基于SOC的定位监控设计

0 引言
    随着信息技术的发展，无线通信已经普及。接触式监控已经不能满足社会的发展，移动定位监控系统应运而生。本文讨论基于SoC单片机技术的定位监控系统设计。该系统由2部分组成：定位终端和监控中心。定位终端以C8051F021作为核心微处理器，通过2个串口与SIEMENS M-C35i GPRS模块和GR-87卫星接收模块进行串行通信，接收GPS接收机发出的定位数据并控制SIEMENS MC35i GPRS模块。该系统采用看门狗电路，以保障控制器的正常运行。定位终端所采集的定位信息通过GPRS网络，以短信的形式发送到监控中心。本文以VC为开发平台，采用VC++进行MapX二次开发制作电子地图，从而在监控中心实现了定位信息的采集、处理和显示。实际定位过程表明：该系统定位精度高、信息传输速率快。

1 系统总体设计
    该设计主要由基于SoC技术的单片机C805lF021，SIEMENS MC35i GSM／GPRS模块和GR-87卫星接收模块组成。定位终端以C8051F021作为核心控制器，通过两个串口UART0，UART1分别控制SIEMENS MC35i GSM／GPRS模块和GR-87卫星接收模块进行串行通信，并控制SIEMENS MC35i
GSM／GPRS模块以GPRS服务形式把数据发送给监控中心。SoC单片机C8051F021接收来自GR-87卫星接收模块的定位信息，并对接收的信息进行校验，选择所需信息再添加相应的代码，组成数据包，然后将它们存储在C8051F021内置的FLASH(程序储存器FLASH上有只用于数据的临时储存器)上。
    采集、处理、显示定位信息在上位机上，由电子地图完成。监控中心通过调用MapX的接口函数，实现电子地图的一系列功能来处理和显示定位信息。
    SIEMENS MC35i GSM／GPRS模块有SMS和GPRS通信两种数据工作模式。模块上电启动过程为3～5 s，若SIEMENS MC35i GSM／GPRS模块接有有效的SIM卡，模块将附着在GPRS网络上，通过串口以AT指令的方式要求模块将经、纬度信息以短消息的形式发到监控中心，当然监控中心也可以通过模块发送相关的指令给SoC单片机，SoC单片机分析所接受的指令，然后通过I／O口做出相应处理。系统结构图如图1所示。

2 系统硬件实现
2．1 核心控制器的实现
    系统使用的单片机是CYGNAL公司生产的SoC单片机C8051F02X，该单片机是集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核(运算速度高达25 MIPS)，与MCS-51指令集完全兼容；C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚JTAG接口，可以进行非侵入式、全速的在系统调试；C8051F高速SoC的芯片上还集成了构成单片机控制系统所需的几乎所有模拟、数字外设及其他功能部件(包括ADC、DAC、可编程增益放大器、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus／I2C、UART、SPI、定时器、可编程计数器／定时器阵列PCA、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等)。这些外设的高度集成，为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了极大的方便，可大大降低系统的整体成本。
    控制器采用串口和GPS以及GPRS进行通信；引出JTAG串行接口，即全速、非侵入式的系统调试接口(片内)，通过该接口能对控制器内部FLASH存储器进行系统编程，并可与片内调试支持电路通信。
    本系统把单片机的P0．0，P0．1，P0．4配置为GPRS模块的输入、输出和启动，通过三极管启动GPRS后接收和发送定位信息；P0.2，P0.3配置为GPS模块的输入和输出，来获取定位信息。
2．2 SIEMENS MC35i GPRS模块
    MC35i是SIEMENS公司推出的新一代无线通信GPRS模块，MC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块供电模块(ASIC)、FLASH、ZIF连接器天线接口6部分组成。通过独特的40引脚的ZIF连接器实现电源、连接指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50 Ω天线连接器可分别连接SIM卡座和天线。MC35i的40个引脚通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、状态指示灯电路等连接。MC35i外围接口电路如图2所示。

2．3 GR-87卫星接收模块
    GPS信号接收机功能：捕获按一定卫星高度截止角度所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测量站的三维位置，甚至三维速度和时间，最后经过标准的I／O口输出定位数据。本系统采用台湾长天科技股份有限公司(HOLUX)的GR-87卫星接收模块来获得定位数据。GPS接收机的输出语句均按串行通信协议，数据格式为8个数据位，1个起始位，1个停止位，无奇偶校验，可以根据需要选择波特率，本系统选择波特率为4 800 b／s。本系统中接收NMEA格式消息作为原始数据输入，它的输出频率为1 Hz。输出数据采用ASCII字符码，输出语句达多十几种，包括GGA，GSA，GSV，RMC，RMT，VTG等。这些定位数据语句不仅给出了位置、速度、时间等信息，而且指出当地的卫星接收情况，其中GGA定位数据语句是最常用的。

3 系统软件设计
3．1 定位终端的软件实现
    该定位终端的软件采用模块化的设计方法，其模块主要包括系统的初始化、GPS定位信息的处理、GPRS定位信息的发送。GPS定位信息的处理以串口UART1的中断方式执行，GPRS定位信息的发送以循环方式执行。
    系统的初始化包括系统时钟初始化、端口初始化、串口初始化和GPRS的启动。系统时钟初始化采用外部晶振22．118 4 MHz，不分频；端口初始化配置交叉开关，给URAT0，URAT1分配端口引脚；串口初始化设置串口的工作方式，通过GPS和GPRS的波特率，计算定时器的值。
3．2 上位机的软件实现
    监控中心是将GIS软件MapInfo嵌入到VC6中进行开发，这使得MapInfo中的地图窗口可以合并到VC中，从而利用VC在数据库方面的强大功能，也很好地利用了Maplnfo对地理信息直观形象地处理优势。通过调用MapX的接口函数，实现电子地图的一些基本功能。编写程序将定位终端和监控中心连接起来，将定位终端获取的定位信息显示在电子地图上。

4 实验结果
    本文将基于SoC技术的定位监控用于实际定位过程中，对定位监控进行了测试，定位区域选择为武汉科技大学校本部图书馆前的马路。实验结果如图3所示。

    由图3可以看出，系统运行良好，满足定位监控的定位要求。

5 结语
    本文基于先进的SoC技术实现了GPS／GPRS定位监控的设计，详细说明了该系统的硬件和软件结构，通过核心控制器C8051F021对GPS模块和GPRS模块进行双模块控制。用VC++进行MapX二次开发，将MapInfo中的地图窗口合并到VC中，利用了VC在数据库方面的强大功能，也很好地利用了Maplnfo对地理信息直观形象的处理优势。实验表明，该系统基于SoC技术的单片机C8051F021作为核心控制器，优化了系统性能，节约了成本，缩短了开发周期，性能良好。