基于A(yíng)RM和μC／OS-II的車(chē)載定位終端的設計

ARM處理器是Acorn計算機有限公司面向低預算市場(chǎng)設計的一款低成本、低功耗、小體積和高性能的32位處理器。憑借著(zhù)其高效的指令系統和大規模的寄存器存儲技術(shù)，ARM處理器已成為嵌入式產(chǎn)品設計的首先芯片。

μC/OS—II是美國嵌入式系統專(zhuān)家JeanaJ.Labrosse于1999年推出的一個(gè)可移植、可固化、可裁剪的基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統，該操作系統于2000年得到了美國聯(lián)邦航空管理局商用航行器認證，符合航空無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì )標準，從而證明該操作系統的穩定性與可靠性。

為了達到節省能源、降低排放的目標，電子控制技術(shù)在貨車(chē)、工程車(chē)以及農用車(chē)的柴油機上得到快速發(fā)展和應用。隨著(zhù)機車(chē)電控化技術(shù)發(fā)展，車(chē)載定位終端的數據采集交互速度以及運行的穩定性已成為衡量該設備的一個(gè)重要指標。為進(jìn)一步提升車(chē)載定位終端的實(shí)時(shí)性和穩定性，文中設計了一種基于ARM處理器和μC/OS—II操作系統的車(chē)載定位終端。應用ARM處理器實(shí)現數據交互的高速性，應用μC/OS—II操作系統解決程序運行的穩定性問(wèn)題。

1 車(chē)載終端整體結構及功能介紹

車(chē)載定位終端主要由CPU(包括S3C44BOX芯片，2MbyteNorFlash和8MByteSDRAM)，GPS衛星數據接收電路，GPRS無(wú)線(xiàn)數據上傳電路和CAN控制器及數據收發(fā)模塊組成。如圖1所示：來(lái)自車(chē)載電瓶的+12 V直流電經(jīng)過(guò)車(chē)載定位終端上的電壓轉換電路，轉換成+5 V、+4.2 V和+3.3 V的直流電分別向車(chē)載定位終端的CAN數據收發(fā)模塊、S3C44BOX芯片、GPS衛星數據接收電路和GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸電路供電;CAN數據收發(fā)模塊通過(guò)CAN總線(xiàn)接收ECU、EGR、TCU等車(chē)載控制器發(fā)來(lái)的反應電控車(chē)工況的數據，CAN總線(xiàn)末端的兩個(gè)120歐電阻為阻抗匹配電阻;GPS則實(shí)時(shí)接收衛星數據并將這些數據按照NMEA-0183協(xié)議輸出給CPU;CPU通過(guò)應答機制接收CAN數據收發(fā)模塊傳來(lái)的數據，通過(guò)中斷方式實(shí)時(shí)接收GPS發(fā)來(lái)的數據并通過(guò)相應算法對接收到的衛星數據進(jìn)行處理，之后將所有數據按照固定的格式進(jìn)行打包并發(fā)送給GPRS;GPSR接收到相應的數據包后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式實(shí)時(shí)上傳給監控中心。

在車(chē)載定位終端的實(shí)際應用之中，影響數據交互速度的主要因素取決于CPU的處理速度，電控車(chē)工況信息讀取以及GPS衛星數據接收的實(shí)時(shí)性;影響穩定性的主要因素是硬件的抗電磁干擾性能及μC/OS—II操作系統對不同優(yōu)先級任務(wù)的合理調度分配。下文將圍繞CPU電路、GPS衛星數據接收電路、GPRS無(wú)線(xiàn)數據上傳電路以及系統軟件等幾個(gè)主要影響因素進(jìn)行闡述和分析。

2 硬件電路的設計

1)S3C44BOX處理器

S3C44BOX處理器是Samsung公司推出的采用了ARM7TDMI內核的16/32位RISC處理器。該處理器擁有豐富的內置部件：8KBcache，LED控制器，SDRAM控制器，5通道PWM定制器，PLL倍頻器，IIC總線(xiàn)接口，IIS總線(xiàn)接口，2通道UART，4通道DMA和8通道10位AD轉換器。這些部件使得S3C44BOX處理器在保證高性能的同時(shí)(最高運行速度達66 MHz)，最大限度的降低了設計開(kāi)發(fā)的成本。相較于傳統的8位單片機，S3C44BOX處理器可較大程度的提升車(chē)載定位終端對數據處理速度的需求。

2)GPS抗電磁干擾電路

如圖2，GPS電路的核心器件為GS-89M-J模塊。該模塊采用了最新的MTK3329芯片作為主控芯片，定位精度小于10 m圓周誤差，定位時(shí)間在熱啟動(dòng)模式下僅為1 s。MIC29302BU模塊是一款大電流高穩定性的電壓調節模塊，主要用于向GS-89M-J模塊提供4.2 V的工作電壓，模塊中的5腳位為可調輸出引腳，在可調模式下，該引腳輸出固定的1.25 V的直流電壓，為了保證該模塊能夠提供穩定的4.2 V電壓，設計中使用電阻值分別為43 K和100 K的精密電阻R521X和R525X組成了串聯(lián)電壓提升電路，以實(shí)現模塊的輸出引腳輸出4.2 V的直流電壓S3C44BOX通過(guò)向該模塊的1引腳(EN端-使能輸出端，高電平有效)輸出高電平或低電平來(lái)控制該模塊的工作與否;電容C564、極性電容C562、電阻R550和R551所組成的地分離電路，主要用于將GPS電路和車(chē)載終端上的其它電路進(jìn)行隔離，以防止GPS電路與其它電路因為公共阻抗耦合引起交叉干擾;出于保證車(chē)載定位終端運行穩定性考慮，通過(guò)S3C44BOX芯片的一個(gè)通用I/O引腳和三極管Q501、電阻R502、R505、R507組成GS-89M-J復位控制電路，以確保GS-89M-J在程序跑飛時(shí)主控芯片能及時(shí)對其進(jìn)行復位操作;本設計中選用的GPS天線(xiàn)的阻抗值為50歐姆，由于GPS信號為1575. 42 MHz的高頻載波信號，在傳輸過(guò)程中，容易因傳輸線(xiàn)的特征阻抗與終端阻抗不匹配造成信號反射，為防止該現象發(fā)生，本設計中用于連接GPS天線(xiàn)和GS-89M-J模塊RF_IN引腳的射頻線(xiàn)的特性阻抗值為50歐姆;GS-89M-J模塊實(shí)時(shí)接收來(lái)自衛星的信號同時(shí)對其進(jìn)行解算，并將解算結果按照NMEA0183協(xié)議打包成GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG和GPGLL7幀數據輸出給S3C44BOX。S3C44BOX通過(guò)串口中斷方式實(shí)時(shí)接收GS-89M-J發(fā)來(lái)的數據幀。

3)GPRS抗電磁干擾電路

如圖3，GPRS電路的核心器件是SIM900模塊。SIM900采用省電技術(shù)設計，在睡眠模式下耗流僅為1.0 mA，同時(shí)該模塊嵌入了TCP/IP協(xié)議，提高了用戶(hù)應用該模塊進(jìn)行數據無(wú)線(xiàn)傳輸的開(kāi)發(fā)效率。電路中的NC7WZ07為高速電平轉換芯片，通過(guò)該芯片可將SIM900輸出的4.2 V串行信號轉換為S3C44BOX可接收的3.3 V串行信號，實(shí)現SIM900和S3C44BOX的無(wú)障礙通信;電路中的MOLEX-91228為SIM卡座，為防止SIM卡受到靜電放電和高頻信號的干擾，此處選用SMF05C對SIM卡進(jìn)行保護;為防止來(lái)自SIM900的特高頻信號在傳至SIM卡時(shí)形成信號反射，降低信號質(zhì)量，這里選用22歐的電阻R614和R613對二者進(jìn)行阻抗匹配;S3C44BOX通過(guò)向SIM900的1引腳(PWRKEY引腳-電開(kāi)關(guān)引腳)發(fā)送脈寬為1 s的高電平，便可控制該模塊的關(guān)閉與打開(kāi);S3C44BOX通過(guò)向SIM900的14引腳(NRESET引腳-低電平復位引腳)發(fā)送一個(gè)高電平，便可對該模塊進(jìn)行復位操作;與GPS電路一樣，GPRS電路中的用于連接GPRS天線(xiàn)與SIM900 RF_ANT引腳的射頻線(xiàn)的特性阻抗為50 Ω;SIM900通過(guò)串口接收來(lái)自S3C44B OX的數據包，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )將數據包上傳至監控中心。