GPS自动报站系统的设计与实现.doc

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21R OEM GPS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21R OEM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>，<CR><LF>”。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=6 378 km，这样每1/1000分所对应的弧长约为：
2πR/(360度×60(分/度))/1000
≈1.86 m
所以这里只取小数点后3位。以1/1 000分为单位，经度的最大值为63×60×1 000=3 780 000。我国纬度的最高值不超过北纬60度，同样以1/1 000分为单位，最大值为60×60×1 000=3 600 000，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40 m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8K FlashROM、512B在线可编程E2PROM、512B SRAM、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21R OEM GPS接收板，该板使用NMEA-0183 V3.0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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