LPC2214的车载导航服务终端的硬件系统设计

摘要 随着我国私人汽车市场不断增多，汽车的导航、跟踪等位置服务将是一个非常具有发展潜力的市场。车载导航服务终端作为整个基于位置的服务系统的神经末梢，具有重要作用。本文针对车载导航服务终端的硬件设计进行研究，从硬件上提高终端的性能，为实现远程地图更新提供保障。具体介绍了终端的电路设计，分析了电路设计中的问题并给出了解决办法。
关键词 车栽导航服务终端 硬件设计 GPS ARM通用分组无线业务

引 言
    GPS在中国已经有十几年的发展历程，但在民用领域却一直投有大的突破。最近几年，GPS民用的前景已经越来越清晰，用户需求正在上升。目前有两种应用被看好：一个是民用导航终端，特别是车载系统；男一个是基于手机的移动定位服务。

    导航是LBS(Location Based Services)应用在汽车上的主要方式。目前我国已经有汽车导航的实际应用，一种是“GPS接收机+简化版的GIS引擎+地图数据”的模式，通过GPS接收机获取定位信息，然后调用本机存储的地图，将定位信息映射到电子地图上实现导航功能。这种模式虽然比较方便快捷，但也有其自身的局限性，例如成本较高、地图资源不能共享、无法做到动态的地图更新。还有一种是“GPS接收机+GSM模块十短信业务”的模式，通过GPS接收机获取定位信息，以短信的方式将定位信息发送至控制中心，再通过GSM模块拨打中心电话，以语音方式得到导航信息。这种模式成本较低，信息准确，但短信一般有延时；实验表明在网络延时不大的情况下单向传输一条140字节的短信，传输延时为6s的累计概率为92．86％，而且打电话获取导航信息的速度太慢，操作也不方便。而这些问题通过与运营商已有的通用分组无线业务GPRS结合可以得到较好的解决。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁、少量的数据传输，也适用于个别的大数据量传输。因此，车载终端选用高性能的处理器，通过GPRS与信息中心通信，完全可以实现远程地图下载与自主导航。

    本文介绍了一种基于ARM处理器、支持GPRS、低成本的车载导航终端，并对其中所涉及的硬件设计方案给出了详细的描述。

1 LBS系统模型与车载导航服务终端介绍
1．1 LBS系统模型
    LBS系统主要由全球定位系统、移动终端、无线通信网络和信息服务中心组成，如图1所示。图中GPS卫星提供定位信息，是整个LBS系统得以实现的关键；移动终端主要用来获取位置信息，发出位置服务申请以及解读导航信息；G3SM通信网络用于实现移动终端和信息服务中心的通信；信息服务中心是定位服务系统的核心，负责与移动终端的信息交互和各个分中心的网络互连，完成各种信息的分类、记录和转发以及分中心之间业务信息的流动，并对整个网络进行监控。

1.2 终端功能
    本终端采用车用电源供电，接通电源后，各模块自动启动。该终端具有以下功能：GPS定位功能；远程电予地图实时下载；定位信息和地罔数据的实时显示；主控芯片可以进入掉电模式，降低功耗，按下相应功能键能够立即唤醒主控芯片。

1．3 终端主要模块
    GPS模块采用瑞士u-blox公司的TIM-LH。该GPS接收器可以在天空视野有限的区域内提供动态条件下的精确导航，定位精度半径可达2．5m；有2个全双工串口，支持NMEA、RBX和RTCM串口协议。集成度很高，大小是25．4 mm×25．4mm，高度只有3mm。

    GPRS模块选用法国Wavecom公司推出的Q2406A。该模块支持900／1800MHz两种频带，所在频段功率分别为2W(900MHz)和1W(1800MHz)，支持WAP(Wireless Application Protocol)、IrDA 1．2A协议和GPRS；有AT数据集接口，支持数据、语音、短信、传真服务等，其数据下载速率可达53．6 khps，上传速率可达26．8 kbps。

    本终端使用ARM微处理器作为主控芯片，结合GPRS，实现实时地图下载与快速处理。LPC2214是Philips公司推出的基于ARM7TIDMI(Thumb)内核的16／32位微处理器，128位的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大速率时钟下运行；其高速计算能力为地图数据的快速处理提供了保障，性价比远高于普通单片机。LPC2214具有8／16／32位的外部存储器接口，可对4个外部存储器进行配置，每个存储器可达16 MB，为大量数据存储和嵌入式操作系统的下载提供了条件；而且该芯片具有功率控制模块，当暂时不需要导航时可使终端进入掉电模式，大大降低了功耗。另外，浚芯片有两个串口，内嵌片内可编程锁相环PLL，CPU最高工作频率可达60MHz。

2 车载导航服务终端关键硬件设计与分析
    车载导航服务终端的硬件结构如图2所示，LPC2214的串口O与GSM／GPRS模块连接，串口l与GPS模块连接。液晶显示器(LCD)通过并行方式与ARM芯片连接，采用8位数据传输方式；键盘采用矩阵扫描的方式，由8根GPIO端口线控制。

    终端上电以后，通过软件设置登录GPRS；GPS模块接收到GPS数据后通过串口1自动向主控芯片发送；主控芯片收到GPS数据后选择需要的信息，并将定位信息显示在LCD上。需要周边地图信息时，按下相应的功能键，主控芯片扫描到键盘信号，将定位信息通过串口0传递给GSM／GPRS模块，并以短信的形式发送到信息服务中心，通过GPRS下载周边地图数据，主控芯片通过串口0读取地图数据，处理后在LCD上显示，实现自主式导航。

2．1 电源电路的设计与分析
    终端系统需要电源模块提供3路电压，分别为：3．3V、1．8V和5V。其中：LPC2214的内核电源电压为l.8V；LPC2214的I/O口电源电压、TIM-LH和Q2406A的供电电压为3．3V；液晶显示器的供电电压为5V。本终端采用车用电源供电，电压一般为12V或14V。选用National公司的LM2576系列电源芯片来获取5V和3．3V电压，具体方案是：选用LM2576-5．O获得5V的电压、LM2576-3．3获取3．3V电压，然后3．3V的电压为输入电压通过电源芯片LMlll7-l.8得到l.8V电压。

    电源线和地线是所有电路的公共部分，由于各部分电路的工作电流通过电源与引线而相互耦合，从而形成干扰，因此印刷电路板PCB(Printed Circuit Board)的地线与电源线要精心设计。在设计PCB时，可根据电流的大小，尽量加大电源线的布线宽度；同时减少环路电阻，使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致。由于多层板的抗干扰能力明显高于双层板，因此可以考虑设置电源层和地层。对于一块电路板上需要多个电源电压的情况，可针对不同的电压对电源层进行分割；在PCB布局时应尽量把使用相同电源电压的器件分布在对应的区域。地层与电源层紧耦合，适当地比电源层外延，也可以有效地抑制共模干扰；当然也可以设置多个电源层，但成本会大幅增加。本终端的电路板采用设置单个电源层、分割电源层的方法，分割好的电源层如图3所示。

    此外，电路板的电源输入的端应接10～100μF的去耦电容；每个芯片的VCC端口和地之间接一个O．01～O．1μF的去耦电容，也可以有效抑制噪声的干扰。实践证明，上述一些方法对抑制信号频率低于10 MHz的电路板上的噪声和干扰比较有效。

2.2 GPS模块外围电路
    GPS模块TIM-LH上电后通过串口向外发送GPS数据，数据格式有RMC(Recommended Minirnum SpecificGNSS Data)、GGA(Global Positioning System Fix Data)等，可以根据需要编程遗择相应格式的数据。TIM-LH芯片串口1的默认波特率是9 600 bps，串口2的默认波特率是57 600 bps，可通过软件改变；如果不使用某个串口，则对应的串口输入端应接上拉电阻。

    TIM-LH的外围电路原理图如图4所示。外部复位端口REXET_N低电平有效，非常敏感，如果不用，则将其置空。不能接高电平。TIM-LH模块上电之后自动复位，通常复位信号是在模块工作不正常的情况下使用，在设计中，使用控制电源的方式来复位就可以了，这样控制起来会更加灵活、可靠；而且模块出现死机的现象很少，若希望进行重启动，则也可通过程序使用命令来控制。在设计PCB时应将GPS芯片周边区域敷铜，以屏蔽外界干扰。

2．3 GSM／GPRS模块与处理器接口设计和SIM卡接口电路
    GSM模块与ARM芯片之间通过标准的串行口通信，最高波特率可达115 200 bps。处理器LPC2214的串口输出的电平是3．3V，中间需要进行电平转换，选用MAXIM公司的MAX3232来实现。LPC2124与GSM模块之间的串口通信采用最简单的三线接法，即地、发送数据和接收数据3个端口相连，接收数据和发送数据端口要彼此交叉。

    GSM模块与SIM卡之间主要通过SIMCLK和SIM-DATA信号线进行数据通信，SIM卡接口电路的原理图如图5所示。在设计PCB时要注意，为了提高稳定性，GSM模块的连接器和SIM卡座的引脚之间的距离不要超过20cm。此外，为达到最佳效果，应在SIM支架下敷铜，敷铜与SIM卡的GND引脚相连；SIMVCC和SIMGND之间的电容C101和C102要离引脚尽量近，以满足规范要求。在选择SIM卡时要选择支持GPRS业务的，并开通GPRS业务。

2.4 LPC2214外围电路设计的关键
    在设计LPC2214外围电路时，特别要注意P0．14引脚的使用。Flash boot装载程序代码在器件上电或复位时执行。装载程序可执行ISP命令处理器或用户应用代码；复位后PO．14的低电平被认为是启动ISP命令处理器的外部硬件请求。如果P0．14采样到低电平并且看门狗溢出标志置位，则启动ISP命令处理器的外部硬件请求将被忽略。如果没有外部请求(P0．14复位后采样为高电平)，那么将搜索有效的用户程序。若找到有效的用户程序．执行的控制就转移给用户程序；若没有找到，那么就调用自动波特率程序。

    引脚P0．14作为ISP硬件请求时，由于P0．14在复位后处于高阻模式，因此用户需要提供外部硬件(上拉电阻或其他器件)使引脚处于一个确定的状态；否则，可能导致非预期地进入ISP模式。

    此外，由于使用外部晶振，在PCB设计时晶振应与芯片的振荡器输入、输出引脚尽量靠近，以减小外部干扰的影响。

3 硬件电路的调试
    调试电路板重点应放在整体性、全局性连线的错误排查，如电源线的短路、错接等。在调试串口时可以将电路板上的串口线引出，通过与计算机的串口通信来调试终端的各个串口，需用注意的是计算机的串口是标准的RS-232串口。其中，对GSM／GPRS模块的调试是通过AT指令来完成的。对串口调试完成以后，就可以设计软件程序来测试电路的性能。图6描述了GPS模块接收到的定位信号。

4 结论
    本文介绍了基于ARM的车载导航服务终端的硬件设计。终端的软件推荐使用C语言编写，可以自己从底层开发，也可以裁剪μClinux操作系统进行更高级的开发，使终端具有更强大的功能和更友好的界面。试验证明，该终端的硬件设计方案是可行的，登陆网络只需5s，数据下载速度可达38．4kbps，上传速度可达19．2kbps。随着GPRS服务的进一步完善，车载导航服务终端必然会向支持远程电子地图更新，实时图像通信的方向发展，因此该终端将会有广阔的应用前景。