GPS自动报站系统的设计与实现.doc
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GPS自动报站系统的设计与实现.doc
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GPS自动报站系统的设计与实现
摘 要:
给出了利用GPS卫星定位系统来采集车辆运行时的地理位置的经纬度、方位以及速度等信息的实现方法,利用该系统,可在上述信息经过AVR高速嵌入式单片机处理后,对预存的数据进行方向和距离误差分析,并在车辆行驶到达预定位置时,通过语音处理芯片对预先录制的语音进行播报,从而达到自动报站的目的。
关键字:
GPS;自动报站;单片机
张 波 哈尔滨工程大学信息通信学院
自动报站系统使公交车辆可以方便、及时地告诉乘客车辆运行的信息。
另外,该系统还可以为乘客提供多项提示或警示服务,使得乘客能安全乘车,减轻司乘人员的负担。
通过GPS卫星定位系统可以比较准确的给出车辆的运行位置、行进的方向及速度等情况。
本系统利用RoyalTek公司的21ROEMGPS数据接收板,进行经纬度及行进方向等数据的接收;使用ISD4004-16长时间语音处理芯片进行语音的存储与播放;用ATMEL公司的AVR高速嵌入式单片机AT90S8515做数据存储与控制单元,较好地满足了设计要求。
GPS数据接收
本系统使用的是RoyalTek公司的21ROEM接收板,接收板使用NMEA-0183V3.0协议,支持GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG等6种数据格式。
本例使用的是较常用的RMC格式。
该格式的数据为:
“<格式标识>,<协调世界时UTC>,<接收状态>,<纬度>,<北/南纬度指示>,<经度>,<东/西经度指示>,<速度>,<方向>,<日期>,<磁偏角>,<检查和>,
以上数据均以ASCII码表示。
这里我们主要关心<格式标识>、<状态>、<纬度>、<经度>、<速度>、<方向>等数据,其中<格式标识>是NMEA-0183协议中RMC数据格式的头标志,具体内容为“$GPRMC”;<接收状态>是指接收的该帧数据是否有效,“A”表示有效,“V”表示无效;<纬度>数据格式为“ddmm.mmmm”,<北/南纬度指示>为“N/S”,纬度与其配合说明是北/南纬度,由于我们地处北纬,所以只需一个纬度值就可以了;<经度>的数据格式为“dddmm.mmmm”,<东/西经度指示>为“E/W”,用于配合说明东/西经度,由于我们地处东经,所以我们也只需一个经度值就可以了;<速度>是行驶的速度,单位是哩/小时,数据给出到小数点后两位;<方向>为行驶的方向,数据格式为“ddd.dd”。
例如,若接收到的数据为:
“$GPRMC,031604.719,A,3201.3255,N,12054.1669,E,20.15,298.21,250905”
就表示是RMC格式,北京时间11时16分4.719秒,数据有效,32°1.3255分(北纬),120°54.1669分(东经),速度20.15哩/小时,方向298.21°,日期为05年9月25日。
数据压缩与预存
判别车辆行驶的位置,需要对播报点的语音编码、经纬度坐标、方向、运行状态进行预存。
为了节约存储空间,必须对数据进行预处理与压缩。
由于我国陆地地处东经73度到136度之间,所以我们将采集到的经度数据首先减去73度,变换使得经度范围在0~63度之间。
对经纬度值的预存可以使用存储每次的增量值的办法,这样可使数据长度变短,但处理起来要麻烦一些,并且可能产生误差积累;另外一种方法就是存储变换后的绝对经纬度值,这样虽然数据略长一些,但处理起来比较简单。
经过权衡,本例使用了后者。
GPS提供的经纬度为1/10000分,实际上它的最低位值是不稳定的,所以我们只取到1/1000分。
由于地球的半径约为R=6378km,这样每1/1000分所对应的弧长约为:
2πR/(360度×60(分/度))/1000
≈1.86m
所以这里只取小数点后3位。
以1/1000分为单位,经度的最大值为63×60×1000=3780000。
我国纬度的最高值不超过北纬60度,同样以1/1000分为单位,最大值为60×60×1000=3600000,经纬度以二进制形式存储备用,24位(3个字节)是足够了。
经纬度共需要6个字节即可。
方向数据,GPS可提供1/100度的精度,实际使用时以2度为单位已经足够了,所以对采集的数据整数部分除以2,范围在0~180之间,这样只须1个字节就可以了。
语音编码由语音芯片的地址确定,使用7位便可以设置128段语音,剩余1位用于存放运行状态。
由此,对一帧预存的信息只要8个字节就可以了。
而在AT90S8515中内置512一个字节E2PROM,可以存储64组预存信息。
结构如图1所示。
距离差距的处理与识别
由于一般车辆行使的范围都是比较小的,所以可以将经纬度直接看作直角坐标来处理。
设预存的经度为x0,预存的纬度为y0,车辆位置实时采集的经度为x,纬度为y。
根据距离公式,两点间的距离为:
如果将距离控制在40m内进行播报,则40/1.86≈21.5,这也就是说车辆的位置(x,y)与预存的位置(x0,y0)之间的值小于21.5即满足播报的条件;方向的判别主要用于往返同一(同名)站点,以及不同方向的运行状况,所以要求的精度并不高,只要在预存的方向值的基础上±15°(30°)即可。
最后再加上运行状态等数据的识别,即可准确的进行播报。
系统组成
图2为系统组成原理图。
图中,IC1是ATMEL公司的AVR高速嵌入式单片机AT90S8515,它完成数据的采集、存储、处理;控制语音芯片进行语音的录制、播报;键盘与显示等功能。
AT90S8515是增强低功耗RISC结构,内置8KFlashROM、512B在线可编程E2PROM、512BSRAM、32个通用寄存器,同时具有可编程的UART、同步串行通信接口SPI以及内外中断源等。
I/O口置有上拉电阻,而且上拉电阻的使用与否可通过编程控制;此外片内还嵌有E2PROM,可以存储预存的信息,从而使得外电路及其结构变得简单可靠。
图2中的GPSB为RoyalTek公司的21ROEMGPS接收板,该板使用NMEA-0183V3.0协议,可支持6种数据格式。
本系统提供了2组TTL电平RS-232接口,分A、B两组,初始状态为9600bps、8位、1个停止位、无校验位。
系统使用A组接口与AT90S8515处理器通信。
定位准确度优于10米。
图2中的IC2为长时间语音处理芯片ISD4004-16,主要用来完成语音储存与播放工作,它与单片机之间通过同步串行接口SPI进行通信,该芯片采用多电平直接模拟量存储技术,将采样值直接存储于闪存中,能真实地再现录制的语音。
图3为ISD4004的控制字,其中各位的含义如下:
C4:
1表示允许操作,0表示禁止操作;
C3:
1表示放音,0表示录音;
C2:
1表示上电,0表示掉电;
C1:
1表示不使用指定地址,0表示使用指定地址;
C0:
1表示允许快进,0表示不允许快进;
A15~A0:
指定地址。
这样组成常用的指令及含义如下:
00100xxx(xxxxxxxxxxxxxxxx):
上电;
11100xxx(A15~A0):
指定放音地址(须后跟放音指令,使放音继续);
11110xxx(xxxxxxxxxxxxxxxx):
放音指令,从当前位置放音,直到遇到段结束或存储器尾标记为止;
10100xxx(A15-A0):
指定录音地址(须后跟录音指令,使录音继续);
10110xxx(xxxxxxxxxxxxxxxx):
录音指令,从当前位置录音,直到停止指令或遇到存储器尾标记;
11101xxx(A15-A0):
指定快进地址(须后跟快进指令,使快机快进继续);
11111xxx(xxxxxxxxxxxxxxxx):
快进指令,直到遇到段结束或存储器尾标记;
0x110xxx(xxxxxxxxxxxxxxxx):
停止指令,停止当前操作;
0x01xxxx(xxxxxxxxxxxxxxxx):
停止当前操作并掉电指令;
0x110xxx(xxxxxxxxxxxxxxxx):
读状态指令,读取段结束或存储器尾标记。
在图2中还有控制键和显示部分,这里不再赘述。
结束语
GPS系统被广泛用于电子地图、个人定位报警、车船调度管理系统、车船导航系统、定位防盗报警服务等方面。
在自动报站方面的应用是一个尝试,尚有一些功能可扩充和完善。
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