徐麗霞，徐 靖

(1．安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 機電工程系，安徽 六安237011;2．六安供電公司 營銷部，安徽 六安237011)

前言

在現(xiàn)代路產(chǎn)管理系統(tǒng)中，常常采用帶攝像設(shè)備的采集車將公路沿途的路況、路面環(huán)境和周圍的路標等設(shè)施采集成公路視頻影像，然后在視頻回放中結(jié)合GIS地圖進行圖像定位．在視頻圖像進行地理坐標定位時，由于車輛自帶的里程表無法實現(xiàn)精確定位，而基于GPS的定位也存在一定誤差．為了很好地解決這一問題，將車輛行駛里程和實際地理位置精確對應(yīng)，采用GPS結(jié)合專用的定位設(shè)備是比較有效的方法［1］．

本文設(shè)計了以ARM處理器為核心的里程定位裝置，該裝置能獲得較為精確的里程定位數(shù)據(jù)，避免定位數(shù)據(jù)的丟失，保證了車輛的準確定位．

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)中主要硬件結(jié)構(gòu)包括GPS定位模塊、里程采集模塊、ARM處理器和輸入輸出模塊．GPS定位模塊用于獲得GPS數(shù)據(jù)，里程采集模塊用于獲得計數(shù)信號，ARM處理器將兩種數(shù)據(jù)進行融合獲得定位數(shù)據(jù)［2］．

2 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

2．1 GPS定位模塊

GPS定位模塊是由GPS接收器和MAX232轉(zhuǎn)換器構(gòu)成．

具體實施時，將GPS接收器固定在車輛頂部，然后啟動GPS接收器并進行初始化和串口設(shè)置，確定連接成功后，GPS接收器開始實時采集車輛行駛的GPS數(shù)據(jù)并傳遞給MAX232轉(zhuǎn)換器，MAX232轉(zhuǎn)換器通過電平轉(zhuǎn)換將接收到的GPS數(shù)據(jù)通過RS232串口實時傳送給ARM處理器．ARM處理器從GPS數(shù)據(jù)中提取出由經(jīng)度和緯度構(gòu)成的位置數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的時間數(shù)據(jù)．

2．2 里程采集模塊

里程采集模塊由光電編碼器和CPLD計數(shù)器構(gòu)成．

具體實施時，光電編碼器安裝在車輛前右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)軸上，在車輛啟動時光電編碼器的光柵盤同速旋轉(zhuǎn)，通過光敏元件接收光通量整形后輸出脈沖信號，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖信號．光電編碼器實時采集車輛行駛過程中車輪旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖信號，并將脈沖信號傳遞給CPLD計數(shù)器，CPLD計數(shù)器接收脈沖信號并進行分頻處理后獲得計數(shù)信號實時傳遞給ARM處理器．圖2顯示了里程采集模塊對數(shù)據(jù)的處理過程．

圖2 里程采集模塊處理過程示意圖

里程采集模塊還包括光電隔離器6N137，光電隔離器6N137用于實現(xiàn)光電編碼器和CPLD計數(shù)器的光電隔離［3］．具體連接見圖3所示．

圖3 光電編碼器與CPLD計數(shù)器連接電路圖

光電編碼器將脈沖信號經(jīng)光電隔離器6N137的PULS_COUNTER_IN引腳傳送給CPLD計數(shù)器，CPLD計數(shù)器將計數(shù)信號通過PF0、PF1、PF2、PF3、PB4、PD5、PD6、PD7引腳傳遞給ARM處理器．

正式測量前，車輛需先行駛一個標準距離(如1 km)，然后根據(jù)從起點到終點所獲得的脈沖個數(shù)，用標準距離除以這段距離內(nèi)的脈沖個數(shù)，從而獲得單個脈沖對應(yīng)的里程數(shù)．ARM處理器根據(jù)所獲得的單個脈沖對應(yīng)的里程數(shù)就能換算得出當(dāng)前的里程值和車速值，然后傳遞給LCD顯示屏．

2．3 ARM處理器模塊

本文中ARM處理器采用的是工業(yè)級的ARM11處理器PXA270芯片［4］，通過實時接收GPS數(shù)據(jù)和計數(shù)信號并進行融合處理后獲得定位數(shù)據(jù)．

具體來講，ARM處理器通過軟件插值法將兩種數(shù)據(jù)進行融合．在車輛行駛過程中，GPS接收器每秒接收一次經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，而1 s內(nèi)CPLD計數(shù)器會收到若干個脈沖，假設(shè)兩個經(jīng)緯度數(shù)據(jù)之間有1 000個脈沖，則將這兩條經(jīng)緯度數(shù)據(jù)連成直線后分成1 000等份，使得每等份所對應(yīng)的時刻都有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，從完成在兩個經(jīng)緯度數(shù)據(jù)之間的脈沖插值操作獲得定位數(shù)據(jù)，有效保證里程數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的精確對應(yīng)關(guān)系，然后將所獲得的定位數(shù)據(jù)通過RS232接口傳遞給計算機并存入數(shù)據(jù)庫中，方便路產(chǎn)管理系統(tǒng)人員的使用．

ARM處理器與各模塊的連接如圖4所示．

如圖4所示，在電路連接上，MAX232轉(zhuǎn)換器通過串口PC－TXD和PC－RXD接收GPS接收器傳遞的GPS數(shù)據(jù)，并通過串口TXD1和RXD1將GPS數(shù)據(jù)傳遞給ARM處理器［5］．

圖4 ARM與MAX232轉(zhuǎn)換芯片連接電路圖

2．4 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊包括鍵盤和LCD顯示屏．LCD顯示屏實時顯示車輛行駛的里程值和車速值，鍵盤用于車輛標準距離的標定．在車輛啟動后根據(jù)實際路面所見的兩個連續(xù)的里程標志牌出現(xiàn)的時刻，通過鍵盤輸入確認實現(xiàn)標準距離標定，本裝置以1km作為一個標準距離．

圖5 程序流程圖

3 軟件設(shè)計

如圖5所示，當(dāng)車輛開始行駛后，車載電源啟動供電，系統(tǒng)初始化，各模塊開始工作．具體執(zhí)行步驟如下:

1)系統(tǒng)初始化后進入系統(tǒng)調(diào)度過程，此時數(shù)據(jù)處理模塊實時判斷下一步的執(zhí)行步驟;

2)車輛啟動判斷:是，進入步驟A;否則繼續(xù)判斷;

3)GPS采集判斷:是，進入步驟B;否則繼續(xù)判斷;

4)步驟A:設(shè)備初始化，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，里程采集模塊進行里程和車速計算，并傳送給里程校正模塊，同時將信息通過顯示模塊顯示;

5)步驟B:GPS初始化，對連接GPS模塊的串口進行連接，如果連接失敗則繼續(xù)連接，如果連接成功則采集GPS數(shù)據(jù)，接著數(shù)據(jù)處理模塊對獲得的GPS數(shù)據(jù)進行過濾，提取經(jīng)度、緯度、海拔、日期、時間等有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊將信息通過LCD顯示屏顯示．

4 系統(tǒng)測試

通過方案確定、硬件電路仿真、PCB制作、軟件編寫與調(diào)試，最終設(shè)計出如圖6所示樣機一套．

圖6 樣機實物圖

為了確定系統(tǒng)能否滿足設(shè)計要求，本文主要進行了如下測試:

1)系統(tǒng)上電功能測試;

2)GPS接收功能測試;

3)光電編碼器接收功能測試;

4)1 km標定功能測試;

5)車輛啟動后速度和里程信息能否正常顯示功能測試．

圖7 里程、速度顯示界面

圖8 1 km里程標定

經(jīng)測試，該裝置能實現(xiàn)上述功能，其中速度和里程信息顯示見圖7所示，1 km里程標定見圖8所示．

為了測試本文設(shè)計的裝置與GPS定位、里程表定位相比是否具有優(yōu)勢，將本文所述裝置裝載到車輛上進行了行駛實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的整理分析，得出了表1所示的對比數(shù)據(jù)．

表1 實驗結(jié)果對比

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計的裝置從多個參數(shù)角度來看都優(yōu)于其他兩種方法，平均絕對誤差比GPS定位減少了4．66 m，比里程表減少了2．2 m，從而進一步提高了定位精度．

5 結(jié)論

經(jīng)測試本文設(shè)計的車輛定位裝置能在車輛行駛過程中對行駛里程進行實時檢測和定位，數(shù)據(jù)準確度高，同時通過鍵盤輸入還能進行現(xiàn)場路面里程值的標定，保證里程數(shù)據(jù)與所在位置圖像的準確對應(yīng)，具有一定的應(yīng)用價值．

［1］徐麗霞．路產(chǎn)影像管理系統(tǒng)中里程校正方法的研究及實現(xiàn)［D］．長安:長安大學(xué)，2009．

［2］徐麗霞．路產(chǎn)影像管理系統(tǒng)中里程校正方法的研究［J］．常州工學(xué)院學(xué)報，2011(10):31－33．

［3］邵輝，舒嶸．光電隔離器6N137的特性和應(yīng)用［J］．電子技術(shù)，1996(2):38－39．

［4］周祺睿．通用PXA270嵌入式開發(fā)平臺設(shè)計與實現(xiàn)［D］．成都:西南交通大學(xué)，2008．

［5］孫華．車載式公路路產(chǎn)信息采集系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D］．長安:長安大學(xué)，2010．