引 言

　　GPS在中國已經有十幾年的發展歷程，但在民用領域卻一直投有大的突破。最近幾年，GPS民用的前景已經越來越清晰，用戶需求正在上升。目前有兩種應用被看好：一個是民用導航終端，特別是車載系統；一個是基于手機的移動定位服務。

　　導航是LBS(Location Based Services)應用在汽車上的主要方式。目前我國已經有汽車導航的實際應用，一種是“GPS接收機+簡化版的GIS引擎+地圖數據”的模式，通過GPS接收機獲取定位信息，然后調用本機存儲的地圖，將定位信息映射到電子地圖上實現導航功能。這種模式雖然比較方便快捷，但也有其自身的局限性，例如成本較高、地圖資源不能共享、無法做到動態的地圖更新。還有一種是“GPS接收機+GSM模塊十短信業務”的模式，通過GPS接收機獲取定位信息，以短信的方式將定位信息發送至控制中心，再通過GSM模塊撥打中心電話，以語音方式得到導航信息。這種模式成本較低，信息準確，但短信一般有延時；實驗表明在網絡延時不大的情況下單向傳輸一條140字節的短信，傳輸延時為6s的累計概率為92．86％，而且打電話獲取導航信息的速度太慢，操作也不方便。而這些問題通過與運營商已有的通用分組無線業務GPRS結合可以得到較好的解決。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的、突發性的和頻繁、少量的數據傳輸，也適用于個別的大數據量傳輸。因此，車載終端選用高性能的處理器，通過GPRS與信息中心通信，完全可以實現遠程地圖下載與自主導航。

　　本文介紹了一種基于ARM處理器、支持GPRS、低成本的車載導航終端，并對其中所涉及的硬件設計方案給出了詳細的描述。

　　1 LBS系統模型與車載導航服務終端介紹

　　1．1 LBS系統模型

　　LBS系統主要由全球定位系統、移動終端、無線通信網絡和信息服務中心組成，如圖1所示。圖中GPS衛星提供定位信息，是整個LBS系統得以實現的關鍵；移動終端主要用來獲取位置信息，發出位置服務申請以及解讀導航信息；G3SM通信網絡用于實現移動終端和信息服務中心的通信；信息服務中心是定位服務系統的核心，負責與移動終端的信息交互和各個分中心的網絡互連，完成各種信息的分類、記錄和轉發以及分中心之間業務信息的流動，并對整個網絡進行監控。

　　1.2 終端功能

　　本終端采用車用電源供電，接通電源后，各模塊自動啟動。該終端具有以下功能：GPS定位功能；遠程電予地圖實時下載；定位信息和地罔數據的實時顯示；主控芯片可以進入掉電模式，降低功耗，按下相應功能鍵能夠立即喚醒主控芯片。

　　1．3 終端主要模塊

　　GPS模塊采用瑞士u-blox公司的TIM-LH。該GPS接收器可以在天空視野有限的區域內提供動態條件下的精確導航，定位精度半徑可達2．5m；有2個全雙工串口，支持NMEA、RBX和RTCM串口協議。集成度很高，大小是25．4 mm×25．4mm，高度只有3mm。

　　GPRS模塊選用法國Wavecom公司推出的Q2406A。該模塊支持900／1800MHz兩種頻帶，所在頻段功率分別為2W(900MHz)和1W(1800MHz)，支持WAP(Wireless Application Protocol)、IrDA 1．2A協議和GPRS；有AT數據集接口，支持數據、語音、短信、傳真服務等，其數據下載速率可達53．6 khps，上傳速率可達26．8 kbps。

　　本終端使用ARM微處理器作為主控芯片，結合GPRS，實現實時地圖下載與快速處理。LPC2214是Philips公司推出的基于ARM7TIDMI(Thumb)內核的16／32位微處理器，128位的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大速率時鐘下運行；其高速計算能力為地圖數據的快速處理提供了保障，性價比遠高于普通單片機。LPC2214具有8／16／32位的外部存儲器接口，可對4個外部存儲器進行配置，每個存儲器可達16 MB，為大量數據存儲和嵌入式操作系統的下載提供了條件；而且該芯片具有功率控制模塊，當暫時不需要導航時可使終端進入掉電模式，大大降低了功耗。另外，浚芯片有兩個串口，內嵌片內可編程鎖相環PLL，CPU最高工作頻率可達60MHz。

　　2 車載導航服務終端關鍵硬件設計與分析

　　車載導航服務終端的硬件結構如圖2所示，LPC2214的串口O與GSM／GPRS模塊連接，串口l與GPS模塊連接。液晶顯示器(LCD)通過并行方式與ARM芯片連接，采用8位數據傳輸方式；鍵盤采用矩陣掃描的方式，由8根GPIO端口線控制。

　　終端上電以后，通過軟件設置登錄GPRS；GPS模塊接收到GPS數據 后通過串口1自動向主控芯片發送；主控芯片收到GPS數據后選擇需要的信息，并將定位信息顯示在LCD上。需要周邊地圖信息時，按下相應的功能鍵，主控芯片掃描到鍵盤信號，將定位信息通過串口0傳遞給GSM／GPRS模塊，并以短信的形式發送到信息服務中心，通過GPRS下載周邊地圖數據，主控芯片通過串口0讀取地圖數據，處理后在LCD上顯示，實現自主式導航。

　　2．1 電源電路的設計與分析

　　終端系統需要電源模塊提供3路電壓，分別為：3．3V、1．8V和5V。其中：LPC2214的內核電源電壓為l.8V；LPC2214的I/O口電源電壓、TIM-LH和Q2406A的供電電壓為3．3V；液晶顯示器的供電電壓為5V。本終端采用車用電源供電，電壓一般為12V或14V。選用National公司的LM2576系列電源芯片來獲取5V和3．3V電壓，具體方案是：選用LM2576-5．O獲得5V的電壓、LM2576-3．3獲取3．3V電壓，然后3．3V的電壓為輸入電壓通過電源芯片LMlll7-l.8得到l.8V電壓。

　　電源線和地線是所有電路的公共部分，由于各部分電路的工作電流通過電源與引線而相互耦合，從而形成干擾，因此印刷電路板PCB(Printed Circuit Board)的地線與電源線要精心設計。在設計PCB時，可根據電流的大小，盡量加大電源線的布線寬度；同時減少環路電阻，使電源線、地線的走向與數據傳遞的方向一致。由于多層板的抗干擾能力明顯高于雙層板，因此可以考慮設置電源層和地層。對于一塊電路板上需要多個電源電壓的情況，可針對不同的電壓對電源層進行分割；在PCB布局時應盡量把使用相同電源電壓的器件分布在對應的區域。地層與電源層緊耦合，適當地比電源層外延，也可以有效地抑制共模干擾；當然也可以設置多個電源層，但成本會大幅增加。本終端的電路板采用設置單個電源層、分割電源層的方法，分割好的電源層如圖3所示。

　　此外，電路板的電源輸入的端應接10～100μF的去耦電容；每個芯片的VCC端口和地之間接一個O．01～O．1μF的去耦電容，也可以有效抑制噪聲的干擾。實踐證明，上述一些方法對抑制信號頻率低于10 MHz的電路板上的噪聲和干擾比較有效。

　　2.2 GPS模塊外圍電路

　　GPS模塊TIM-LH上電后通過串口向外發送GPS數據，數據格式有RMC(Recommended Minirnum SpecificGNSS Data)、GGA(Global Positioning System Fix Data)等，可以根據需要編程遺擇相應格式的數據。TIM-LH芯片串口1的默認波特率是9 600 bps，串口2的默認波特率是57 600 bps，可通過軟件改變；如果不使用某個串口，則對應的串口輸入端應接上拉電阻。

　　TIM-LH的外圍電路原理圖如圖4所示。外部復位端口REXET_N低電平有效，非常敏感，如果不用，則將其置空。不能接高電平。TIM-LH模塊上電之后自動復位，通常復位信號是在模塊工作不正常的情況下使用，在設計中，使用控制電源的方式來復位就可以了，這樣控制起來會更加靈活、可靠；而且模塊出現死機的現象很少，若希望進行重啟動，則也可通過程序使用命令來控制。在設計PCB時應將GPS芯片周邊區域敷銅，以屏蔽外界干擾。

　　2．3 GSM／GPRS模塊與處理器接口設計和SIM卡接口電路

　　GSM模塊與ARM芯片之間通過標準的串行口通信，最高波特率可達115 200 bps。處理器LPC2214的串口輸出的電平是3．3V，中間需要進行電平轉換，選用MAXIM公司的MAX3232來實現。LPC2124與GSM模塊之間的串口通信采用最簡單的三線接法，即地、發送數據和接收數據3個端口相連，接收數據和發送數據端口要彼此交叉。

　　GSM模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIM-DATA信號線進行數據通信，SIM卡接口電路的原理圖如圖5所示。在設計PCB時要注意，為了提高穩定性，GSM模塊的連接器和SIM卡座的引腳之間的距離不要超過20cm。此外，為達到最佳效果，應在SIM支架下敷銅，敷銅與SIM卡的GND引腳相連；SIMVCC和SIMGND之間的電容C101和C102要離引腳盡量近，以滿足規范要求。在選擇SIM卡時要選擇支持GPRS業務的，并開通GPRS業務。

　　2.4 LPC2214外圍電路設計的關鍵

　　在設計LPC2214外圍電路時，特別要注意P0．14引腳的使用。Flash boot裝載程序代碼在器件上電或復位時執行。裝載程序可執行ISP命令處理器或用戶應用代碼；復位后PO．14的低電平被認為是啟動ISP命令處理器的外部硬件請求。如果P0．14采樣到低電平并且看門狗溢出標志置位，則啟動ISP命令處理器的外部硬件請求將被 忽略。如果沒有外部請求(P0．14復位后采樣為高電平)，那么將搜索有效的用戶程序。若找到有效的用戶程序．執行的控制就轉移給用戶程序；若沒有找到，那么就調用自動波特率程序。

　　引腳P0．14作為ISP硬件請求時，由于P0．14在復位后處于高阻模式，因此用戶需要提供外部硬件(上拉電阻或其他器件)使引腳處于一個確定的狀態；否則，可能導致非預期地進入ISP模式。

　　此外，由于使用外部晶振，在PCB設計時晶振應與芯片的振蕩器輸入、輸出引腳盡量靠近，以減小外部干擾的影響。

　　3 硬件電路的調試

　　調試電路板重點應放在整體性、全局性連線的錯誤排查，如電源線的短路、錯接等。在調試串口時可以將電路板上的串口線引出，通過與計算機的串口通信來調試終端的各個串口，需用注意的是計算機的串口是標準的RS-232串口。其中，對GSM／GPRS模塊的調試是通過AT指令來完成的。對串口調試完成以后，就可以設計軟件程序來測試電路的性能。圖6描述了GPS模塊接收到的定位信號。

　　4 結論

　　本文介紹了基于ARM的車載導航服務終端的硬件設計。終端的軟件推薦使用C語言編寫，可以自己從底層開發，也可以裁剪μClinux操作系統進行更高級的開發，使終端具有更強大的功能和更友好的界面。試驗證明，該終端的硬件設計方案是可行的，登陸網絡只需5s，數據下載速度可達38．4kbps，上傳速度可達19．2kbps。隨著GPRS服務的進一步完善，車載導航服務終端必然會向支持遠程電子地圖更新，實時圖像通信的方向發展，因此該終端將會有廣闊的應用前景。