解志恒

（煙臺(tái)國(guó)豐投資控股集團(tuán)有限公司 山東省煙臺(tái)市 264003）

文章舉例設(shè)計(jì)的搭載新一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能車載終端，其核心為 ARM9 微處理器和嵌入式 Linux系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上添加了包含諸多功能的相應(yīng)模塊。智能車載終端功能較多且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此需要在明確系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)要點(diǎn)的思路上，從硬件與功能兩個(gè)角度展開(kāi)設(shè)計(jì)分析，細(xì)化功能結(jié)構(gòu)、芯片選型、電路設(shè)計(jì)、工作流程、模塊功能以及定位模塊解析等內(nèi)容，進(jìn)而從根本上解決以往汽車行駛記錄儀功能單一且通信較差的問(wèn)題，為未來(lái)智能交通發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 智能車載終端系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（1）路況信息收集系統(tǒng)。此系統(tǒng)由于融合了嵌入式技術(shù)等諸多先進(jìn)技術(shù)，使得無(wú)論是行駛的車輛信息還是各個(gè)路段的實(shí)際情況均可展開(kāi)自動(dòng)采集并將采集信息上傳至交通信息處理系統(tǒng)[1]。例如對(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)的測(cè)速雷達(dá)、對(duì)事故進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的相關(guān)系統(tǒng)等。

（2）交通信息處理系統(tǒng)。作為整個(gè)ITS 系統(tǒng)（智能交通系統(tǒng)）的核心，交通信息處理系統(tǒng)可用于對(duì)道路實(shí)際情況的相關(guān)信息進(jìn)行自動(dòng)化處理以及對(duì)應(yīng)處理方案的存儲(chǔ)。此系統(tǒng)由于使用了針對(duì)特定數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理算法，進(jìn)而使得路況信息的處理過(guò)程更為方便，并在天氣預(yù)報(bào)、信息登記等系統(tǒng)配合下，實(shí)現(xiàn)對(duì)路況的客觀分析，并自動(dòng)將分析結(jié)構(gòu)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)。作為ITS 系統(tǒng)決策核心，交管部門(mén)可充分利用此系統(tǒng)對(duì)交通路況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確保擁堵路段的疏導(dǎo)及時(shí)性，并可針對(duì)具體事件制定并落實(shí)相應(yīng)的管制策略，達(dá)到對(duì)交通資源配置予以優(yōu)化的目的[2]。而交通運(yùn)輸企業(yè)同樣可基于此系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)運(yùn)輸車隊(duì)的監(jiān)控，并可結(jié)合路況信息與實(shí)際需求制定行駛路線并展開(kāi)車輛調(diào)度。

（4）交通信息發(fā)布與查詢系統(tǒng)。從該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，可對(duì)相應(yīng)輸出的路況信息進(jìn)行自動(dòng)化處理，并獲取到相應(yīng)結(jié)果，通過(guò)諸如電子情報(bào)版以及路況信息網(wǎng)站等途徑向出行人員發(fā)布路況信息。

（5）智能車輛管理與服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了事故救援、交通執(zhí)法、路徑誘導(dǎo)等內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化車輛管理的關(guān)鍵手段。

（6）其他輔助系統(tǒng)，包括衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線通信、地理信息等系統(tǒng)類型，可為智能交通管理提供需求信息。

ITS 系統(tǒng)通過(guò)收集路況信息、車輛信息，可實(shí)現(xiàn)發(fā)布路徑誘導(dǎo)與調(diào)度行駛車輛，為出行者提供便利的出行服務(wù)條件[3]。集成化與廣域化是ITS 系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向，若僅僅基于以往功能單一的車載終端則無(wú)法滿足用戶多樣化的實(shí)際需求，這就需要優(yōu)化遠(yuǎn)程監(jiān)控、車輛調(diào)度以及自動(dòng)化管理等功能，完善智能車載終端，其是推動(dòng)智能交通系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的核心因素。圖1 為智能交通系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

圖1：智能交通系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

2 智能車載終端硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）主控制模塊，其核心為ARM 微處理器，負(fù)責(zé)指令集成、命令發(fā)出以及統(tǒng)一模塊功能調(diào)度等；

（2）電源模塊，可將汽車電源所提供的9 ～36 伏電壓，轉(zhuǎn)化為需求的5 伏與3.3 伏標(biāo)準(zhǔn)直流電壓；

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，此類模塊通常應(yīng)用于所產(chǎn)生行駛記錄數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并能夠?qū)υ谲囕d終端運(yùn)行過(guò)程中的軟件系統(tǒng)功能代碼進(jìn)行存儲(chǔ)[4]。車輛事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)同樣可借助于此模塊進(jìn)行保存，文章中舉例設(shè)計(jì)最終確認(rèn)使用 SDRAM+NAND FLASH+鐵電存儲(chǔ)器；

（4）位置信息采集模塊，此模塊通常應(yīng)用于針對(duì)車輛行駛過(guò)程中位置變化信息的實(shí)時(shí)采集，并具有將過(guò)程中所接收到的物理信號(hào)做轉(zhuǎn)化解析處理的作用，并傳輸至CPU 進(jìn)行后續(xù)分析；

（5）無(wú)線通信模塊，其中安裝的GPRS 模塊用于將遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與車載終端相連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛往來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度；

（6）車輛數(shù)據(jù)采集模塊，可用于車輛信息采集，包括車輛速度、數(shù)字量參數(shù)、模擬量參數(shù)等；

（7）RFID 模塊，用以實(shí)現(xiàn)車輛管理服務(wù)系統(tǒng)與車載終端之間的通信；

（8）LCM 顯示模塊，可基于個(gè)人需求進(jìn)行終端參數(shù)設(shè)置，主要用于對(duì)各類接收信息予以顯示；

（9）I/O 接口模塊，可為八廓語(yǔ)音設(shè)備、SD 卡、攝像頭等功能獨(dú)立的設(shè)備提供接入端口。

2.2 模塊芯片選型

2.2.1 核心控制模塊芯片選型

舉例設(shè)計(jì)采取的 ARM920T 核心具有低功耗與高性能特點(diǎn)，支持 Linux 系統(tǒng)。芯片供電采用3.3 伏，普通運(yùn)行模式下功耗為386mW。CPU主頻最高可達(dá)533兆赫，可滿足當(dāng)下終端對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的需求。

2.2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于智能車載終端來(lái)說(shuō)，在其工作狀態(tài)下能否保證相關(guān)功能的正確發(fā)揮，與工作電壓是否穩(wěn)定存在著緊密聯(lián)系，這也是在設(shè)計(jì)車載終端時(shí)極為關(guān)鍵的內(nèi)容。舉例設(shè)計(jì)的5 伏電壓配套使用 MP2467DN 高頻開(kāi)關(guān)式降壓穩(wěn)壓芯片，最大輸出電流可達(dá)2.5 安，且功率轉(zhuǎn)換可達(dá)到95%，兼顧了過(guò)流與過(guò)熱保護(hù)等功能；3.3 伏電源模塊將5 伏電源作為主要的輸入電壓，配合使用PAM3110ALA330R 低壓降三端穩(wěn)壓芯片作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有壓降低與電流穩(wěn)定等特點(diǎn)，兼顧了短路保護(hù)與內(nèi)部限流等諸多功能。

2.2.3 定位模塊設(shè)計(jì)

定位模塊主要功能為對(duì)新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）信號(hào)的接收與解析，舉例設(shè)計(jì)不僅需要考慮到能否與新一代BDS 導(dǎo)航車載終端的相應(yīng)功能已經(jīng)匹配 同時(shí)需要確認(rèn)所使用定位技術(shù)的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及在此基礎(chǔ)上所延伸出的未來(lái)產(chǎn)品的功能擴(kuò)展趨勢(shì)，因此選擇的定位模塊芯片為BDS/GPS 雙模衛(wèi)星定位芯片。接收芯片的內(nèi)部集成了TD1010 與雙模射頻芯片，可根據(jù)實(shí)際需求選擇對(duì)應(yīng)工作模式，并可進(jìn)行自由切換，定位精度可控制在5 米以內(nèi)。

2.2.4 GPRS 通信模塊設(shè)計(jì)

DTU 模塊現(xiàn)已被應(yīng)用于多種類型的無(wú)線通信設(shè)備中，且在其中所使用的相關(guān)技術(shù)經(jīng)由長(zhǎng)期完善已經(jīng)頗為成熟。基于對(duì)所使用的車載終端的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)， GPRS DTU 的使用需要對(duì)所處高溫與高振動(dòng)環(huán)境下的穩(wěn)定無(wú)線數(shù)據(jù)連接予以考慮，從而確保在永久在線條件下針對(duì)車輛實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。舉例設(shè)計(jì)中所采取的為FIBOCOM G610-A50-00 GSM/GPRS，該通信模塊即使在高溫高濕與電磁干擾較為惡劣的環(huán)境下，依舊能夠維持其正常工作狀態(tài)。該芯片采取3.3 至4.5 伏供電，休眠模式下的工作電流僅為1.6 毫安，并配備多個(gè)擴(kuò)展接口。

2.2.5 射頻識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)下所使用的射頻識(shí)別技術(shù)中的中高頻與低頻在應(yīng)用期間所能夠達(dá)到的通信距離，相較高頻能夠傳播的通信距離要短的多，一般在1 米以內(nèi)，而微波段的通信距離最高可達(dá)到上百米，且通信速率相對(duì)較高。但需要注意的是，此頻段經(jīng)常會(huì)受到環(huán)境的影響，使得其電磁波方向性表現(xiàn)出較強(qiáng)的特征。而超高頻433 兆赫本身有著較強(qiáng)障礙物穿透與抗干擾能力，這也是其被應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以及身份識(shí)別領(lǐng)域的主要原因。超高頻頻 860～960 兆赫，在滿足對(duì)較遠(yuǎn)通信距離與較高通信速率需求的前提下，其抗環(huán)境干擾性同樣較強(qiáng)，在多個(gè)領(lǐng)域均展現(xiàn)出了其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

舉例設(shè)計(jì)所使用的模塊為挪威 Nordic 公司的單片無(wú)線收發(fā)器芯片NRF905，包含了433/868/915MHz 三個(gè) ISM 頻段，工作電壓維持在1.9 至3.6 伏范圍內(nèi)，不僅功耗較低，且可達(dá)到最高50KBPS 的發(fā)射速率。從硬件層面分析，此芯片可滿足各個(gè)系統(tǒng)之間的短程通信需求，并可在未來(lái)通過(guò)OTA 升級(jí)獲取到更多功能。文章介紹終端所使用芯片的發(fā)射頻段被選擇為915 兆赫，與我國(guó)當(dāng)下所使用的ETC 系統(tǒng)頻段相匹配。

3 智能車載終端功能實(shí)現(xiàn)

3.1 車載終端軟件系統(tǒng)工作流程

智能車載終端主程序流程圖如圖2所示。

圖2：智能車載終端主程序流程圖

在終端通電并正式啟動(dòng)后，即可展開(kāi)針對(duì)硬件所處的初始化狀態(tài)以及設(shè)備運(yùn)行情況的全面檢測(cè)。這一過(guò)程中只需要將駕駛員的相關(guān)信息輸入到對(duì)應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備中，即可根據(jù)自身需求將功能模塊啟動(dòng)。所采集信息種類包括時(shí)間、里程、速度以及車門(mén)、轉(zhuǎn)向燈動(dòng)作數(shù)字量。

3.2 GPRS無(wú)線通信模塊功能實(shí)現(xiàn)

對(duì)于無(wú)線通信模塊來(lái)說(shuō)，其最為關(guān)鍵的應(yīng)用功能在于傳輸給監(jiān)控平臺(tái)相應(yīng)的需求車輛信息，以車輛在行駛過(guò)程中的位置變化信息為主。遠(yuǎn)程平臺(tái)在無(wú)線通信模塊的協(xié)助下能夠獲取到針對(duì)車輛展開(kāi)集中監(jiān)控、實(shí)時(shí)跟蹤、信息調(diào)度以及信息查詢的基礎(chǔ)條件。舉例設(shè)計(jì)中選擇使用 G610 模塊內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧的形式，從設(shè)計(jì)層面來(lái)看可支持終端設(shè)備的自動(dòng)撥號(hào)或永久在線，且可基于串口發(fā)送模塊數(shù)據(jù)，進(jìn)而將軟件開(kāi)發(fā)工作量予以簡(jiǎn)化。

在終端處于正常工作的狀態(tài)下， S3C2440A 微處理器通過(guò)串口可發(fā)送相應(yīng)的AT 指令，用以對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。完成TCP 連接建立工作后，即可將對(duì)應(yīng)的消息處理函數(shù)依照預(yù)設(shè)要求，將所獲取到的信息展開(kāi)特定需求下的對(duì)應(yīng)格式處理工作，并將處理完成后所獲得的相應(yīng)信息根據(jù)需要存入到消息隊(duì)列中。G610 可在完成對(duì)串口數(shù)據(jù)包的接收任務(wù)后，展開(kāi)相應(yīng)的封裝工作并轉(zhuǎn)化為 TCP/UDP 包，發(fā)送至緩沖區(qū)，接收由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)出消息后，即可取出緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行子函數(shù)解析。正式的收發(fā)數(shù)據(jù)前，需要確保終端處于正常工作狀態(tài)，從而為相應(yīng)的GPRS 模塊以及串口提供TCP 連接條件，建立起與遠(yuǎn)程平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)關(guān)系。整個(gè)通信模塊的主程序流程圖如圖3所示。

圖3：通信模塊的主程序流程圖

AT 指令應(yīng)用領(lǐng)域一般為建立終端設(shè)備之間的通信渠道，在這一過(guò)程中所使用的AT 指令集顯經(jīng)由長(zhǎng)期完善為其設(shè)定了相對(duì)固定的發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)，均將AT 作為前綴，結(jié)尾為，所包含的類型主要有4 類：第一是設(shè)置指令，用以對(duì)用戶參數(shù)值進(jìn)行自定義；第二是測(cè)試指令，用以對(duì)指令設(shè)置參數(shù)與內(nèi)部程序參數(shù)予以查詢；第三是執(zhí)行指令，可對(duì)模塊內(nèi)部程序中的不可變參數(shù)進(jìn)行讀取；第四是查詢指令，可返回參數(shù)當(dāng)前值。

3.3 定位模塊數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)

BDS 衛(wèi)星信號(hào)接收模塊的工作狀態(tài)下，一般可在芯片的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)針對(duì)所獲取的衛(wèi)星信號(hào)的及時(shí)處理，并能夠?qū)⑵溥M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句的轉(zhuǎn)換，最終從所提供的串口管腳位置進(jìn)行輸出。從這一點(diǎn)來(lái)看，終端定位功能的精準(zhǔn)性與芯片輸出定位信息能否進(jìn)行及時(shí)且準(zhǔn)確的解析與存儲(chǔ)密切相關(guān)。

NMEA 協(xié)議由美國(guó)制定，制定初期主要用于保證海洋電子設(shè)備之間的通信效果。通過(guò)對(duì)這一協(xié)議的持續(xù)更新，使得其已經(jīng)能夠滿足測(cè)深儀、羅經(jīng)方位系統(tǒng)以及GPSD 等導(dǎo)航測(cè)量設(shè)備的功能使用需求，制造商能夠根據(jù)自身需求為相應(yīng)的設(shè)備提供通信協(xié)議的添加條件，一般可在不接受相應(yīng)的許可條件下展開(kāi)自行添加工作，進(jìn)而使得該協(xié)議靈活性予以強(qiáng)化。伴隨協(xié)議發(fā)展至今，其已經(jīng)成為當(dāng)下導(dǎo)航領(lǐng)域的主要業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。以TD3020D為例，其處于正常工作狀態(tài)時(shí)，可利用UTC 輸出格式為 NMEA-0183 的定位信息語(yǔ)句，并能夠根據(jù)需要進(jìn)行自定義。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于ITS 能夠起到針對(duì)交通資源展開(kāi)自動(dòng)化優(yōu)化與配置的作用，在這一背景下得以將發(fā)生交通事故的整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步降低，儼然已經(jīng)成為了交通運(yùn)輸行業(yè)的主要發(fā)展方向，展現(xiàn)出了智能化與信息化的發(fā)展趨勢(shì)。在將新一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融入到我國(guó)智能交通系統(tǒng)后，賦予了新的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，尤其是在智能車載終端中的應(yīng)用，更是在動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與交通信息采集的過(guò)程中，具備了多樣化的服務(wù)特點(diǎn)，并可基于短程無(wú)線通信與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車載終端與ITS 互聯(lián)通信的目標(biāo)，為未來(lái)智能交通領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。