基于FPGA的远程定位技术研究本科毕业论文.doc
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1、河北工业大学城市学院2014届本科毕业设计说明书毕业设计(论文)中文摘要题 目:基于FPGA的远程定位技术研究摘要:GPS(全球卫星定位系统)可以实现一种非常稳定的有效的汽车定位方法,利用 GSM(全球移动通信系统)技术将GPS接收到的定位消息迅速的发送到接收终端。把这两种技术组合在一起形成的汽车监控导航系统,为解决相关问题找到了不错的方法,在汽车导航控制系统的过程中发挥着重要作用。基于FPGA 的GPS/GSM汽车监控系统,采用FPGA的嵌入式微处理器核当作数据处理和控制核心,用来完成对 GPS 数据、短消息等数据的处理以及对车载台各个模块的控制功能。本设计采用sim908模块,它将GPS/
2、GSM模块集成在一起,这样的设计明显减少了开发GPS功能应用的成本和时间。本次设计通过在nios II的SOPC builder中构建出系统的软核,在quartus里面搭建好系统的硬件电路图。在NIOS II IDE软件中编写程序。该系统预期的目标是将GPS模块接受到的定位信息通过串口发送回来,再将定位信息解析后,通过GSM模块发送到用户手机。目前,系统可以实现GPS定位信息的接收和显示。关键词: FPGA GPS GSM毕业设计说明书毕业设计(论文)外文摘要Title Remote positioning technology research based on FPGA Abstract:
3、GPS (global positioning system) can realize a very stable and efficient motor positioning method. Using GSM (global system for mobile communications) technology can rapidly transmit the positioning data information that received by GPS to the receiving terminal.A combination of GPS/GSM vehicle monit
4、oring system,is a good solution to solve the above problem .this technology is playing a more and more important role in the process of car navigation control system.GPS/GSM vehicle monitoring system on-board based on FPGA , Using embedded microprocessor core of FPGA as information processing and th
5、e control core,to complete the GPS data and short message data processing and control of the vehicle platform module . Using sim908 module,which can integrate GPS,GSM module together. This design can reduce the cost and time of GPS application.The core of the system is designed in the nios II SOPC b
6、uilder And the quartus can build the hardware circuit .The program is written in the NIOS II IDE software.The system is expected to transmit the positioning information received by GPS module through a serial port. Then analyzing the positioning information and sending to the userphone through GSM m
7、odule . At present, the system can only accept and display the GPS positioning information .Keywords: FPGA GPS GSM目录1、 引言- 1 -1.1研究背景- 1 -1.2国内外研究现状- 2 -1.3 目前导航系统的发展现状- 2 -1.4 FPGA技术在汽车电子领域的应用及发展前景- 4 -1.5 GPS/GSM相关产品的发展现状- 4 -1.6 课题研究目的及意义- 5 -2、系统的组成及方案设计- 5 -2.1总体设计- 5 -2.2局部设计- 6 -2.3信息处理和控制核心模
8、块设计- 8 -3.车载台的总体设计- 15 -3.1 车载台的概况- 15 -3.2 FPGA上嵌入式微处理器的介绍- 15 -3.3 车载台硬件系统的搭建设计- 16 -3.4 车载台软件系统的设计- 20 -3.4.1 GPS模块的工作流程- 20 -3.4.2 GSM模块的工作流程- 20 -3.4.3 系统总工作流程- 21 -4.车载台系统的测试- 22 -4.1 GSM模块测试- 22 -4.2 GPS模块测试- 24 -4.3 系统总体测试- 26 -结论- 28 -参考文献- 29 -致谢- 30 -附录A- 31 -毕业设计说明书1、 引言 1.1研究背景随着社会的进步和经
9、济的飞速发展,各式各样的汽车已经走进了家家户户,汽车在带给人们方便的出行的同时,在平安方面也暴露着一些祸患,由此带来的车辆安全问题也得到了人们的关注2。尤其是最近些年,伴随着私人车总量的不断增大,私有车的主人寻找安全保护,希望提供相应服务的愿望也越来越逐渐强烈,旧的服务模式已经不能达到客户们的主要要求6。因此,希望有更高新的科学技术,更先进的定位系统应用于汽车行业。车辆定位跟踪系统是智能交通系统的一个重要组成部分,是极具潜力的应用之一。美国是第一个研制了全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的国家,在20世纪七八十年代,由美国陆军、海军、空军 三个军队共同研
10、制出最新的空间卫星导航定位系统1。 他们研究这个系统的主要目的是给陆、海、空等几个部门供给实时的导航服务,一旦遇到了紧急危机,例如气候的特殊变化、 军事袭击等情况,可以随时随地的提供导航服务。在搜集情报,核电爆炸等危险情况下,可以提供及时的通信服务19。该系统的设计同时也显示了美国独霸全球的野心。经过了大约20几年的不断研制和试验,耗费了高达300多亿美元,截止到1994年的3月底,20多颗卫星已经覆盖了全球面积的90左右。全球移动通信系统(Global System For Mobile Communications,GSM)具有开放性的优点 ,它具有以下特点:1、由很多小系统构成,而且可以
11、和不同种类的公共的通信网络相互联系,在每一个分系统之间和每一个分系统与其它的通信网之间都被确切的定义了标准的接口规则,从而确保每一家生产商提出的GSM系统或者子系统可以相互联系2。2、GSM系统可以实现语音传输的功能,还能实现许多其它的服务。3、GSM系统拥有加密和鉴权的功效,可以保证用户守密和网络的安全。4、一般的干扰信号都不会对GSM系统产生影响,只要能监测到信号覆盖的区域,信号强度都很高。5、GSM系统终端设备具有功能强、小巧等功能。1.2国内外研究现状汽车监控系统这样的高科技系统融合了许多种不同的技术,例如GPS,GSM还有现在比较热的嵌入式等技术。目前,根据我国情况,一般采用GSM作
12、为无线通信方式18。其他国家也开发了各种各样的汽车监控系统,VDO系统是由德国汽车零件公司设计的,法国通过把汽车组合在一块,也设计出了一个导航定位系统,Travtck车辆导航信息系统由美国General Motor 公司经过多年的研究和实验制造出的2。不同的国家各有各的品牌,他们产品的共同特点就是提供了精准的、直观的、详细的汽车位置信息,而且具有不错的稳定性和可靠性。美国的车辆导航服务具有别样的特点,它集成了呼救服务系统的辅助导航占有很大的优势5。所谓的辅助导航是建立特定的服务控制中心,而且控制中心通常具计算机管理,电子图和通信连接设备等强大功能,装有GPS设备的汽车可以被提供定位跟踪管理,救
13、助服务受理等。在我们国家,从上个世纪九十年代初期到现在,在这十几年的时间里,我们国家的车辆定位和远程监控技术在崎岖中不断向前发展。经历了1994年到1995年的新型阶段后,国内车辆监控系统进行了调整2。从1999年到现在,新一波快速增长的势头出现在汽车定位和车辆监控系统市场里。此时,各方面条件已经成熟,系统与车载台系统日渐成熟,系统容量达到数千辆的规模。从2006年到2008年,随着北京奥运会的举办,数万台公共汽车安装了车辆监控系统。交通部门能够实时的监控北京车辆的运行。当然,车载电子的发展面临着难题4。在目前的汽车行业中,GPS/GSM车辆监控系统产品与一般消费品一样,面临着协议和标准变化的
14、压力,产品的更新换代非常频繁,采用的器件有可能会迅速过时。而且,车的标准寿命是十年,如何让车辆监控系统的寿命与车的寿命相匹配,是目前的一大难题7。随着FPGA技术的不断地成熟和发展,这种技术在车辆电子领域的优势越来越明显。采用软核处理器的内核并把它嵌入在FPGA的构造中是一种很好的解决办法5。利用通用的FPGA平台生产每一种型号产品,就能通过尽可能小的变化适应不同的设计要求。1.3 目前导航系统的发展现状目前为止,我们国家自己研制出了一种新的全球卫星定位与通信系统,它的名字叫北斗卫星导航系统。紧紧的排在美国的全球定位系统(GPS)和俄国GLONASS以后的比较稳定的卫星导航系统就属北斗卫星导航
15、系统了。该系统在空间上、陆地上、用户终端三个方面进行了分布,在整个地球的周围,不管是在什么时间,什么地点,该系统都可以为不同种类的用户服务。该系统提供的服务特点包括:非常高的精准度、实现比较稳定的定位、任意空间的导航,而且可以传输各种信息实现通信。大体上拥有了一下几点优势:可以实现任何地区的导航、定位,20m以内都可以精确到,实时性非常强,能达到101ns左右。在两年前的腊月底左右,发生了一件值得华人骄傲的事情,那就是北斗系统的相关接口文件正式版1.0被面向世界宣布了。在整个亚洲地区内,北斗导航执行的业务被正式授予了。其中包括定位、导航、授时等服务。2013年12月27日,国务院的新闻办公厅里
16、召开了一次很隆重的新闻发布会,在该次发布会上,我国正式公开发布了有关北斗卫星导航系统的两个系统文件。联合国的委员会也宣布了一件很高兴的事情,它宣布把北斗卫星导航系统和美国发布的定位系统、俄罗斯研究的系统以及欧盟伽利略的系统一起为全世界提供服务。与GPS以及其他几个国家研究的系统不同的是,北斗导航终端拥有很多自己特殊的特点,可以将两种不同的业务结合在一起,还可以进行互相通信; 全天候的快捷定位,几乎不会出现的信号盲区,精准度与比GPS高出很多。可以给全世界提供全方位的服务,而且不收任何费用,也就是说全是免费的服务。在实现没有源头的定位导航服务的时候,不论用户数量有多少,都不需要考虑超数,而且可以
17、兼容GPS;尤其用户的数量很大,范围也很广的情况下,使用该系统是非常适用的,该系统也可以用于数据采集和数据传输应用;它的非同一般的节点式定位处理设计,能在同一时间段内解决以下“我在什么地方?”和“你在那个地方?”两个问题;它的一些其他独特的特点在一些要求比较高的部门非常适用。图1 北斗卫星定位系统示意图我国正在研制一种新型的北斗卫星导航系统,空间里分布几颗不移动的轨道卫星和几十颗不断运动的轨道卫星,该系统据估计可以提供两种不同的服务方式17。精确度在几纳秒左右,测量速度能精确到零点几米/秒。在两年前,整个亚太地区被该系统覆盖。计划在6年之后,全球的覆盖率达到百分之百。到目前为止,北斗卫星导航系
18、统中的十多颗北斗导航卫星已被发送到空间区域。由目前的进度来看,去年年底已经实现了对亚太地区的定位、覆盖和通信等服务。预计在6年以后,能完成对全球的覆盖目标。在许多不同的应用领域都可以使用这个系统,我们国家已经把北斗卫星导航系统作为重要的设备,应用在各个方面各个领域。1.4 FPGA技术在汽车电子领域的应用及发展前景随着FPGA的研发技术变得越来越成熟,FPGA技术在汽车电子领域占有非常明显的优势。利用一个通用的FPGA平台生产不同型号的产品,就能通过尽可能小的变化来适应不断变化的设计需求8。同时,不仅原型系统可以采用FPGA技术,更高功能的系统个性化设置页可以采用该技术,如车辆的多媒体设备的扩
19、展等。这样一来设计人员不仅可以受益于FPGA提供的灵活性、高集成度性以及可升级能力的特性,而且还可以拥有一个不会过时的针对设计需求而不断优化的处理器9。同时所使用的代码可以保存很长时间还可以节约开发投资从而可以制造一个能不断进行配置能扩展的车载GPS/GSM系统平台,实现可以适应很长的汽车寿命的目的20。从以上方面可以看出,在汽车电子产品的发展领域中FPGA技术正在发挥越来越大的优势,而且能把汽车核心电子系统设计的机遇牢牢的把握住。在这种背景下,许多家的科学研究部门、产品生产商不断地利用FPGA技术来完成GPS/GSM汽车监控系统车载台的核心控制部分甚至有的厂商对整个车载台系统的设计全部采用该
20、技术。由此可见,在车载电子设备的设计上基于FPGA的嵌入式系统有着相当辽阔的使用空间,车载GPS/GSM监控系统与FPGA嵌入式系统相结合的技术在汽车电子行业一定能起到很好的带头作用。1.5 GPS/GSM相关产品的发展现状随着汽车行业发展的越来越好和交通管理趋向于智能化,汽车GPS导航定位技术在不久将会变成全球卫星定位系统产品使用的潜力最大的市场之一。2000年汽车产业的发展就是最好的例子,汽车导航产品的总数量很快超过29亿美元,在整个GPS产品总量中大约占了三分之一以上左右10。就我国目前国情来说,在调用汽车方面、公共汽车上安的监控器、出租车的调动管理等领域中GPS导航定位技术拥有着非常美
21、好的发展空间。汽车GPS导航定位技术的关键系统是通信子系统,它在整个定位过程中起着相当大的作用。在以前,无线电台等方式被通信分系统用来实现通信,但有许多问题存在着,比如频率资源利用紧张、能覆盖到的面积不够大11。最近这些年以来,GSM通信技术发展的越来越成熟,覆盖到的范围增加了很多,在一定程度上提升了系统的可靠性,GSM网络通信和GPS技术融合在一起,如果能把无线通信网络作为传输工具,增加通信服务的业务,就能更好的提供收入,有很好的发展前途20;GPS数据传输的瓶颈问题在一定程度得到解决,普通用户和通信运营商对这种系统有着非常高的评价12。1.6 课题研究目的及意义本课题的主要内容是基于FPG
22、A的远程定位技术的研究。该系统所完成的大体功能是把安装了该车载平台的汽车的位置、时间、状态等数据被GSM模块发送到用户的PC机或者指挥部,从而能够对车辆的进行高效率的控制15。GPS/GSM车辆监控系统的产品的应用在某些行业和地区得到了应用,取得了深远的经济效益,车辆安全得到了保障,也减少了车辆的被盗情况,随着科技的进步,在交通运输方面,比较智能化的交通系统主要采用了GPS和GSM技术,这些相关技术和无线网络通信技术相结合形成的系统,在汽车安全,导航,控制指挥等领域开始发挥着越来越大的作用,如果汽车遇到交通事故或者危险情况下就能利用无线通信网向车主,医疗等部门发送汽车的位置数据,提高了紧急情况
23、的处理速度14。本课题所设计的车载台采用主芯片为EP4CE6E22C8N的FPGA为控制核心,基于FPGA的设计符合当前车载设备发展潮流。这种车载台的产品性能高,可升级,成本低,寿命长,发展前景好。2、系统的组成及方案设计2.1总体设计 汽车平台的总体设计是整个车辆监控系统非常重要的组成部分,它要实现接收定位数据、响应监控中心指令与指挥中心进行通话的功能。根据总体设计需求车载台系统由GPS模块、GSM模块、嵌入微处理器核的FPGA作为数据分析和控制核心、数据存储单元、电源等组成。图2 系统总体设计2.2局部设计方案一(1)GPS模块 GPS模块就是GPS数据接收的器件,GPS全球定位系统的用户
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- 基于 FPGA 远程 定位 技术研究 本科 毕业论文
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