基于北斗与GPS 的多模通信车载终端设计及应用

师庆敏

（山东省德州市国防动员办公室，山东 德州 253000）

0 引 言

在信息时代背景下，物联网技术在交通运输行业、工业控制等领域中取得良好的应用效果，为智能城市、智慧物流的搭建提供重要技术支持[1]。车联网技术作为一种常用的物联网技术，可以智能化管控汽车。互联网经济虽然为传统物流行业的创新发展提供前所未有的机遇，但是仍然存在社会物流总额不断增加、交通运输速率慢、成本高等问题。因此，需应用北斗与全球定位系统（Global Positioning System，GPS）双模定位技术，设计一种适应性强、安全性高、成本低的多模通信车载终端，将社会物流总额降到最低，促使物流产业向智能化、经济化方向不断发展[2]。

1 双模定位技术概述

1.1 全球定位系统

GPS 主要是基于卫星实现原理形成的一种全球性定位与导航技术。GPS 技术在智慧物流、智能制造等领域具有良好的应用效果。GPS 主要包括3 个部分：一是空间卫星，包含备用卫星和工作卫星，这2 个部分卫星主要位于20 194 km 高度的轨道上；二是地控中心，用于智能化监控卫星和卫星轨道，含有主控站、地面天线、监测站3 个部分；三是终端，用于实时获取和处理定位数据、导航数据，并结合接口配置情况，向上层单元发送和传输相关数据[3]。

1.2 北斗定位系统

北斗定位系统作为一种常用的卫星定位系统，主要包括静止轨道卫星、倾斜轨道同步卫星、中地球轨道卫星3 种。北斗定位终端作为一种常用的北斗产品，主要作用是实时接收和处理卫星信号。该定位终端具有定位精确度高、通信能力强、编程接口多样等特点，为用户提供强大的位置服务功能[4]。

1.3 北斗与GPS 双模定位技术

北斗与GPS 双模定位技术将北斗定位系统与GPS 融合，保障定位效果。与传统单模GPS 技术相比，双模定位技术可以获得良好的定位效果，广泛应用于城市交通、隧道等领域。该双模定位技术可以从北斗卫星和GPS 卫星中获取所需要的定位数据，从而提高卫星定位精确度，进而获得更加准确的定位结果[5]。目前，国内所研发的定位和导航模块，均用到北斗与GPS 双模定位技术。因此，文章在设计和实现多模通信车载终端定位与导航模块时，选用ST1612B 北斗/GPS 双模芯片。

2 多模通信车载终端整体结构与硬件设计

2.1 多模通信车载终端整体结构设计

多模通信车载终端的整体结构如图1 所示，主要包括以下5 个模块。一是终端电源管理模块，多模终端应用外部电源输入模块时，可以为用户提供多种可变电源，保证芯片稳定性和电源输入的及时性，促使多模终端能够正常、稳定、安全地运行。二是定位模块，多模终端通过运用中的北斗/GPS 定位模块，可以实时化、全面化采集当前位置信息，避免遭受外界信源的干扰[6]。三是通信模块，利用蓝牙、以太网等多种通信技术，为多模终端提供海量数据传输、固件更新等多种功能，保障终端通信稳定性和可靠性。四是存储模块，为提高多模终端运行性能，需要设置安全数字存储（Secure Digital memory ，SD）卡等多个存储设备，提高终端存储空间。五是数据采集模块，需要将控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）接口和RS-485 接口设置在多模终端内，从而实现车辆信息数据的全面化、实时化采集和整理。

图1 多模通信车载终端整体结构

2.2 多模通信车载终端逻辑设计

2.2.1 电源管理

在多模终端中，不同模块对电源需求量存在一定的差异，因此需要采用电压芯片转换的方式，实时获取电源输入相关数据，确保终端芯片能够正常稳定运行。多模终端通过运用LM2596 系列芯片，获得电压为5.0 V和7.2 V的电源。为延长外部电源使用寿命，避免该电源出现突然失效问题，文章重点设计锂电池供电模块该模块。主要选用充电芯片和升压芯片2 种，为多模终端提供电能[7]。

2.2.2 外部存储模块

在设计外部存储模块时，多模终端新增的SD 卡具有存储容量大等特点，主要用于存储配置文件、日志文件等信息。SD 卡借助卡槽连接于多模终端中，方便用户快速更新SD 卡。供电时，需要将终端电压设置为3.3 V，并选用滤波电容的方式，保证供电的连续性和稳定性[8]。

2.2.3 定位/通信模块

双模定位模块对串行接口提供良好的支持效果，允许用户自行设置所需要的波特率。供电电压需要统一设置为3.3 V，运行北斗与卫星进行通信编码。同时，将天线设置在双模定位模块中，避免因定位信息环境较弱而降低模块定位的精确度。另外，运用以太网接口，有效连接媒体独立接口与终端外部接口，确保终端在指定的场景下可以高效传输所需数据[9]。

2.2.4 数据采集模块

多模终端选用的为TJA1050 型号芯片采集CAN外设数据，并将该芯片直接连接于CAN 总线，从而提高终端的可扩展能力。TJA1050 芯片可以将数据传输速度控制为1 Mb/s，并为终端外部提供5 V 电压，保证数据采集的高效性、智能性以及完整性。

3 多模通信车载终端系统软件设计

3.1 蓝牙应用程序

蓝牙模块的设计，可以为手机客户端提供强大的数据查询、运货车订单管理等功能，可以将通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）流量费用降到最低，方便用户借助多模终端智能化管理相关业务。通过采用命令帧设置方式，科学设置蓝牙模块的广播时间间隔、连接参数、串口波特率等参数。利用多模终端，将命令帧发送并传输至蓝牙模块。此外，在命令模式下，命令帧发送时间间隔设置为50 ms，采用透传模式，安全、实时发送蓝牙用户数据。蓝牙处理流程如图2 所示。

图2 蓝牙处理流程

3.2 交通通信协议

消息封装与解析为保证终端使用相同的协议标准，提升可扩展性，增加可编程性，终端系统中的每条消息都需要经过封装才能发送至服务器，并且也需要解析来自服务器的每条消息。消息封装的每一步操作都至关重要，每一步操作都决定了服务端是否能够正确地解析来自终端的应用数据。若对部分内容理解出错，如消息头、消息转义以及校验码等，都将导致服务端解析失败。当服务器解析出来的数据与终端发送的数据不相同时，可对终端封装消息的十六进制形式进行分析，并修正封装流程，就可获取正确的数据解析。 同样，终端系统也需要解析来自服务器下发的消息内容。一般情况下，当通信模块提示有消息到来时，终端系统就将消息放入消息解析函数，执行解析操作。消息解析的主要工作包括判断消息是否正确接收，即通过长度和校验码判断，以及将接收到的消息转义，获取消息体，并根据消息头包含的消息ID，将消息内容转发至与消息ID 相对应的消息体执行函数。

3.3 其他部分

3.3.1 打印机程序

多模终端所搭载的打印机主要用于统一打印司机信息、车辆信息、运单信息等。利用打印机打印不同类信息时，需要结合打印需求，选用合适的组织方式，并调用相关打印函数，确保所调用的底层接口完全一致。

3.3.2 显示器程序接口

显示器程序接口主要用于完整化显示终端状态、显示器菜单。利用显示器显示数据时，需要科学控制多模终端系统左右两颗芯片，并借助控制线，将数据、命令发送至芯片。

4 多模通信车载终端设计应用成果

多模终端在正常运行状态下，面板显示如图3所示。如果没有进行按键操作，终端运行状态保持不变，显示器面板将长时间停留于此。通过采用按键的方式，可以启用菜单程序功能。

图3 终端定位正常运行状态下面板显示

当终端定位出现故障，且GPRS 运行稳定时，出现的面板显示情况如图4 所示。从图4 中可以看出，该面板中所显示的显示器时间为00:07:04，显然与图3 中的16:09:33 不符，因此该显示器时间显示异常，这说明多模终端定位模块无法实时成功定位和显示数据。

在移动车辆时，多模终端运用GPRS 技术，将实时定位数据、CAN 数据等多种数据安全可靠地发送和传输至服务器，由服务器将地图上数据发送情况呈现在用户面前。在更新终端固件时，利用服务器发送和传输相关更新命令，并利用多模终端分析和判断是否执行更新。如果执行更新，需要将固定件请求指令发送和传输至服务器，由服务器接收固件，并对终端固件进行有效更新。主要运用引导加载程序（Bootloader），保证固件更新实现效果，从而获得如图5 所示的终端更新日志，为后期串口工具的成功打印打下坚实的基础。

图5 终端更新日志

图4 终端定位异常面板

5 结 论

文章运用北斗与GPS 双模定位技术，结合智慧物流、智能制造等行业的发展需求，完成对多模通信车载终端设计。首先，运用GPRS 技术和蓝牙技术等通信技术，为多模终端提供良好的通信环境。同时，借助外部存储、显示器、打印机等模块，为多模终端提供强大的辅助功能。此外，借助GPS 位置信息、传感器数据等多种数据，为多模终端提供丰富、实时的数据源，从而达到远程化管控车况和运单的目的。最后，有效验证文章多模终端设计方案的有效性和可行性。