1、理工學院本科生畢業(yè)設計（論文）學院（系）：電子與電氣工程系專業(yè)：電子信息工程學生：呂紅葉指導教師：田思完成日期2011年5月理工學院本科生畢業(yè)設計（論文）基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)硬件設計HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPS總計：23頁表格：3個插圖：19幅理工學院本科畢業(yè)設計（論文）基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)硬件設計HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPS學院（系）：電子

2、與電氣工程系專業(yè)：電子信息工程學生姓名：呂紅葉學號：94107062指導教師（職稱）：田思（高工）評閱教師：完成日期：理工學院InstituteofTechnology基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)硬件設計 III基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)硬件設計電子信息工程專業(yè)呂紅葉摘要隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通擁擠和阻塞現(xiàn)象日趨嚴重。城市交通問題已嚴重阻礙了城市居民生活水平的提高和整個城市經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，成為城市發(fā)展的瓶頸。城市公共交通具有運載量大、運送效率高、相對污染少等優(yōu)點。開發(fā)和建設先進的公共交通管理系統(tǒng)以改善公交管理和提高服務的質量，引導市民選擇公共交通工具出行，從而改善整個城市交

3、通狀況是解決城市交通問題的關鍵。本文分析了國內外智能交通系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及GPS定位原理，提出了一種基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)，論文詳細介紹了硬件電路設計的開發(fā)過程，并制定了測試方案對系統(tǒng)進行測試，最后對所做工作進行總結，指出了進一步的研究方向。關鍵字嵌入式；GPS；智能公交HardwareDesignoftheEmbeddedAutomaticStationReportSystemforBusBasedonGPSElectronicInformationEngineeringSpecialtyLvHong-yeAbstract:Asthenationaleconomydevelopm

4、ent，urbancongestionandobstructionphenomenonhasbecomeincreasinglyserious.Citytrafficproblemhasseriouslyhinderedtheimprovementoftheurbanresidentslivingstandardsandthecontinuableeconomicdevelopmentoftheentirecity.Itbecomesthebottleneckofurbandevelopment.Urbanpublictransporthasmanyadvantages，suchasthrou

5、ghput，highefficiencytransport，relativelylesspollution.Itisthekeytosolveurbantrafficproblemsthatempolderingandconstructingmodempublictransportmanagementsystemtoimprovepublictransportmanagementandthequalityoftheservice.andguidingthechoiceofpublictransporttravel，therebyimprovingtrafficconditionsthrough

6、outthecity.Inviewofthepresentsituationofthedomesticandforeignpublictransportationsystem，automaticreportingstationsystemforbusbasedonGPStechnologyisputinthispaper.Andtherearedetailsofthehardwaredesigndevelopmentprocess.Andtestingsolutionsaredevelopedheretotestthesystem.Finally，therearetheanalysisofth

7、ecurrentworkandsuggestionsforimprovement.Keywords:Embedded；GPS；intelligentpublictransport目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 1引言1 HYPERLINK l bookmark10 1.1論文選題的背景及研究意義1 HYPERLINK l bookmark12 1.2智能交通系統(tǒng)的國內外發(fā)展現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark14 1.3論文章節(jié)安排2 HYPERLINK l bookmark16 2基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)設計原理2 HYPER

8、LINK l bookmark18 GPS系統(tǒng)3GPS系統(tǒng)介紹3GPS的定位原理3GPS信息格式4GPS的應用現(xiàn)狀5 HYPERLINK l bookmark20 2.2嵌入式公交自動報站系統(tǒng)62.2.1基于GPS公交自動報站系統(tǒng)的原理概述62.2.2基于GPS公交自動報站系統(tǒng)的誤差分析62.2.3嵌入式公交自動報站系統(tǒng)的優(yōu)勢7 HYPERLINK l bookmark22 3系統(tǒng)硬件設計7 HYPERLINK l bookmark24 ARM公司及ARM芯片簡介7 HYPERLINK l bookmark26 3.2選擇ARM微處理器的要求8 HYPERLINK l bookmark28 3

9、.3S3C2410X微處理器介紹8 HYPERLINK l bookmark30 3.4系統(tǒng)硬件總體設計10 HYPERLINK l bookmark32 3.5單元電路設計103.5.1電源電路103.5.2復位和時鐘電路103.5.3SDRAM/FLASH存儲器123.5.4串行接口電路12JTAG接口電路14USB接口電路143.5.7觸摸屏接口電路153.5.8音頻電路17 HYPERLINK l bookmark40 4系統(tǒng)測試18 HYPERLINK l bookmark42 4.1測試方案184.2測試過程及結果195總結與展望20基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)硬件設計iii

10、 HYPERLINK l bookmark44 結束語21 HYPERLINK l bookmark46 參考文獻22 HYPERLINK l bookmark48 致謝23基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)硬件設計 1引言1.1論文選題的背景及研究意義伴隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化的不斷進展，人口向城市集中，城市交通需求的總量急劇增長。與此同時我國汽車化水平逐年提高，全國民用汽車特別是小汽車的絕大部分均在城市范圍內使用。城市交通擁擠和阻塞現(xiàn)象日趨嚴重，交通事故頻發(fā)與環(huán)境污染越來越引起社會的普遍關注。城市交通問題已嚴重阻礙了城市居民生活水平的提高和整個城市經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，成為城市發(fā)展的瓶頸

11、。最大限度的提高現(xiàn)有交通資源的利用效率是解決問題的根本出路。城市公共交通由于具有運載量大、運送效率高(人均占用面積小)、能源消耗低、相對污染少等優(yōu)點，能實現(xiàn)對交通資源的高效利用，從而有效地緩解城市交通壓力。因此，解決城市交通問題的關鍵是引導人們在出行時盡量選擇公共交通工具。但是要讓市民心甘情愿的選擇公共交通工具，就必須提高公共交通的服務質量，讓市民真正感覺到公共交通的方便、省錢、可靠和快捷。因此，開發(fā)和建設先進的公共交通管理系統(tǒng)以改善公交管理和提高服務的質量，從而改善整個城市交通狀況是解決城市交通問題的關鍵。當前國內各大城市的無人售票公交車大都采用半自動報站系統(tǒng)，即通過人工干預語音信箱進行語音

12、報站，和傳統(tǒng)的人工報站相比，聲音洪亮清晰。但是人工干預語音信箱必然會存在人為因素，如天氣不好，道路打滑，駕駛員心情不好等原因使得漏報站、錯報站的現(xiàn)象時有發(fā)生。特別是旅游城市，外地游客和外國游客都很多，漏報站、錯報站會導致乘客下錯站，帶來不必要的麻煩，也會相應的影響城市的形象。目前公交車上的數(shù)字電視業(yè)務單一，僅播放廣告，無相應站點附近景點、酒店等介紹信息。乘客無法與系統(tǒng)交互，獲得感興趣的信息。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，相關城市的公交智能化的重要性尤為突出。1.2智能交通系統(tǒng)的國內外發(fā)展現(xiàn)狀對智能交通系統(tǒng)的研究許多國家都投入了巨大的人力和物力，并成為繼航空航天、軍事領域之后高新技術應用最集中的領域。在美

13、國，對智能交通系統(tǒng)(ITS)的研究雖然起步最晚，但由于投入較多，目前已處于該領域的領先水平。美國建立有結合救助服務的輔助導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)即為一個監(jiān)控中心，由較為完善的功能強大的計算機管理系統(tǒng)并配有電子地圖及通信連接設備組成，能為裝有GPS設備的車輛提供定位跟蹤管理、報警服務受理、求助服務受理、緊急救援提供、在線語音導航以及安全防盜服務等。日本城市公共交通智能化的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段:70年代末開始應用公共汽車定位系統(tǒng)公交汽車接近顯示系統(tǒng)；80年代初開始應用公交運行管理系統(tǒng)，其中包括乘客自動統(tǒng)計，運行監(jiān)視和運行控制；進入90年代，由于機動車數(shù)量的增長和嚴重交通擁擠的影響，要保持正常的行車速度十分困

14、難，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性導致乘客數(shù)量的急劇減少。東京都交通局開發(fā)了城市公共交通綜合運輸控制系統(tǒng)(CTCS)，旨在改進公共汽車服務，重新贏得乘客。歐洲在ITS的研究方面采取整個歐洲一體化的方針，由政府、企業(yè)和個人三方面共同出資進行智能運輸系統(tǒng)的研究，著名的項目有PROMETHEUS和DRIVE等，歐洲許多國家同中國一樣具有悠久的歷史，城市街道一般都比較狹窄。但是，它們通過實施公交優(yōu)先政策，設立公交專用道，為公交車提供優(yōu)先通行信號，布設智能公交監(jiān)控與調度系統(tǒng)等措施，提高公交車輛運行速度和公交服務質量以吸引公眾乘坐公交車出行，從而有效地緩解了城市交通壓力，解決了城市交通問題，并取得了

15、明顯的社會經(jīng)濟效益，這些經(jīng)驗值得中國許多大中城市借鑒。我國在ITS領域的研究起步較晚，但隨著全球范圍智能交通技術研究的興起，進入20世紀80年代，我國也加快了對智能交通技術研究的步伐。一方面，北京、上海、沈陽等大城市陸續(xù)從國外引進了一些較為先進的城市交通控制、道路監(jiān)控系統(tǒng)；另一方面，國家加大了自主開發(fā)的步伐，如國家計委、科技委組織開發(fā)的實時自適應城市交通控制系統(tǒng)HT-UTCS，上海交通大學與上海市交警總隊合作開發(fā)的SUATS系統(tǒng)等；1998年交通部正式批準成立了ISO/TC2O4中國委員會，秘書處設在交通智能運輸系統(tǒng)工程研究中心，代表中國參加國際智能運輸系統(tǒng)的標準化活動，現(xiàn)在正進行中國智能運輸

16、系統(tǒng)標準體系框架的研究。考慮到公交系統(tǒng)的特殊性，公交企業(yè)對智能公交管理的需要包括以下幾個方面：提高企業(yè)營運管理的自動化水平；能夠提供自動報站、視頻導視、電子站牌等人性化服務方便乘客；維護使用方便，產品成本盡可能低。1.3論文章節(jié)安排本文共分為六章，各章的內容安排如下：第1章：引言。簡述了發(fā)展智能公交的意義及國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，最后列出論文結構。第2章：基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)設計原理。介紹了GPS定位的原理與應用、GPS數(shù)據(jù)幀格式、本公交自動報站系統(tǒng)的原理、誤差分析以及系統(tǒng)優(yōu)勢。第3章：系統(tǒng)硬件設計。提出了系統(tǒng)的模塊組成、硬件選型，并詳細介紹了硬件單元電路的設計。第4章：系統(tǒng)測試。介紹

17、了系統(tǒng)的測試方案、測試過程及測試結果。第5章：總結與展望。總結了本文所做的工作，并討論了系統(tǒng)進一步研究的方向。2基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)設計原理GPS系統(tǒng)GPS系統(tǒng)介紹GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統(tǒng)是由24顆人造衛(wèi)星和地面站組成的全球無線導航與定位系統(tǒng)OGPS系統(tǒng)是由美國國防部于1973年開始設計、試驗,1989年2月4日第一顆GPS衛(wèi)星發(fā)射成功，1993年底建成實用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座，并開始投入商業(yè)運營。GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分一GPS衛(wèi)星；地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分一GPS信號接收機。如圖1所示，GPS的

18、空間部分是由24顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6個軌道面上（每個軌道面4顆），軌道傾角為55。此外，還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖像。這就提供了在時間上連續(xù)的全球導航能力。根據(jù)“三角測量”原理，GPS信號接收機可以輸出地面任何地點的位置信息。企2*圖1GPS衛(wèi)星分布圖GPS衛(wèi)星提供了P碼（精碼）和C/A碼（粗碼）兩種定位服務。P碼為軍方服務，因頻率較高，不易受干擾，定位精度高，因此受美國軍方管制，并設有密碼，一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務。C/A碼對社會開放，人為

19、采取措施而刻意降低精度后，主要開放給民間使用。由于GPS對社會開放，因此各類接收機、測量設備如雨后春筍涌現(xiàn)，并廣泛應用于各行各業(yè)，徹底改變了傳統(tǒng)的定位導航方式。2.1.2GPS的定位原理本裝置的定位系統(tǒng)使用GPS接收機進行自主定位，GPS接收模塊接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，將GPS信號的數(shù)據(jù)流提取出來，經(jīng)過簡單的字符串操作就可以分別找出GPS信號中的經(jīng)度、緯度以及相應的格林威治時間（該時間加上8小時即為我國標準時）等定位信息。在實際開發(fā)中，GPS接收機根據(jù)從三顆以上衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)計算出自身所處的位置，完成定位。GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后

20、方交匯的方法，確定待測點的位置。如圖2所示，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間At,再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：TOC o 1-5 h zgx)2+(丫廠丫)2+(ZZ)2+c(Vt1Vt0)=d1(1)(x2x)2+(y2y)2+(z2z)2%+c(Vt2Vt0)=d2(2)(x3x)2+(y3y)2+(z3z)2%+c(VfVt0)=d3(3)(x4x)2+(y4y)2+(z4z)2%+c(Vt4Vt0)=d4(4)由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z及鐘差；GPS模塊再由此得到經(jīng)緯度、時間等信息；最后

21、將這些信息通過串口以GPS信息的形式發(fā)送出去。圖2衛(wèi)星定位原理圖2.1.3GPS信息格式通常GPS模塊支持兩種格式:二進制消息格式和NMEA-0183ASCII消息格式。前者的通信協(xié)議為9600b/s、無校驗、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位；后者的通信協(xié)議為4800b/s、無校驗、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。由于NMEA-0183ASCII格式直觀、易于識別及應用，因此本設備采用ASCII格式。系統(tǒng)接收到的GPS數(shù)據(jù)主要由幀頭、幀尾和幀內數(shù)據(jù)組成。根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV以及$GPRMC等。這里選用推薦的$GPRMC數(shù)據(jù)幀。各類數(shù)據(jù)幀分別包含了不同的信

22、息，在此列舉出$GPRMC的各項含義：$GPRMC，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，*hh1當前位置的格林威治時間，格式為hhmmss。2狀態(tài)，A為有效位置，V為非有效接收警告，即當前天線視野上方的衛(wèi)星個數(shù)少于3顆。3緯度，格式為ddmm.mmmm。標明南北半球，N為北半球、S為南半球。徑度，格式為dddmm.Mmmm。標明東西半球，E為東半球、W為西半球。地面上的速度，范圍為000.0節(jié)999.9節(jié)（1節(jié)=1.852km/h）。方位角，范圍為000.0度359.9度。日期，格式為ddmmyy。地磁變化，從000.0度180.0度。地磁變化方向，為E或W。由于幀內各數(shù)據(jù)段由逗號

23、分割，因此在處理緩存數(shù)據(jù)時一般通過搜尋ASCII碼$來判斷是否是幀頭。在對幀頭的類別進行識別后，再通過對所經(jīng)歷逗號個數(shù)的計數(shù)判斷出當前正在處理的是哪一種定位導航參數(shù)，并做出相應處理。GPS接收機只要與衛(wèi)星處于通訊狀態(tài)就會源源不斷地把接收到的GPS導航定位信息通過串口傳送到處理器。串口通訊只負責從串口接收數(shù)據(jù)并將其放置于緩存，在沒有進一步處理之前緩存中是一長串字節(jié)流，是無法加以利用的。因此，需要對定位數(shù)據(jù)進行處理。2.1.4GPS的應用現(xiàn)狀由于衛(wèi)星運行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度不高。為提高定位精度，普遍采用差分GPS（

24、DGPS）技術，建立基準站（差分臺）進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一組修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。隨著GPS的應用和發(fā)展，人們越來越認識到GPS作用的重大及應用領域的廣闊。它已被應用于大地測量、航空攝影測量、地殼運動監(jiān)測、精細農業(yè)、個人旅游及野外探險、緊急救生等諸多領域，其應用形式也是多種多樣。GPS的優(yōu)異性能引起各行各業(yè)的興趣，也正如專家所預言，GPS已改變了許多行業(yè)的經(jīng)營方式，它是繼計算機革命之后的又一場革命。目前，世界上很多國家及組織均投入巨大的人力物力對GPS加以研究和開

25、發(fā)。起初GPS的應用主要在軍事上，如1991年海灣戰(zhàn)爭、1999年科索沃戰(zhàn)爭以美國為首的多國部隊利用GPS技術，使武器的效率倍增。GPS在和平利用也有廣泛的應用，若在車輛或船只上安裝GPS接收機，便能實現(xiàn)獲知車輛或船只的位置、運行速度和運動方向，再把這些信息通過無線電臺傳輸給主控中心，在主控中心的電子地圖（或海圖）上，就能清晰的顯示出車輛或船只的運動軌跡；主控中心根據(jù)車輛或船只的運行82基于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)設計原理情況，再發(fā)出調度指令，以完成對車輛或船只的管理和控制。92.2嵌入式公交自動報站系統(tǒng)2.2.1基于GPS公交自動報站系統(tǒng)的原理概述車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)，屬于智能交通系統(tǒng)的分

26、支，在智能交通系統(tǒng)這一龐大的體系中占有極其重要的地位。作為整個智能交通系統(tǒng)的基礎，車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)的主要目的就是找出特定車輛在特定時間的位置。本文提出的新型公交車自動報站系統(tǒng)的原理如圖3所示：通過GPS接收機接收GPS工作衛(wèi)星的導航信息，從而解算出車輛目前的經(jīng)、緯度等信息。根據(jù)GPS的定位數(shù)據(jù)計算出公交車的實時坐標，而后將其坐標與站點坐標相比較，公交車駛入站點一定距離范圍內時，不用人工干預系統(tǒng)自動進行報站。根據(jù)公交車位置的不同LCD顯示屏上顯示不同的公益信息、廣告信息和景點信息等。在離站、到站和拐彎點閾值范圍內語音提示的同時，在顯示屏上顯示同類信息，給乘客一種全方位的提示與服務。al衛(wèi)星圖3基

27、于GPS的嵌入式公交自動報站系統(tǒng)原理圖2.2.2基于GPS公交自動報站系統(tǒng)的誤差分析公交自動報站系統(tǒng)在實際應用當中會有誤差，就這些誤差進行分析。如圖4所示，（X0,Y0）為指定播報點，（X,Y）為實際播報點（最遠點）。車輛行駛中，行走的路線和指定的路線總是要有一定偏差的，這種情況只有在行進方向的左右兩側產生，這種偏差的最大值記為ERL，般情況下Erl是不會超過2m的，即Erl2m；另一個影響因素是在運行狀態(tài)下，兩次采集時間間隔中車輛行走可能越過指定播報點，這種影響只產生在行進方向的前后兩個方向，這種誤差的最大值記為Efa。，由于公交快要進站的行駛速度是限制在30km/h之內的，而GPS數(shù)據(jù)采集

28、間隔Vls，所以兩次采集時間間隔中車輛行走最遠距離為8.3m，即Ef=4.15mofa綜合上述兩種情況，產生的綜合最大誤差E=（E：+Ef2）%=4.61m。一般公交車的rlfa長度在8米到12米之間，可見產生的綜合最大誤差遠小于一個車長。因此，在日常生活中是可以接受的。1112Erl-廣/(XO?YO)Efa(XLY1)/實際行走路線E/指定行走路線2.2.3嵌入式公交自動報站系統(tǒng)的優(yōu)勢車載設備安裝于公交車上，其工作環(huán)境比較惡劣，對設備的結構也有一定的要求，本系統(tǒng)采用工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)固化于存儲器中，可靠性高，成本低，體積小，功耗低。有著廣泛的應用領域，在車輛

29、與交通工程中的應用則是其中一個重要的應用方面。將嵌入式設備作為車載終端應用于智能公交系統(tǒng)，使車載終端設備具有更高的智能性、穩(wěn)定性和擴展性，從而建立起全方位、實時準確、高效的智能交通系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用先進的衛(wèi)星定位技術與多媒體播放器相結合的方式，將會改變傳統(tǒng)公交車語音報站器必須有司機操控才能工作的落后方式，進站、出站自動播報站名及服務用語，準確、及時、不需要人工介入，實現(xiàn)了公交車報站器的完全智能化。與顯示屏直接連接，同步顯示報站信息、播放廣告等增值業(yè)務可以緩解目前公交公司在車輛維護、更換上所出現(xiàn)的資金問題。站名及有關事項可以在計算機上形成電子文件，通過串口下載到系統(tǒng)中，方便快捷。利用觸摸屏作為人機

30、交互界面，方便乘客查詢相關信息。可存儲多條線路，即使由于整修道路等原因臨時更換運營線路公交車仍可正常運營。133系統(tǒng)硬件設計3.1ARM公司及ARM芯片簡介ARM(AdvabcedRISCMachines)，既可認為是一個公司的名字，也可認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。1991年，ARM公司成立于英國劍橋，主要出售設計技術的授權。ARM公司是專門從事基于RISC技術芯片設計開發(fā)的公司，作為知識產權供應商，它本身不直接從事芯片生產，而是靠轉讓涉及許可，由合作公司生產各具特色的芯片。世界各大半導體生產商從ARM公司購買其ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應用領域，加入適當?shù)耐?/p>

31、圍電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權。因此，既使ARM技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產品更容易進入市場并被消費者所接收，從而更具有競爭力。ARM微處理器目前包括下面幾個系列：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Inter的Xseale、Inter的StrongARM。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E為4個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領域的需求。各個廠商基于ARM體系結構的處理器，除了具有

32、ARM體系結構的共同特點以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域。133.2選擇ARM微處理器的要求從應用角度出發(fā)，在選擇ARM微處理器時應考慮以下幾個問題：ARM微處理器的內核選擇。ARM微處理器包含一系列內核結構，以適應不同的應用領域，用戶如希望使用WinCE或標準Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(MemoryManagementUinit)功能的ARM芯片。由于本系統(tǒng)需要在Linux操作系統(tǒng)上運行應用程序，所以需要選擇一款帶有MMU功能的、能夠完全支持Linux的ARM微處理器。系統(tǒng)的工作頻率。系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了

33、ARM微處理器的處理能力。不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只需要一個主時鐘頻率，有的芯片內部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、DART、DSP、音頻等功能提供不同頻率的時鐘。片內外圍電路的選擇。除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應用領域，擴展了相關功能，并集成在芯片之中，我們稱之為片內外圍電路，如USB接口、IIC接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等，設計者應分析系統(tǒng)的需求，盡可能采用片內外圍電路完成所需的功能，這樣既可以簡化系統(tǒng)的設計，同時也提高系統(tǒng)的可靠性。軟件支持工具。僅有處理器，沒有較好的軟件開發(fā)工具的支持也是不行的，因

34、此選擇合適的軟件開發(fā)工具對系統(tǒng)的實現(xiàn)會起到很好的作用。是否內置調試工具。處理器如果內置調試工具可以大大縮短調試周期，降低調試的難度。143.3S3C2410X微處理器介紹本系統(tǒng)的硬件設計中，最重要的部分就是中央處理器S3C2410X，因此在實現(xiàn)系統(tǒng)功能前，首先要了解它的功能與特性。S3C2410X微處理器是一款由Samsung公司為手持設備設計的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微處理器，適用的產品包括POS、PDA、E-BOOK、GPS、智能電話、電子書包、機頂盒、手持游戲機、電子相冊、多媒體產品、視頻監(jiān)控、智能控制儀表等。它采用272腳FBGA封裝，內含一個ARM920T內核，支持的

35、系統(tǒng)包括Wince、Linux等。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，S3C2410X微處理器中還集成了以下部件：16KB指令Cache、MMU、外部存儲控制器、LCD控制器(支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏)、NANDFlash控制器、4個DMA通道、3個UART通道、1個，2C總線控制器、1個I2S總線控制器，以及4個PWM定時器和1個內部定時器、通用I/O、8通道10位ADC、觸摸屏接口、USB主、USB從、SD/MMC卡接口等。在時鐘方面S3C2410X也有突出的特色，該芯片集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時鐘發(fā)生器。MPLL產生主時鐘，能夠

36、使處理器工作頻率最高達到203MHz。這個工作頻率能夠使處理器輕松運行Wince、Linux等操作系統(tǒng)以及進行較為復雜的信息處理。UPLL產生實現(xiàn)主從USB功能的時鐘。S3C2410X對于片內的各個部件采用了獨立的電源供給：內核采用1.8V供電，存儲單元采用3.3V獨立供電，I/O采用3.3V供電。S3C2410X的內部結構框圖如下圖5。14一總線控制判決器孵碼器LCD控LCDDMA制器USB主控制器總線外部控制器NANDFLASH控制器電源管理存儲器控制器時鐘發(fā)生器(MPLL)與4通道DMA中斷控制器圖5S3C2410X的內部結構框圖3.4系統(tǒng)硬件總體設計GPS公交自動報站系統(tǒng)硬件上以ARM

37、9S3C2410X處理器為核心，根據(jù)系統(tǒng)功能實現(xiàn)的需要包含以下組成模塊：電源、復位電路、時鐘電路、GPS模塊、Flash/RAM存儲器、JTAG口、串行接口、USB接口、觸摸屏接口電路、音頻電路等。嵌入式公交自動報站系統(tǒng)的硬件框圖如下圖6所示。Ml圖6嵌入式公交自動報站系統(tǒng)的硬件框圖3.5單元電路設計3.5.1電源電路電源由車載電瓶提供的24V電壓輸入，經(jīng)穩(wěn)壓芯片7805將電壓降至5V輸出，1.8V、3.3V、12V均由穩(wěn)壓電路將+5V調整輸出得到，如圖7所示。Ml圖7電源管理系統(tǒng)功能框圖3.5.2復位和時鐘電路復位對于一個系統(tǒng)來說很重要，由于各個單元要進入正常工作狀態(tài)，需要可靠的復位，正常情

38、況下，一般有上電復位和手動復位。如果電源電壓出現(xiàn)波動，系統(tǒng)會非正常復位，這時候會發(fā)生復位時間不夠從而造成錯誤甚至死機，所以復位監(jiān)控電路也是有必要的，如下圖8。SECTKC33&ioEETTGffiDRESET圖8復位電路原理圖表1IMP811-T的引腳說明引腳功能GND地RESET復位輸出端。系統(tǒng)上電、手動復位或電壓波動低于標稱值時會輸出最少140ms低電平脈沖。MR手動復位輸出端。當本管腳接地時，RESET端產生復位信號Vcc電源輸入根據(jù)其型號后綴,IMP811的復位電平門限有6種規(guī)格（見表2）。若采用的是IMP811-T（如表1），則表示低于3.08V時產生復位信號。表2IMP811的規(guī)格

39、后綴電壓/VL4.63M4.38J4.00T3.08S2.93R2.63CPU部分需要兩路時鐘電路，一路是CPU工作時鐘輸入，另一路是供給RTC電路。CPU工作時鐘有一個源晶振，無需外部電容，直接輸出12MHz時鐘信號到CPU,由CPU內部PLL倍頻到200MHz。兩路時鐘電路如圖9所示。XTALlXTAL0=RTCInputCfUInput圖9時鐘電路原理圖3.5.3SDRAM/FLASH存儲器Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)進行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快并且可由內部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應用。作為一種非易失性存儲器

40、，F(xiàn)lash在系統(tǒng)中用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保護的用戶數(shù)據(jù)等。與Flash存儲器相比較，SDRAM不具有掉電保持數(shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫的屬性，因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間，數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復位地址0 x0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應調入SDRAM中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度，同時系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。本系統(tǒng)中采用的Flash芯片是Samsung公司的K9F2808U。該器件存儲容量為16Mx8位，除此之外還有512Kx8位的空閑存儲區(qū)。工作電

41、壓為2.7V3.6V。8位I/O端口采用地址、數(shù)據(jù)和命令復用的方法，這樣既可減少引腳數(shù)，又可使接口電路簡潔。HY57V561620是一款高速的同步動態(tài)SDRAM存儲器。由于其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內部的控制系統(tǒng)完成，因而使用非常簡單。每片HY57V561620為4Mx16Bitx4Banks，由兩片組成32位模式，合計容量64MB。對于普通的視頻應用綽綽有余，并且它加快了存取速度，因此可以在多媒體系統(tǒng)、視頻采集與編輯系統(tǒng)等方面廣泛應用。SDRAM/FLASH存儲接口電路如下圖10所示。163.5.4串行接口電路幾乎所有的微控制器、PC機都提供串行接口，使用電子工業(yè)協(xié)會（EIA）推

42、薦的RS-232-C標準，這是一種很常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標準。早期它被應用于計算機和終端通過電話線和MODEM進行遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，隨著微型計算機和微控制器的發(fā)展，近距離也采用該通信方式。在近距離通信系統(tǒng)中，不再使用電話線和MODEM，而直接進行端到端的連接。VDD337ILBfBIAD5I/O4CLEIfO3ALEIIO2WEI/OlKE1/00CESEvccvssvccvssU30143616uIF9K9F2808U44LDATA743LDATA642LDATA541LDATA432LDATA331LDATA220LDATA129LDATAO1237104:LA223LA324LA425

43、LA526LAS29LA?30LA831LA932LA1033LA1134LA1222LA1335LA1436LA2420LA2521nGRAS1833SCAS17rSCSD19LnWE16LnWbeO15LnWbel39nSCLRO38.S30EE37104A1D14A2D13A3D12A4DllA5D10A6D9A7D8A8D7A9D6A10D5AllD4A12D3D2BA0DIBA1DOnRASVDDnCASVDDncsVDDnWEVDDQLDQMVDDQUDQMVDDQCLKc鞘胡陰陰窓陰oor寸egze寸Oli寸cHY57V561620U20153LDATA15LA22351LDAT

44、A14LA32450LDATA13LA42548LDATA12LA52647LDATA11LA62945LDATA10LA73044LDATA9LAS3142LDATA8LA93213LDATA7LA103311LDATA6LA113410LDATA5LA12228LDATA4LA13357LDATA3LA14363LDATA24LDATAlLA242_LDATAOLA253nGRAS18nSCAS17nSCSD19LnWE16-11?2749T可432021LnWbeO15LnWbel39nSCLRO38nSCKE37104AlD14A2D13A3D12A4DllA5D10A6D9A7D8A

45、8D7A9D6A10D5AllD4A12D3D2BAODIBAIDOnRASVDDnCASVDDncsVDDnWEVDDQLDQMVDDQUDQMVDDQCLKc鬱霍貂貉貉貂coi寸zgze寸cni審cHY57V561620U20253LDATA3151LDATA30SOLDATA2948LDATA2847LDATA2745LDATA2644LDATA2542LDATA24ITLDATA2311LDATA2210LDATA218LDATA207LDATA193LDATA184LDATA172_6331IT2749亍可43C206,C2ni圖10SDRAM/FLASH存儲接口電路RS-232-C

46、標準采用的接口是9芯或25芯的D型插頭，常用9芯D型插頭。本系統(tǒng)的串口0即采用的9芯D型插頭，用于與PC機的通信，便于調試。要完成最基本的串行通信功能，實際上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS-232-C標準所定義的高、低電平信號與S3C2410X系統(tǒng)的LVTTL電路所定義的高、低電平信號完全不同，LVTTL的標準邏輯“1”對應2V-3.3V電平，標準邏輯“0”對應+5V-15V然，兩者間要進行通信必須經(jīng)過信號電平的轉換，這里選用MAX3232。電路原理圖如圖11所示。1刀JB1ZZZC39I10434ZZpC35|1045E232TI0RS232EJLiT8C1+VCCCl-V+C

47、2+V-C2-GNDTOUT1TIN1RIM1ROUT1TOUT2TIN2EJN2ROUT2210415J1041112ToC381041L6E232TW07ES232K3ji：i849i*5GNDDB9MAX3232圖11UARTO原理圖本系統(tǒng)的串口l用于微處理器S3C2410X與GPS模塊之間的通信。由于不需要進行信號電平轉換，所以串口l不用使用MAX3232。GPS模塊接口原理圖如圖12所示。本系統(tǒng)的GPS模塊采用美國Garmin公司的GPS15模塊。Garmin公司的產品一直以來都是居于領導者的地位。GPS15系列產品是其新推出的產品。具備12個平行接收頻道，最多能同時解算12顆衛(wèi)星信

48、息，以供快速定位與導航。使用者不需設定初始化，可自動搜尋衛(wèi)星信號，進行定位功能，并輸出NMEA0183標準資訊。所有GPS15系列產品皆具有低耗電設計。使用讀寫式記憶體設計，內部使用記憶體電池，斷電后儲存資料不流失。3.3V40V的大范圍輸入電壓承載設計及輸出介面選擇，針對不同領域提供全方位更靈活的運用，即便是在公交車上電壓不穩(wěn)定的環(huán)境下也不會受到影響。18圖12GPS模塊接口原理圖JTAG接口電路JTAG（JointTestActionGroup，聯(lián)合測試行動小組）是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內部測試及對系統(tǒng)進行仿真、測試，JTAG技術是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部圭寸裝了專門的

49、測試電路TAP（TestAcessPort，測試訪問口），通過專用的JTAG測試工具對內部節(jié)點進行測試。標準的JTAG接口是4線：TMS，TCK，TDI，TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出。通過JTAG接口，可對芯片內部的所有部件進行訪問，因而是開發(fā)調試嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設計的一種簡潔高效的手段。JTAG接口還常用于實現(xiàn)ISP（In.SystemProgrammable，在系統(tǒng)編程）功能，如對FLASH器件進行編程等。JTAG調試方法主要通過ARM芯片的JTAG邊界掃描進行調試。JTAG仿真器比較便宜，連接方便，通過現(xiàn)有的JTAG邊界掃描口與ARM處理器通信，屬于

50、完全非插入式（即不使用片上資源）調試，它無需目標存儲器，不占用目標系統(tǒng)的任何端口，而這些是駐留監(jiān)控軟件所必需的。另外，由于JTAG調試的目標程序是在目標板上執(zhí)行，仿真更接近于目標硬件，因此許多接口問題，如高頻操作限制、AC和DC參數(shù)不匹配、電線長度的限制等被最小化了。缺點是需要工作基本正常（至少MCU工作正常）的目標板，僅適用于有調試接口的芯片。JTAG接口原理圖如圖13。18USB接口電路USB通用串行總線支持設備的熱插拔，傳輸速度快，結構簡單。USB設備分為HOST（主設備）和SLAVE（從設備）。S3C2410X提供了方便的USB1.1接口，片內包括兩個USB控制器，可設置為2個主設備或

51、1個主設備與1個從設備。只有當一臺HOST與一臺SLAVE連接時才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。因此，本系統(tǒng)的USB接口采用HOST模式，掛載1G的U盤，用來存儲廣告、站點介紹等多媒體文件。接口電路圖如下圖14。1923fiHCN1VCDnRESETR910Kp201QKGNDVDDGNDnTRSTGNDTDIGNDTMSGNDTCK12TDOGNDVDD13riTRSTtdTTDMSTCDO圖13JTAG接口原理圖vcc14357觸摸屏接口電路（1）觸摸屏工作原理觸摸屏按其工作原理可分為表面聲波屏、電容屏、電阻屏和紅外屏幾種。本系統(tǒng)采用的電阻觸摸屏。如圖15所示，電阻技術觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表

52、面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復合薄膜。它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬（ITO氧化銦，透明的導電電阻）導電層，上面再蓋一層外表面經(jīng)硬化處理、光滑防擦的塑料層，它的內表面也涂有一層ITO涂層，在它們之間有許多細小的（小于1/1000in）透明隔離點把兩層導電層隔開絕緣。當手指觸摸屏時，兩層導電層在觸摸位置就有了接觸，因其中一面導電層（頂層）接通X軸方向的5V的均勻電壓場，使得檢測層（底層）的電壓由零變?yōu)榉橇悖刂破鱾蓽y到這個接通后，進行A/D轉換，并將得到的電壓值與5V相比即可得觸摸點的X軸坐標（原點在靠近接地點的那端）；圖15電阻觸摸屏原理示意圖Xi=Lx*

53、Vi/V（即分壓原理）同理得出Y軸的坐標，這就是電阻觸摸屏基本原理。（2）觸摸屏接口電路設計本系統(tǒng)采用的LCD是8寸16bitTFT觸摸屏，分辨率是640X480,型號是LQ080V3DG01.由于S3C2410X自帶觸摸屏控制器，因此可以直接將相關的引腳設置為觸摸屏功能引腳，和觸摸屏相連，實現(xiàn)對觸摸點坐標的采集。這使得LCD部分的電路非常簡單，LCD控制器的信號線經(jīng)過FDC6321場效應管后即可連接LCD模塊。輸入信號在經(jīng)過阻容式低通濾波器濾除坐標信號噪聲后被接入S3C2410X內集成的ADC（模數(shù)轉換器）的模擬信號輸入通道。其接口原理圖如圖16所示。GNDGNDGNDLCDVCLKLCDV

54、LRSLCDVEVCLCDVD19LCDVD20LCDVD21LCDVD22LCDVD2311721S319斗20521622723S2492510261127122S1329143015311632J1CON32LCDVD14LCDVD15zrrLCDVD3瓦總D斗LCDVD5LCDVD6LCDVD7LCDVM-4|VDD33LCDVD10LCDVD11LCDVD12LCDVD13+5VC61lOLhiFVDD334.7KGNDVDD335斗321LCDHiVGJ501jLCDHiV12|口LCD_Hx7_GCON2CON5MODULE501圖16LCD接口原理圖GND從S3C2410X的L

55、CD控制器出來的信號線包括24根數(shù)據(jù)線和若干根控制線。這些信號線是經(jīng)過74HC245隔離后接到LCD模塊的，如圖17所示。LCD模塊除了需要控制信號和數(shù)據(jù)信號外，還需要一個22V左右的工作電壓和上千伏的背光電壓。前者由MAX629升壓后得到（見圖7）,后者由一個逆變器模塊（圖16中的MODULE501）提供。20VIM2VPiJVixvm5vm67VI15WVD7GNI)|li.JlVITO74ITG245IJK18U2VMX)V倔217LCDDIVW3LCDM12VDH)415LCDM13VDI154VI613IXDM15VI)13i12LCUMJ6VTJI-lg11LCDMJ7VT)I5g

56、204)101rJIRXfnvnisvocGNTJIJOlilHIB3叫B5H6117HA-HLAJIRA2AJuA.6A77AVL-H5I、IJCWKT1VRI：?VUT)圖1774HC245原理圖3.58音頻電路IIS(InterolCSound)總線是Philips公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。它是一種面向多媒體的音頻總線，專用于音頻設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)字立體聲提供序列連接至標準編解碼器。IIS總線只處理聲音數(shù)據(jù)，其他信號(控制信號)必須單獨傳輸。為了使電路的引出引腳盡可能少，IIS只使用了3條串行總線：時分復用的數(shù)據(jù)線、字段選擇線(聲道選擇)、時鐘信號線。本系統(tǒng)采用Philips

57、基于IIS音頻總線的UDAl341型音頻CODEC。該CODEC支持IIS總線數(shù)據(jù)格式，采用位元流轉換技術進行信號處理，具有可編程增益放大器(PGA)和數(shù)字自動增益控制器(AGC)。由于IIS總線只處理音頻數(shù)據(jù)，因此UDAl341還內置了用于傳輸控制信號的L3總線接口。通過L3接口相當于混音器控制接口，可以控制輸入/輸出音頻信號的低音及音量大小等。如圖18,UDAl341對外提供兩組音頻信號輸入接口，每組包括左右2個聲道。兩組音頻輸入在UDAl341內部的處理存在很大差別：第一組音頻信號輸入后經(jīng)過1個0dB/6dB開關后采樣送入數(shù)字混音器：第二組音頻信號輸入后先經(jīng)過可編程增益放大器(PGA)，

58、然后再進行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)要再經(jīng)過數(shù)字自動增益控制器(AGC)送入數(shù)字混音器。因為希望通過軟件的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)輸入音量大小的調節(jié)，本系統(tǒng)設計時選用第二組輸入音頻信號，通過L3總線接口控制AGC來實現(xiàn)。另外，選擇通道2還可以通過PGA對從MIC輸入的信號進行片內放大。L3控制接口接在S3C2410X的GPG8、GPG9、GPGlO引腳上，利用這3個I/O口模擬L3總線的全部時序和協(xié)議。音頻電路原理圖見圖19。21VINL-2PGAVINFL2VIbIL-1圖18UDA1341的內部結構LNEirJ6U1E二百24斗iChjl.ICH4lOuAUDIOJ601CAUI：I0V5SARgl5VDD

59、33A100VSSAVSSAC626-I-ILhjVIHL1VINR1VINL2WSDATAODATAIL2M0DEVOUTRL3CLOCKVOUTLL3DATA+丄0MCDCDKUDA1341TST書書CLK16TELECia了GFG612；UPC也14UPU1D15頂遼IIE：TSSDO191.IC601UVERFLAGCSTATTEST1TEST2SYSL-KUluIUTEIffKDAUI：I0PHOLIE104VSSAR608FGt-TIjVSSAEi607rzC608r-iVSSAVDD33AVDD33Kt-1010KUTI.RJ517urSSATJ601AUTR口口口A10KLiC

60、619二47u圖19音頻電路原理圖224系統(tǒng)測試4.1測試方案系統(tǒng)測試是對工作成果的驗證，也是系統(tǒng)設計工作的不斷修正和改進的過程，是應用系統(tǒng)設計不可缺少的一部分。為驗證設計并實現(xiàn)的基于GPS的嵌入式公交報站系統(tǒng)是否達到設計目標，需要確定實驗方案并進行相應的測試。整個測試方案分為四個層次：硬件測試：在嵌入式自動公交報站系統(tǒng)硬件設備完成設計安裝之后，需要進行硬件測試。這個階段的測試工作是基礎，只有保證硬件有正確可靠的功能與性能，才能進行下一個階段的測試；各應用程序單獨測試：主要針對各應用程序單獨測試，檢驗其功能是否實現(xiàn);系統(tǒng)聯(lián)合測試:硬件測試和各應用程序測試通過之后，進行系統(tǒng)聯(lián)合測試；功耗測試。測