可遠(yuǎn)程升級(jí)的GPS/GPRS車載終端設(shè)計(jì)

高金濤，張宏鵬

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

在道路運(yùn)輸和租賃行業(yè)中，企業(yè)無(wú)法掌握工作車輛具體位置和實(shí)際使用狀態(tài)，目前普遍存在騙租、過(guò)期不還、過(guò)度使用、終端軟件維護(hù)成本高等情況對(duì)企業(yè)造成負(fù)面影響。本論文針對(duì)該行業(yè)管理難題，設(shè)計(jì)了基于GPS/GPRS技術(shù)的車輛定位控制跟蹤系統(tǒng)，使運(yùn)輸企業(yè)能夠及時(shí)了解工作車輛的位置信息，提高管理效率，降低管理成本。依靠本系統(tǒng)搭建的C/S架構(gòu)車輛信息監(jiān)控平臺(tái)和GPS車載終端，使用戶可以24 h遠(yuǎn)程掌握車輛的位置信息和運(yùn)行狀態(tài)，并可以按照要求對(duì)車輛進(jìn)行相應(yīng)的改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程控制。并提出基于GPRS的嵌入式軟件遠(yuǎn)程在線升級(jí)方案，較好地解決了數(shù)量龐大并且分布范圍較廣的車載終端軟件在線升級(jí)或維護(hù)的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GPS車載終端、GPRS無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、車輛監(jiān)控管理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控5大部分組成。文中主要介紹GPS車載終端的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1）GPS車載終端通過(guò)GPS模塊接收GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)送的車輛經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)GPRS模塊和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心建立雙向數(shù)據(jù)通道，執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等指令，包括經(jīng)緯度計(jì)算、超速/偏航/越界等報(bào)警信號(hào)檢測(cè)、本地?cái)?shù)據(jù)處理、接受遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、終端軟件遠(yuǎn)程更新等功能，以實(shí)現(xiàn)車輛的監(jiān)控及管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

2）車輛監(jiān)控中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與GPS車載終端建立UDP連接，以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送及數(shù)據(jù)處理[2]。

3）車輛監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與監(jiān)控服務(wù)器建立連接，執(zhí)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。

4）遠(yuǎn)程監(jiān)控通過(guò)WEB瀏覽器訪問(wèn)監(jiān)控服務(wù)器，執(zhí)行電子地圖操作、參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置、與GPS車載終端進(jìn)行文字、圖片等信息交互、車輛管理、偏航路線和區(qū)域設(shè)置、信息統(tǒng)計(jì)等功能。

5）超級(jí)用戶通過(guò)登錄平臺(tái)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，執(zhí)行終端軟件版本遠(yuǎn)程升級(jí)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端主要硬件選型

1）主控芯片選用ATmega128，主要優(yōu)點(diǎn)：低功耗、8位的微處理器，供電電壓為3.3 V；內(nèi)置128 kB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器、4 kB的EEPROM存儲(chǔ)器和4 kB的SRAM，最大處理速度可達(dá)16 MIPS；－55～125℃的工作溫度，適合終端的正常工作條件。

2）GPS模塊采用華訊GPS OEM模塊6128U，該模塊采用SiRFIII低功耗單芯片，具有全方位的定位功能。特點(diǎn)：冷熱啟動(dòng)時(shí)間短，接收機(jī)靈敏度高，定位速度快，可選擇坐標(biāo)系，2個(gè)全速TTL串口，工作溫度范圍－40～+85℃，供電電壓為3.3 V。支持外接GPS有源天線，有源天線的中心頻率[3]1 575.42 MHz。

3）GPRS模塊選用華為GTM900C模塊，工作電壓為4 V，工作溫度－20～70℃，關(guān)機(jī)漏極電流為 50 μA，符合常溫、低電壓和低功耗的設(shè)計(jì)要求。它是一款兩頻段的GSM/GPRS模塊。與現(xiàn)有的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)兼容，可通過(guò)手機(jī)對(duì)終端進(jìn)行控制操作。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

由圖2可以了解遠(yuǎn)程車載監(jiān)控終端的功能劃分，主要分為主控單元、控制輸出模塊、GPS數(shù)據(jù)模塊、GPRS通信模塊、音頻處理單元和電源。文中主要介紹GPRS通信模塊和語(yǔ)音解碼模塊。

圖2 硬件功能框圖Fig.2 Hardware function diagram

2.2.1 GPRS通信模塊

GTM900C提供一路全雙工串口，通過(guò)AT命令與主控芯片直接進(jìn)行信息交互。同時(shí)該模塊具有兩路的音頻輸入輸出通道，可以同時(shí)進(jìn)行音頻的輸入和輸出?；谠O(shè)計(jì)的需要本設(shè)計(jì)只使用了第一路音頻輸入輸出通道。音頻輸入通道MIC與音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片相連接，用以輸入單片機(jī)中存儲(chǔ)的音頻信息；音頻輸出通道EAR與音頻解碼芯片相連接，傳送外部的語(yǔ)音信息進(jìn)行DTMF解碼[4]。

2.2.2 音頻處理電路

音頻處理采用HT9170。該芯片是綜合數(shù)字解碼器和多帶濾波器功能的雙音多頻（DTMF）接收器，把16倍的DTMF音頻解碼，高精度的轉(zhuǎn)換電容濾波器把音頻信號(hào)分離為低頻信號(hào)和高頻信號(hào)，輸出4位代碼到主控單片機(jī)，其判斷外部輸入的命令后做出相應(yīng)的動(dòng)作。EST端通常為低電平，通過(guò)的RC放電使能端RT/GT保持低。當(dāng)檢測(cè)到有效音頻信號(hào)輸入時(shí)，EST變成高電平，從而使RT/GT端通過(guò)RC電路對(duì)其充電。當(dāng)RT/GT端的電壓從0上升到VTRT時(shí)，輸入信號(hào)為有效，然后經(jīng)編碼檢測(cè)器產(chǎn)生的編碼信號(hào)輸出。當(dāng)D0～D3輸出信號(hào)被完全鎖存時(shí)，DV端變成高電平。當(dāng)RT/GT端電壓從VDD下降到VTRT時(shí)，DV端變成低電平，此時(shí)D0～D3數(shù)據(jù)將一直被保持，直到接收到下一個(gè)有效信號(hào)為止。

圖3 無(wú)線模塊單元電路Fig.3 Wireless module unit circuit

圖4 DTMF解碼電路Fig.4 DTMF decoder circuit

3 終端軟件的實(shí)現(xiàn)

終端軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊都有一個(gè)功能，每個(gè)函數(shù)都以子程序的形式出現(xiàn)，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，易于程序的修改和移植，同時(shí)，在軟件編寫(xiě)時(shí)，預(yù)留了其他的軟件應(yīng)用接口，方便軟件功能升級(jí)。軟件功能框圖如圖5所示。文中主要介紹BootLoader遠(yuǎn)程升級(jí)。

圖5 軟件功能框圖Fig.5 Software function diagram

3.1 GPRS遠(yuǎn)程協(xié)議及幀格式

終端的遠(yuǎn)程升級(jí)主要以GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，GPRS網(wǎng)絡(luò)帶寬較窄，延遲較大，不適于采用TCP協(xié)議進(jìn)行通信[5]。而采用UDP協(xié)議無(wú)連接方式傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是效率高，流量小，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。缺點(diǎn)是沒(méi)有確認(rèn)機(jī)制，有可能引起丟包，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用UDP方式傳輸，丟包率能控制在1%以下，因此可通過(guò)在傳輸協(xié)議上實(shí)現(xiàn)類似TCP的包確認(rèn)和重傳機(jī)制，從而提高通信效率及可靠性。

1）終端遠(yuǎn)程升級(jí)請(qǐng)求

平臺(tái)發(fā)送升級(jí)請(qǐng)求，終端的傳輸層接收到平臺(tái)下發(fā)的升級(jí)指令判斷是否進(jìn)行升級(jí)，做出相應(yīng)的回答。終端遠(yuǎn)程升級(jí)請(qǐng)求的幀格式如下：

①升級(jí)標(biāo)識(shí)：01h——強(qiáng)制升級(jí)。無(wú)需版本號(hào)比較，直接強(qiáng)制升級(jí)為目標(biāo)版本；02h——邀請(qǐng)升級(jí)。終端可根據(jù)本號(hào)規(guī)則判斷確定要不要升級(jí)。

②升級(jí)類型：01h——操作系統(tǒng)；02h——應(yīng)用程序。

③目標(biāo)版本信息：需要升級(jí)的版本信息。

④MD5值：整個(gè)升級(jí)數(shù)據(jù)MD5值，下載完以此來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。

⑤數(shù)據(jù)量大?。褐甘菊麄€(gè)升級(jí)數(shù)據(jù)的大小。

⑥包長(zhǎng)：用來(lái)指示升級(jí)包大小。

2）遠(yuǎn)程升級(jí)應(yīng)答

終端收到平臺(tái)下發(fā)的遠(yuǎn)程升級(jí)指令后，應(yīng)給平臺(tái)相應(yīng)的回復(fù)。終端回復(fù)內(nèi)容:

①01h——操作成功，同意升級(jí)；

②02h——操作失敗，有參數(shù)異常；

③03h——拒絕升級(jí)。

3）遠(yuǎn)程升級(jí)數(shù)據(jù)下載

在遠(yuǎn)程升級(jí)命令下發(fā)前，遠(yuǎn)程升級(jí)的數(shù)據(jù)文件應(yīng)已經(jīng)準(zhǔn)備好。在移動(dòng)終端確認(rèn)下載后，會(huì)采用下載模式來(lái)獲取遠(yuǎn)程升級(jí)數(shù)據(jù)。

①D_LEN：升級(jí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；

②DATA：升級(jí)數(shù)據(jù)內(nèi)容；

③Update_type（1）：01h——操作系統(tǒng)；02h——應(yīng)用程序；

④Target_ver（L）：需要升級(jí)到的目標(biāo)版本信息。

3.2 遠(yuǎn)程升級(jí)數(shù)據(jù)傳輸模式

針對(duì)于平臺(tái)要進(jìn)行大數(shù)據(jù)下載，采取建立下載鏈路的方式進(jìn)行批量數(shù)據(jù)傳輸。平臺(tái)發(fā)起下載邀請(qǐng)，然后終端建立起與平臺(tái)的臨時(shí)鏈路，按照分包批量傳遞機(jī)制從平臺(tái)批量地“取”數(shù)據(jù)，傳輸完畢后拆鏈。具體過(guò)程如下：

①下載數(shù)據(jù)索取。終端在核對(duì)了數(shù)據(jù)總量、包尺寸等之前平臺(tái)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包后，若一切正常，發(fā)送下載數(shù)據(jù)包索取請(qǐng)求，等待平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

②索取數(shù)據(jù)應(yīng)答。平臺(tái)在接收終端①后，按照順序向終端發(fā)送數(shù)據(jù)包。

③按照索取的起止順序下發(fā)數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行排序。

④起止數(shù)據(jù)包都發(fā)完后，馬上下發(fā)查詢，查詢終端是否全部接收到。

⑤接收結(jié)果報(bào)告。在③過(guò)程中若隔了10 s仍然沒(méi)有數(shù)據(jù)到來(lái)，執(zhí)行此過(guò)程。

⑥根據(jù)⑤發(fā)送報(bào)告，平臺(tái)選擇重新傳送或者續(xù)傳。

⑦下載拆鏈請(qǐng)求。若⑤返回報(bào)告全部接收完畢或平臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)異常，終端發(fā)送請(qǐng)求拆鏈。

⑧下載拆鏈應(yīng)答。平臺(tái)收到⑦后，拆掉鏈路并回復(fù)，一次下載過(guò)程結(jié)束。

如果在傳輸過(guò)程中遇到不可抗拒因素是傳輸中斷，協(xié)議還支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，當(dāng)終端重新工作時(shí)，會(huì)向平臺(tái)發(fā)送上次傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)包得流水號(hào)，平臺(tái)會(huì)根據(jù)流水號(hào)繼續(xù)傳遞下一個(gè)流水號(hào)的數(shù)據(jù)包，重復(fù)以上過(guò)程。

3.3 IAP升級(jí)

ATmega128的存儲(chǔ)器分為兩個(gè)部分，用戶程序區(qū)和BootLoader。用戶程序區(qū)包含了應(yīng)用程序的代碼，而B(niǎo)ootLoader包含了自編程的代碼。另外一種劃分應(yīng)用程序區(qū)和BootLoader的方法也是將Flash劃分為兩個(gè)固定大小的區(qū)域。一部分是讀寫(xiě)同步區(qū)域（RWW），另一部分是讀寫(xiě)分時(shí)區(qū)域（NRWW）。NRWW和RWW之間不同的地方是當(dāng)RWW升級(jí)的時(shí)候，NRWW可以被訪問(wèn)，但當(dāng)升級(jí)NRWW時(shí)，RWW不可以被訪問(wèn)。Flash被按頁(yè)分配，每頁(yè)包含32、62或128字。應(yīng)用程序部分包含應(yīng)用程序的主代碼，可以通過(guò)引導(dǎo)程序?qū)ζ溥M(jìn)行改寫(xiě)；引導(dǎo)程序部分包含實(shí)際自編譯的代碼自編譯部分在引導(dǎo)程序部分被執(zhí)行?？梢酝ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)直接以上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而對(duì)主程序進(jìn)行更新。引導(dǎo)程序的大小通過(guò)熔絲位進(jìn)行設(shè)定。

文中設(shè)定 BootLoader的起始地址為 0xFC00，大小為1 024個(gè)字節(jié)。終端的頁(yè)寫(xiě)入過(guò)程如圖6所示。終端接收到的每一個(gè)數(shù)據(jù)包后，都會(huì)先存入EEPROM內(nèi)，等待下接收一個(gè)數(shù)據(jù)包。在進(jìn)行程序更新時(shí)，每頁(yè)寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)之前，必須將這頁(yè)原有的數(shù)據(jù)擦除。向頁(yè)寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，首先必須先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM頁(yè)緩沖區(qū)中，臨時(shí)保存。緩沖區(qū)被一字一字填滿后，再將緩沖區(qū)的內(nèi)容按頁(yè)復(fù)制到Flash，完成應(yīng)用程序區(qū)的程序更新。

圖6 程序更新流程圖Fig.6 Flow chart of program updates

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了基于GPS/GPRS的車輛監(jiān)控終端的一種實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，給出了詳細(xì)的軟件及硬件組成和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并針對(duì)數(shù)量龐大并且分布范圍較廣的車載終端軟件在線升級(jí)或維護(hù)的問(wèn)題，提出了一種GPRS的多點(diǎn)遠(yuǎn)程在線升級(jí)方案。經(jīng)多次試驗(yàn)效果良好，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于交通指揮系統(tǒng)，物流管理系統(tǒng)、城市汽車租賃管理系統(tǒng)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

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