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1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 微电子学 班级学号： 0802-03 学生姓名： 马永会 指导教师： 李彤 副教授 二XX一二 年 X六 月天津职业技术师范大学本科生毕业设计基于ARM的GPS定位系统的设计Design of GPS Positioning System Based on ARM专业班级：微电0802班学生姓名：马永会指导教师：李彤 副教授系 别：电子工程学院2012年 6月摘 要本设计是一种基于ARM的嵌入式的GPS定位系统。该系统的主要功能是实现检测地面物体的坐标信息并能
2、够通过GSM模块TC35传输到客户端。系统以GSM网络作为远程信号传输平台，通过接收短信息并以AT指令形式传输命令。本系统可以分为GPS接收器、GSM平台、中央处理器三个主要部分组成，其中GPS实现定位物体的坐标，GSM平台实现远程接受GPS的定位数据，中央处理器实现信息处理加工。GPS模块采用SiRFstarIIe的高性能的GPS芯片，GPS定位的数据采用NAME-183协议来编码，GSM平台以TC35工业模块来实现，通过AT指令能够快速传输信息。中央处理器以S3C2440A为处理器，外置按键、液晶屏、显示灯等电路。程序部分包括S3C2440A初始化、主程序、GPS串口通信程序、短消息发送程
3、序。最终以程序和硬件组合形成基于ARM的嵌入式GPS定位系统。 关键词： GSM；短信息；远程监测；AT指令；ARM处理器ABSTRACTThis paper designs a GPS positioning system based on ARM. The main function of this system is to detect the positing signals and the speed of object. The system can display GPS signals on LCD. It treats GSM networks as a remote sig
4、nal transmission platform and transmites command AT instruction form by sending short message. This system is divided into three parts, the GSM platform, the central processor and GPS reciever. Among them, the GSM platform is used to achieve the remote monitoring, the CPU is used to process informat
5、ion, and the GPS receiver is used to acquire positing data. The GSM platform could quickly transmit information using AT instructions, which is made of TC35 industrial module. The chip of S3C2440A is used as the central processor, including the keyboard, the LCD screen, the indicator light and other
6、 external circuits. The software part includes microcontroller initialization, main program, signal acquisition program, sending texts program. Eventually, the combination of programs and hardware laid the foundation of this design - design of GPS positioning system based on ARM.Key Words: GSM; GPS;
7、 Remote monitoring; AT instructions; ARM目 录1引 言11.1国内外导航定位的发展现状11.2GPS基本知识11.2.1GPS体系结构11.2.2SiRFstarIIe和SiRFstarIIe/LP21.3无线通信GSM模块TC354GSM基本知识41.3AT指令简介41.3TC35基本知识52系统硬件设计7系统总体硬件结构设计71.3微处理器电路设计8.1S3C2440A的主要参数指标8.2S3C2440A的指令集91.3系统部分电路11.1电源电路11.2采用MAX232接口的串行通信121.3TC35外围电路设计142系统总软件的设计流程151.3
8、短消息的软件设计161.3测试结果17结 论19参考文献20致 谢21天津职业技术师范大学X2012届本科生毕业设计1 引 言1.1 国内外导航定位的发展现状2009年GPS定位导航产业发展迅猛，增长迅速，一方面得益于导航定位系统在车载导航定位方面的飞速发展，另一方面导航定位系统在手机等手持设备上的广泛应用及该技术的成熟也促进了GPS产业的迅猛发展。随着导航定位技术的发展，导航定位也逐步向多元化发展，出现了多种系统同时存在的状况，提升了系统的多用性，增强了系统的应用范围；除此之外，随着无线技术的迅速发展及日趋成熟，导航定位与这些技术相关联，使得导航定位的应用前景更加广阔，使得包括定位技术在内的
9、信息产业得以较快的发展。GPS卫星定位系统最初用在军用方面，随着美国对GPS定位系统的开放，该定位技术在民用方面发展态势迅猛，主要应用在地质勘测及车辆的导航定位方面，而对于个人手持设备的应用方面仍有待改进，随着嵌入式技术的逐步成熟及广泛应用，个人手持设备以其小巧、轻便、便携以及实用性强的特点，很快融入到人们的生活中5，像目前的手机等移动设备都具有了GPS定位功能，具有导航定位的手持设备在未来具有广泛的前景，因此，将嵌入式技术与GPS定位技术相结合来开发具有导航定位的手持设备成为一种新兴的研究热点，也必将成为今后导航定位在个人应用方面的发展趋势。基于嵌入式技术和GPS定位技术的手持设备的研究具有
10、重要的意义，对未来GPS手持设备的广泛应用奠定良好的基础。1.2 GPS基本知识GPS系统是由美国军方建立起来的。利用围绕地球的24颗卫星发射信号进行经纬度和高度的定位。最早是为了应用在海军军舰进行海上定位使用。GPS实际上是Global Positioning System的缩写。意思是全球定位系统，围绕地球的24颗卫星成互差120度的平面排列。也就是说理想状态下我们同时应该能够接受到12颗卫星所传来的信号。GPS卫星同时发射两种码，一种为P码，我们称之为细码，一种是C/A码，我们称之为粗码。P码的精度非常高，通常可以控制在误差3米以内，但只为军方服务。而我们使用的为C/A码，精度在14米以
11、内。1.2.1 GPS体系结构GPS系统包括三大部分：空间部分-GPS卫星星座1；地面控制部分-地面监控系统；用户设备部分-GPS信号接收机12-4。GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进
12、行监测和控制。GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、位置、甚至三维速度和时间。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。1.2.2 SiRFstarIIe和SiRFstarIIe/LPSiRFstarIIe5,6发布于2002年，是一款高性能的GPS芯片，SiRFstarIIe/LP是其低功耗版本。两者都采用1920次/频率的相关器，冷开机/暖开机/
13、热开机的时间分别达到45s/35s/8s，可以同时追踪12个卫星信道。通常这两款产品可以满足用户的日常需要。SiRFstarIIe的内部结构框图，基本电路，电源电路分别见图1-1，图1-2，图1-3。图1-1 SiRFstar e/LP 内部结构框图图1-2 SiRFstar e/LP基本电路图1-3 GPS电源电路SiRFstar e/LP硬件参数:GPS 模块有可能采用相兼容型号，但引脚及定义和性能参数是一致的。SiRFstar IIe/LP的引脚定义见图1-4，引脚定义解析见表1-1。图1-4 GPS芯片的引脚定义1.3 无线通信GSM模块TC35GSM基本知识GSM7( Global
14、System for Mobile communication )移动通信网络，俗称全球通，是由欧洲开发的数字移动电话网络标准，其开发目的是让全球各地共同使用一个移动电话网络标准，用户使用一部手机就能行遍全球。在现代的移动通信体制中，GSM系统是一种比较成熟和完善的系统，其应用非常广泛。目前已建成覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通讯网络，其可以提供语音和短信等各种服务。1.3 AT指令简介短信息服务是GSM系统中提供的一种GSM终端（手机）之间，通过服务中心进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完成信息的存储和转发功能。目前，发送短消息常用Text和PDU8(Protocol Data Unit
15、，协议数据单元）模式。使用Text模式收发短信息代码简单，实现起来容易，但缺点是不能收发中文短信；而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。PDU模式收发短信可使用3种编码：7bit、8bit和UCS2编码。7bit编码用于发送普通的ASCII字符，8bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode编码字符。在这三种编码方式下，可发送的最大字符数分别是160、140、70。若发送中文，必须采用PDU模式的Unicode编码方式。 1.3 TC35基本知识TC3589是Siemens公司新一代无线通信GSM模块, 他设计小巧、功耗很低，其主要由GSM基带处理器、GSM无线
16、模块、电源模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口6部分组成。其框图如图2-1所示。天线连接器闪存40 ZIF 连接插槽GSM无线装置GSM基带处理器电源（集成电路） 图2-1 TC35 的结构框图TC35 的基本性能：传输数字和音频信号；单电压供电3.3 5.5V；低功耗: 处于睡眠状态时仅310 mA；支持EGSM 900和GSM 1800双频；传输功率: EGSM 900为2W; GSM 1800为1W；支持语音、数据、短消息和传真服务；支持3 种语音编码的传送速率；短信息服务：文本和数据协议单元模式；传输速率：214 kb/s , 418 kb/s, 916 kb/s；标准协议的
17、认证；采用GSM Phase2/2+ 标准；SIM卡：由连接界面从外部连接；SIM卡支持：3 V /1.8 V （1.8 V需要分开检测, 并且在GSM 11.10下合法）；语音接口：模拟（麦克风, 耳机, 免提方式）；界面接口：RS232 （CMOS标准），AT控制下的双总线（数据/命令）；电话本：通过SIM卡实现；TC35的复位：通过AT命令或者Power Down信号实现复位；可选波特率：300 b/ s 115kb/s；自动波特范围：112115kb/s；软件下载：RS232或者SIM卡；时钟：32.768 kHz；定时功能：通过AT编程获得。2 系统硬件设计2.1 系统总体硬件结构设
18、计整个系统结构可分为3部分：GPS导航模块、GSM短信息(SMS)服务中心和控制系统。系统中的信息采集部分由GPS模块负责实时采集卫星发送来的实时数据，并把采集到的数据转化为NAME-0183协议形式的数据报文，然后通过串口传送给S3C2440A9的串口。S3C2440A微处理器取得相应的数据后经主程序处理和分析后，从数据中采集出经度，纬度，高度和时间数据，然后通过液晶显示器显示出定位信息。与此同时S3C2440A还通过串口二把处理后的定位信息传送给GSM模块，并根据事先设定好的接收信息的目标，把相应的定位信息发送到手机上。图3-1 系统结构框图该系统由西门子的TC35模块、GPS模块、S3C
19、2440A微处理器模块和一些外围器件（液晶显示，按键等模块）构成。图3-1为此系统的硬件结构框图。2.1 微处理器电路设计在本系统中使用S3C2440A微处理器作为整个系统的主控芯片，S3C2440A是三星公司生产的32位的RISC10（精简指令集）微处理器，三星的S3C2440A微处理器为各种手持产品和大众的电子产品提供了一个具有低功耗的，高性能的，小体积的微处理器。为了降低系统的花费整个S3C2440A微处理器包含以下几种功能模块。S3C2440A采用的是ARM920T内核，0.13um的CMOS标准工艺,采用AMBA(Advanced Micro controller Bus Archi
20、tecture)的总线结构。ARM920T内核内部包括MMU（内存管理单元），AMBA总线结构。ARM920T采用Harvard结构，拥有独立的16Kb的数据缓存和16Kb的指令缓存。并且拥有独立的数据总线和独立的指令总线。这些特征使S3C2440A成为了一款速度更快,性能更好的微处理器，广泛的应用于各种电子产品中。.1 S3C2440A的主要参数指标1 1.2V内核，1.8V/2.5V/3.3V储存器，3.3V扩展I/O，16KB指令Cache(I-Cache)，16KB数据Cache(D-Cache)2 外部储存控制器(SDRAM控制盒片选逻辑）3 集成LCD专用DMA的LCD控制器（支持
21、最大4K色STN和256K色TFT）4 4路拥有外部请求引脚的DMA控制器5 3路URAT(IrDA1.0，64-Byte Tx FIFO，64Byte Rx FIFO)6 2路SPI7 IIC总线接口（多主支持）8 IIS音频编解码器接口9 AC97编解码器接口10 1.0版SD主接口，兼容2.11版MMC接口11 2路USB主机控制/1路USB期间控制(ver1.1)12 4路PWM定时器/1路内部定时器/看门狗定时器13 8路10位ADC和触摸屏接口14 具有日历功能的RTC15 摄像头接口（支持最大4096x4096的输入， 2048x2048缩放输入）16 130个通用I/O，24个
22、外部中断源17 电源控制：正常，慢速，空闲，睡眠模式18 带PLL的片上时钟发生器 .2 S3C2440A的指令集S3C2440A的指令系统见表3-1，S3C2440A的条件码见表3-2，S3C2440A的指令集见表3-3。表3-1 S3C2440A的指令系统2.1 系统部分电路.1 电源电路本设计是由两个稳压芯片电源电路组成的，因为此设计需要分别提供一个3.3V见图3-2，1.25V见图3-3，3.3V的3A的GSM的电源见图3-4，所以根据设计需要经过变压器变压整流后接了3个稳压电源电路。分别用LM257611和LM108512芯片组成的开关电源电路其输出电压值为5V和GSM电源电路其输出
23、电压值为3.3V。图3-2 3.3V电源电路图3-3 1.25V电源电路图3-4 稳压电源电路原理图.2 采用MAX232接口的串行通信GSM模块TC35通信接口采用的是CMT-DZ01提供标准的RS-232串行接口，用户可以通过串行口使用AT命令完成对模块的操作。由于RS-232标准采用负逻辑，而S3C2440A采用TTL电平，为了实现单片机的通信，在电路上采用电平转换芯片MAX23213实现正电压、负电压的转换。MAX232芯片是包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种通信接口。芯片内部有一个电源电压变换器，它可以完全MAX323和S3C2440A间的电压转换，电压转换范围是-10V
24、+5V或+5V +10V。所以采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电压就可以了。此设计模块的MAX232的接口电路如图3-5所示，S3C2440A的串口电路见图3-6。 图3-5 MAX232的接口电路图3-6 S3C2440A的串口电路2.1 TC35外围电路设计TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（专用集成电路）、闪存、ZIF（零插入力）连接器、天线接口6部分组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。 TC35的数据
25、输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU RS232接口标准。它固有的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，硬件握手信号用RTSO/CTSO，波特率在300bps115kbps之间可选，软件流量控制在XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。此模块是实现本设计的关键也是难点，只有实现此电路模块的功能才能实现GSM网络连接，才能通过接口RS323与单片机连接编辑AT指令实现通信；接发所需短消息,从而实现发送定位数据的目的，TC35的电路原理图见附录。2 系统总软件的设计流程本系统程序设计的任务要有：一是S3C2440A与GPS模块的串口通信；二是GPS的定位数据的采集与
26、处理；三是GSM模块的启动、状态检测；四是S3C2440A与GSM模块的串口通信；五是把处理过的定位数据显示到LCD；六是设定接收定位信息手机号码并根据需要把数据发送到接收信息的手机。本设计主要工作的流程为：加电启动，初始化模块检测模块程序、串口发送模块程序和显示模块等，使MCU，GSM模块，GPS模块和液晶等模块正常工作，设定接收信息的手机号码。系统进入主循环后，首先启动串口一读取GPS的数据并判断读取的数据是否是完整的定位数据，如果接收的数据是完整的定位数据，判断发送短信的按键是否被按下，如果发送按键被按下，则程序编辑AT指令，把相应的定位数据发送到指定的手机号码上，如果按键没有按下则程序
27、继续通过串口一接收GPS定位数据经过处理后再在LCD上显示出定位信息如果读取的数据不是完整的定位信息则程序继续读取GPS数据直到数据完整主程序流程如图4-1所示。图4-1 主程序流程图2.1 短消息的软件设计本设计的关键和难点是手机短消息接口，包括手机短消息的用户数据区编码、通信模式设定和联机测试、短消息的发送、发送数据的关键命令字的模式匹配等短消息模块设计SMS利用信令信道传输，不必建立拨号连接，只需将信息加上目的地址发送到短消息服务中心，经中心完成存储后再发至目的地，即使GSM终端关机信息也不丢失 。对SMS的控制有3种途径：Block Mode14-17，Text Mode和PDU Mo
28、de，其中TextMode模式应用最为简单，通用性较强，因此该项目选择使用Text格式来发送短消息。AT指令以“AT”开头，除发送短消息最后是以+结束外，其余都以回车符结束。指令执行成功与否有相应形式为，是换行符。在应用过程中采用RS232串口通信将数据服务器与手机模块相连从而实现短消息的输入与传送。短消息发送流程图如图4-2所示。NY图4-2 短信息发送流程2.1 测试结果现场监控1. GPS采集定位数据，并在LCD上显示。2. GSM进行检测看SIM是否插入是否正常通讯此过程大概需要1分钟3. 当能正常通讯时工作人员要进行身份验证当验证通过才能对数据信息进行处理并通过TC35发送到指定手机
29、。远程监控1.当GSM检测SIM卡能正常通讯时此时会在LCD上显示GSM MODE ON LINE！2.在SIM能正常通讯的情况下当有按键按下时把定位数据发送出去。 15结 论结 论本系统建立在一个基于ARM9内核的GPS卫星定位系统，能够实现监测中心站与远程监测分站的GSM远程通信。设计了基于S3C2440A系统，实现了对GPS数据的采集和处理功能，并通过GSM通信模块TC35与目标手机通信。毕业设计在一定程度上加强了理论学习和工程实践相融合、巩固基础知识与培养创新意识相结合等方面的能力。经过此次的毕业设计培养了一种严肃认真和实事求是的科学态度，更熟悉了对一项课题研究、设计和实验的过程。本设
30、计同时也存在着一些不足之处，发送短消息常用Text和PDU模式。使用Text模式收发短信息代码简单，实现起来容易，但缺点是不能收发中文短信：而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。本设计采用了Text短消息编码形式而没有采用PDU功能强大的编码形式所以本设计不能接发中文信息。本设计还有很多可以完善的地方，可以着手从下面几个方面继续扩展：1、本设计还可以增加多个传感器，实现多点、多样、多环境监测，并把周围的环境信息一并同GPS数据发送到目标手机；2、本设计应用和扩展的空间很大，可通过不同的传感器采集不同的参数实现不同的监测目标；3、 TC35具有语音、数据等功能接口，所以可以增加语音通话
31、等实用的功能，本设计只是采用了TC35作为发送数据的功能，还可以增加远程控制的功能，例如目标手机可以通过TC35发送过来的定位信息以及周围的环境信息从而决定对环境数据的控制功能。16参 考 文 献参考文献1 陈荣保,曹军,李志勇.基于GSM/GPRS的嵌入式汽车防盗系统.自动化仪表,2008,29(9):27-29. 2 樊振方,彭爱华,周健.基于GSM网络的汽车防盗报警系统设计.电子技术应用,2O06(3):14-l6. 3 郑尚志,韩云,陈祖爵.基于NiosII的汽车防盗系统.仪表技术与传感器.2007(8):35-37. 4 翟国锐,戴胜华.基于GPRS和GPS的汽车防盗系统设计.单片机
32、与嵌入式系统,2007(8):39-41. 5 任凤娟,郑萍.基于TC35I的远程直流电源监控系统.国外电子元器件,2008(4):32-35.6 许伦辉,刘风磊等.基于TC35I公交站信息显示系统设计.交通与计算机,2008,21(3):108-110.7 邓振杰,齐建玲等.基于GSM 远程监控系统的设计.微计算机信息,2007,6(1):l20-121.8 张兢,路彦和.基于GSM 移动通信增值业务的无线监控系统.微计算机信息,2006,1(3):217-219.9 曾武玲.基于短消息网关的短消息增值应用.微电子技术,2002(3):14-18.10 谢崇明.GSM汽车防盗报警系统设计.装
33、备制造技术,2008,2(1):105-107.11 彭宇平,林喜荣等.基于GSM模块TC351的远程报警和控制装置的研制.安防科技,2008,7(4):8-10.12 谢崇明,GSM汽车防盗报警系统设计.装备制造技术,2008(1):105-107. 13 谭宝成,王鹧.基于SMS通信的直放站监控系统设计.西安工业学院学报,2003,(1):30. 14 刘经南,刘晖.连续运行卫星定位服务系统城市空间数据的基础设施.武汉大学学报:信息科学版,2003,28(3):259-264 15 吴俐民,陈云波,丁仁军.昆明市连续运行GPS参考站系统的研究及建设.测绘科学,2006,31(3):47-4
34、9. 16 邸国辉,刘幼华,陈汉文.RTK测量的精度和可靠性分析.地理空间信息,2007,5(6):8-10. 17 崔更申.基于ARM7网络型汽车防盗系统的研制.微计算机信息,2006,22(11-2):147-148. 18附 录致 谢在本论文即将完成之际谨对我的指导老师李彤副教授表示崇高的敬意和衷心的感谢。在本论文的写作过程中，李老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。在做毕业设计期间李老师不顾劳累跟我们研究课题而且经常询问我们的计划和工作进程，并且李老师教会了我怎样去看待、分析和解决面对的难题，对我今后的学习有很大的帮助。在此还要感谢我的大学同学、老师和朋友们，感谢在设计过程中帮助过我的老师和朋友。感谢在我成长过程中一起走过、哭过、笑过、幸福过的所有见证人。大学四年即将过去，四年，弹指一挥间，往日一一在目，经历的所有事是那么的让人怀念，在这里，祝老师们工作顺利，同学们在以后的人生道路上走的幸福！最重要的是我要感谢我父母把握养育长大！是你们把我养大，给我能力，给我知识，给我一生。在此我要向我的父母说一声：谢谢！还要感谢我的母校：天津职业技术师范大学，感谢您四年来的栽培，教会我知识和技术，我会有这些来武装自己，在未来的日子我会继续努力学习，让学校为我骄傲！