关于车载GPS的嵌入式汉显终端的设计

1 引言   
　　
近几年来，GPS导航定位技术在不断发展，越来越多的车辆加装了车载GPS终端。时至今日，车载GPS终端已经成为城市交通管理网络的重要组成部分。但一直以来，用户在加装了车载GPS终端后，由于缺乏友好的人机交互设备，影响了用户使用和车载GPS终端的普及，限制了车载GPS终端产品的功能扩展。通过加装汉字显示终端，能使用户更便捷的使用车载GPS终端，方便中心进行调度管理，弥补以前产品的不足。  
　　
2 嵌入式汉显的组成  

  
图1 车载GPS系统结构图  
　　
嵌入式汉显的作用主要是通过串口与GPS车载终端和计价器通信，接收处理GPS车载终端发送的GPS定位信号和计价器发送的相关运营数据，并通过红外遥控器和按键让用户对汉显进行设置和操作，然后在液晶模块上显示相应的内容，并能提供语音服务。  
　　
嵌入式汉显由以下几个部分组成：汉显主板、液晶模块、红外接收头、按键、喇叭、发光二极管以及连接器。  
　　
3 主板硬件部分  


  图2 汉显结构图

嵌入式汉显的主板由以下几个部分组成：并口Flash，供电电路，LCD模块接口及驱动电路，串口通信电路，看门狗电路和语音芯片及功放电路。  
　　
3.1 MSP430系列单片机  
　　
MSP430系列单片机是由TI公司开发的16位单片机，其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合，是目前业界所有内部集成闪速存储器(FLASH ROM)产品中功耗最低的，消耗的功率仅为其他闪速微处理器(Flash MCUs)的1/5。在3V工作电压下其耗电电流低于350uA/MHz，待机模式仅为15 uA/MHz，具有五种节能模式。其64K的程序空间保证了可容纳足够的代码长度，而程序执行中可写的内部FLASH可用于存放中心号码，电话号码和GPS车载终端设置等重要数据。单片机内有抗ESD保护，有较强抗干扰能力。在线编程，程序更新方便。仿真器结构简单，可自行制作。该系列工业级单片机工作温度范围为-40"+85摄氏度，可满足车载设备应用要求。  
　　
3.2 供电电路  
　　
为了兼容不同的车载电瓶提供的12V和24V电压，供电电路采用的电压变换器应能满足可输入电压在9V至36V之间。由于车载环境较为恶劣，电瓶供电波动大，为了防止外部干扰引起的大电流烧坏内部元器件，可在电源输入端串联自恢复保险丝。本设计思路主板的基本功耗大约在50mA左右，在LCD背光点亮时，功耗在180mA左右，因此可选取熔断电流在350mA的自恢复保险丝可满足要求。为了防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲，如静电干扰，所导致的失灵或损坏，可在电源正极输入端并联一个TVS管，由于车载电瓶供电电压为12V或24V，因此可根据实际情况选取。  


  
　　图3 供电电路  
　　
3.3 存储器  
　　
Flash需要保存GPS定位信息、关键点、字库、通话记录、短信息、运营数据和其他数据。Flash容量需求分析如下：  
　　
3.3.1 字库约需要800K字节。  
　　
3.3.2 GPS定位信息需要作为行车记录加以保存，目前绝大多数GPS模块都是每秒发送一次GPS定位数据，如果每一条都作为行车记录保留没有太大的实际意义，因此可每隔一至十分钟保留一次定位数据，这样的话10000条可至少保存大约一周的行车记录，满足实际应用需要。定位信息包括：时间、经度、经度标识、纬度、纬度标识、速度、方向、状态以及附加信息等等。  
　　
定位信息量计算:10000条×48字节=480000字节  
　　
3.3.3 对于需要限速提示、路段提示、区域提示等特殊需求，可以通过预存这些关键点或多边形的定位数据信息，车辆行驶过程中经过、到达、离开这些区域时，将收到的定位信息与之比对并配合语音播报即可判别并进行提示。关键点的信息包括：进入关键点时间、驶出关键点时间、左下角纬度、左下角经度、左上角纬度、左上角经度、右下角纬度、右下角经度、右上角纬度右上角经度以及其他标志位等等。  
　　
关键点信息量计算： 52字节×200个=10400字节(保存100个关键点，预留100个关键点容量)  
　　
多边形信息包括：顶点的编号、顶点经度、顶点纬度等信息。  
　　
多边形：10个×9个顶点×(2+10+11)=2070字节(最大保存10个9边形)  
　　
因此容量应至少在1MB以上，最好采用并口通信的Flash以满足与MSP430系列单片机的高速数据传输。  
  
3.4 语音芯片及功放电路  
　　
为了缩短开发周期，可考虑采用处理器内部集成了完整的语音合成系统。以科大讯飞的语音芯片为例，该芯片支持任意中文文本的合成，中文编码可以采用GB2312 或者Unicode 两种编码方式，电平逻辑为TTL 电平，通过串口(UART) 接收上位机发送的命令和数据，命令和数据以帧的方式进行封装和发送，允许发送数据的最大长度为200个字节。语音芯片在接收到命令或文本合成完毕之后，通过串口TXD2向MCU发送反馈信息。MCU可以通过接收芯片的反馈，了解到芯片是否正确接收了命令，以及芯片是否完成了文本合成。当芯片READY信号脚处于低电平时，表明芯片处于待机就绪状态；处于高电平时，表明芯片正处于文本合成状态。语音通过10bit DAC 模拟音频输出，外围功放电路采用最常用的LM386的功放电路就能满足要求。  

    
图4 语音芯片原理框图  
　　
3.5 其它外围电路  
　　
由于国内目前的车载GPS终端和计价器基本都是采用串口通信的方式连接汉字显示终端，因此根据不同车载终端和计价器必须采用相应的串口通信方式，可考虑采用MAX202等转换芯片电路、电流环电路或其他解决方案。电流环电路原理如下图：  

  
图5 电流环电路原理图  
　　
MCU和Flash最好采用3.3V供电的低功耗芯片，因此需要与LCD模块通过3.3V"5V的电平转换芯片为核心的驱动电路来连接，也可根据LCD模块采用合适的解决方案。  
　　
4 结语  
　　
在车载GPS技术已经十分成熟的今天，车载GPS系统的发展趋势是提供更友好的人机交互功能、更完善的服务。嵌入式汉字显示终端通过串口即可实现对车载终端的扩展，为车载GPS终端提供友好的人机交互界面，以及个性化设置，大大方便用户的使用，而且扩展了车载GPS终端的功能和资源，能为用户提供更丰富的服务内容。因此，嵌入式汉字显示终端必将极大地推动车载GPS系统的普及，促进车载GPS系统的发展。