基于ARM的智能车载终端设备系统的设计

摘要：设计了一种新型智能车载终端设备系统，以ARM微处理器LPC2103为硬件核心，在嵌入式μC／OS-II操作系统平台上，运用IC刷卡、GPS、GPRS等技术，实现了公交车刷卡消费、语音提示、LCD液晶显示、实时定位和远程监控、调度等功能。本文主要对智能车载终端系统的总体方案、硬件设计和软件设计进行了详细的介绍。
关键词：ARM；LPC2103；μC／OS-II；GPS；GPRS

引言
公共交通是城市交通的一个重要组成部分，公交运行管理的智能化、人性化是提高公共交通服务水平的基础，也是提高运营效率、改善公交运营调度机制与企业管理的必要手段。智能车载终端设备系统将先进的信息技术、数据通信技术、卫星定位技术及计算机技术等有效地集成运用于一体，建立一个实时、准确、高效的综合交通管理系统。

1 系统的整体构建
智能车载管理系统由智能车载终端设备、GPRS无线通信链路以及主站监控中心3个部分组成。总体结构框图如图1所示。

智能车载终端设备主要包括ARM微处理器、IC卡读写模块、语音提示模块、GPS定位模块、GPRS无线数据传输模块、LCD液晶显示模块和电源模块。本文将重点介绍智能车载终端设备的设计和实现，该终端主要实现以下功能：
①公交刷卡消费：乘客持公交IC卡刷卡消费时由IC卡读写模块从卡内扣除相应的消费额，并把余额写回卡中。如刷卡成功，则蜂鸣器发出“嘀”的提示音；如刷卡出现异常，则语音模块发出“请重刷”或“请充值”等提示音。最后，把乘客每次的消费额和卡内的余额通过LCD液晶显示模块显示。
②GPS实时定位功能：通过不断地接收卫星传来的导航电文，车载终端通过GPRS无线数据传输模块定时向主站监控中心发送车辆当前经纬度、速度等信息，并在车载终端的LCD液晶显示模块上显示，主站监控中心接收该信息，并将车辆位置实时地显示在电子地图上。
③调度功能：车载终端通过GPRS无线数据传输模块接收主站监控中心发来的控制命令和调度信息，实现公交管理系统的实时调度功能。

2 车载终端的硬件设计
2．1 ARM微处理器
在综合考虑系统性能和产品成本等因素的基础上，本系统选用LPC2103作为中央处理器。LPC2103是基于支持实时仿真的32位ARM7TDMI-S核的微处理器，带有32 KB嵌入的高速Flash存储器。具有超小LQFP48封装和很低的功耗，内置宽范围的串行通信接口(包括多个UART接口、SPI和SSP接口、2条I2C总线接口)，8 KB的片内SRAM，多个32位定时器，1个改良的10位ADC和多达13个边沿或电平触发的外部中断引脚的32条高速GPIO线，这些特性使其特别适用于工业控制和医疗系统等领域。
2．2 IC卡读写模块
IC卡读写模块采用周立功公司生产的ZLG3500A读写卡模块和ZY1730语音模块。IC卡读写模块控制原理图如图2所示。ZLG500A读写卡模块采用Philips公司高集成ISO14443A读卡芯片MF RC500，与ARM微处理器之间采用三线SPI接口，分别为SCLK、SDATA、SS。ZLG500A读写卡模块通过天线与IC卡之间进行无线数据和能量的传输，最高速率可达106 Kbps，具有真正的反冲突功能，与IC卡通信时需要经过3轮确认，保密级别很高。

2．3 GPS定位模块
本系统中GPS定位模块采用的是Gstar GS-92，GPS定位模块硬件设计原理图如图3所示。该模块支持NMEA 0183 V3．01标准输出，工作电压为3．3～5．5 V，TTL电平接口，波特率可设置。在本系统中，GS-92模块的引脚4(RXDA)和引脚5(TXDA)分别与LPC2103的TXD0和RXD0相连，引脚8接LED指示灯，引脚21接3 V的备用电池。工作时，GPS模块与主控制器LPC2103进行通信，通过设置模块定时输出GPS定位数据，由主控制器对GPS数据进行处理，提取出经纬度、时间等有用信息作为GIS监控的基本数据。

2．4 GPRS无线数据传输模块
GPRS无线数据传输模块采用Simcom公司的GSM／GPRS双频模块SIM300C，该模块主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。SIM3 00C具有独立的语音接口，配合车载终端上的LCD显示屏和操作键盘，可以方便地拨打电话。SIM300C模块与主控制器LPC2103通过UART1接口进行通信，传输速率设置为115200 bps。模块与控制器间的通信协议是AT命令集，除了串口发送(TXD)、串口接收(RXD)之外还需要一些硬件握手信号，其中DCD信号用来检测GPRS无线数据传输模块是处于数据传送状态还是处于AT命令传送状态，DTR信号用来通知GPRS无线数据传输模块传送丁作是否已经结束。GPRS无线数据传输模块硬件设计原理图如图4所示。

3 车载终端的软件设计
本系统选用源代码开放的实时操作系统μC／OS-II，下面从μC／OS-II操作系统的移植和用户应用程序的编写两方面介绍系统软件的设计。
3．1 μC／OS-II操作系统的移植
μC／OS-II的移植实际上就是对与MCU相关的代码进行重写或修改，移植的主要工作是对与处理器有关的3个文件OS CPU．H、OS-CPU．C和OS CPU A．S的编写。
OS_CPU．H：主要包括了数据类型、堆栈入口宽度、堆栈增长方向、开关中断的宏和进行任务切换的宏定义，宏可由typedef或#define来定义。
OS_CPU．C：该文件中用C语言编写了6个与操作系统相关的函数：OSTaskStkInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSw Hook()、OSTaskStatHook()、OSTimeTickHook()。其中，OSTaskStkInit()为堆栈初始化函数，必须根据具体的堆栈结构进行编写；OSTaskC reare()和OSTaskCreateExt()通过调用该函数，初始化任务的堆栈结构；后5个函数为钩子函数，必须声明，在移植初期可以为空函数。
OS_CPU_A．S：该文件中需要对处理器的寄存器进行操作，需要修改3个与处理器相关的函数：最高优先级任务调用函数OSgtartHighRdy()、任务切换函数OSCtxSw()、中断任务切换函数OSIntCtxSw()。
3．2 用户应用程序的设计
本系统采用多任务、多进程模式，将各功能应用程序设计为不同的功能模块，加载为多个不同优先级的并发进程。各功能模块优先次序如下：IC刷卡应用程序设为第1优先级，GPS定位信息采集和处理程序设为第2优先级，GPRS无线数据传输设为第3优先级，LCD显示程序设置为第4优先级。
3．2．1 刷卡模块程序设计
ZLG500A读写卡模块与IC卡之间的通信流程如图5所示。