件测试。
  4.2 EMC 安全性设计
  现代车辆上电子设备愈发众多,如车载影音系统,车载导航系统等,既不能干扰原有的车载电子设备,又不能被其所干扰。
  车载环境供电不稳,电磁条件恶劣。发动机点火启动瞬间有高达600V 的尖脉冲;车载供电范围从8V 到30V。车上通过在电源设计上对连线采用保险丝+差模平衡滤波,供电端进行压敏电阻+TVS +扼流圈的保护组合实现终端在车载复杂环境下程序的稳定运行和数据的安全。
  4.3 可维护性设计
  软硬件采用模块化设计,有利于快速定位问题和隔离故障;自检自测功能实现及时将故障终端通报到管理中心,方便维护部门尽早介入;远程升级功能极大的降低后期维护成本。
  5 结束语
  针对目前车辆的监控管理以及北斗卫星导航系统的大力发展,提出来一种基于BD/GPS 双模卫星定位模块的车载监控终端设计,介绍了车载监控终端的组成、功能和软硬件。通过多重可靠性设计措施,该终端成功量产, 并可靠稳定运行在一万多台不同型号的车上。终端具备的强大功能如远程升级和参数设置等,极大降低了维护成本,十分适合车载环境应用。
  
  

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