基于GPS和光電編碼器的車輛定位裝置的設計與實現*

徐麗霞，徐 靖

(1．安徽國防科技職業學院 機電工程系，安徽 六安237011;2．六安供電公司 營銷部，安徽 六安237011)

前言

在現代路產管理系統中，常常采用帶攝像設備的采集車將公路沿途的路況、路面環境和周圍的路標等設施采集成公路視頻影像，然后在視頻回放中結合GIS地圖進行圖像定位．在視頻圖像進行地理坐標定位時，由于車輛自帶的里程表無法實現精確定位，而基于GPS的定位也存在一定誤差．為了很好地解決這一問題，將車輛行駛里程和實際地理位置精確對應，采用GPS結合專用的定位設備是比較有效的方法［1］．

本文設計了以ARM處理器為核心的里程定位裝置，該裝置能獲得較為精確的里程定位數據，避免定位數據的丟失，保證了車輛的準確定位．

1 總體設計

本系統整體結構如圖1所示．

圖1 系統整體結構圖

該系統中主要硬件結構包括GPS定位模塊、里程采集模塊、ARM處理器和輸入輸出模塊．GPS定位模塊用于獲得GPS數據，里程采集模塊用于獲得計數信號，ARM處理器將兩種數據進行融合獲得定位數據［2］．

2 硬件電路設計與實現

2．1 GPS定位模塊

GPS定位模塊是由GPS接收器和MAX232轉換器構成．

具體實施時，將GPS接收器固定在車輛頂部，然后啟動GPS接收器并進行初始化和串口設置，確定連接成功后，GPS接收器開始實時采集車輛行駛的GPS數據并傳遞給MAX232轉換器，MAX232轉換器通過電平轉換將接收到的GPS數據通過RS232串口實時傳送給ARM處理器．ARM處理器從GPS數據中提取出由經度和緯度構成的位置數據以及相應的時間數據．

2．2 里程采集模塊

里程采集模塊由光電編碼器和CPLD計數器構成．

具體實施時，光電編碼器安裝在車輛前右側車輪的轉軸上，在車輛啟動時光電編碼器的光柵盤同速旋轉，通過光敏元件接收光通量整形后輸出脈沖信號，每轉一圈輸出一個脈沖信號．光電編碼器實時采集車輛行駛過程中車輪旋轉一周所產生的脈沖信號，并將脈沖信號傳遞給CPLD計數器，CPLD計數器接收脈沖信號并進行分頻處理后獲得計數信號實時傳遞給ARM處理器．圖2顯示了里程采集模塊對數據的處理過程．

圖2 里程采集模塊處理過程示意圖

里程采集模塊還包括光電隔離器6N137，光電隔離器6N137用于實現光電編碼器和CPLD計數器的光電隔離［3］．具體連接見圖3所示．

圖3 光電編碼器與CPLD計數器連接電路圖

光電編碼器將脈沖信號經光電隔離器6N137的PULS_COUNTER_IN引腳傳送給CPLD計數器，CPLD計數器將計數信號通過PF0、PF1、PF2、PF3、PB4、PD5、PD6、PD7引腳傳遞給ARM處理器．

正式測量前，車輛需先行駛一個標準距離(如1 km)，然后根據從起點到終點所獲得的脈沖個數，用標準距離除以這段距離內的脈沖個數，從而獲得單個脈沖對應的里程數．ARM處理器根據所獲得的單個脈沖對應的里程數就能換算得出當前的里程值和車速值，然后傳遞給LCD顯示屏．

2．3 ARM處理器模塊

本文中ARM處理器采用的是工業級的ARM11處理器PXA270芯片［4］，通過實時接收GPS數據和計數信號并進行融合處理后獲得定位數據．

具體來講，ARM處理器通過軟件插值法將兩種數據進行融合．在車輛行駛過程中，GPS接收器每秒接收一次經緯度數據，而1 s內CPLD計數器會收到若干個脈沖，假設兩個經緯度數據之間有1 000個脈沖，則將這兩條經緯度數據連成直線后分成1 000等份，使得每等份所對應的時刻都有經緯度數據，從完成在兩個經緯度數據之間的脈沖插值操作獲得定位數據，有效保證里程數據和經緯度數據的精確對應關系，然后將所獲得的定位數據通過RS232接口傳遞給計算機并存入數據庫中，方便路產管理系統人員的使用．

ARM處理器與各模塊的連接如圖4所示．

如圖4所示，在電路連接上，MAX232轉換器通過串口PC－TXD和PC－RXD接收GPS接收器傳遞的GPS數據，并通過串口TXD1和RXD1將GPS數據傳遞給ARM處理器［5］．

圖4 ARM與MAX232轉換芯片連接電路圖

2．4 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊包括鍵盤和LCD顯示屏．LCD顯示屏實時顯示車輛行駛的里程值和車速值，鍵盤用于車輛標準距離的標定．在車輛啟動后根據實際路面所見的兩個連續的里程標志牌出現的時刻，通過鍵盤輸入確認實現標準距離標定，本裝置以1km作為一個標準距離．

圖5 程序流程圖

3 軟件設計

如圖5所示，當車輛開始行駛后，車載電源啟動供電，系統初始化，各模塊開始工作．具體執行步驟如下:

1)系統初始化后進入系統調度過程，此時數據處理模塊實時判斷下一步的執行步驟;

2)車輛啟動判斷:是，進入步驟A;否則繼續判斷;

3)GPS采集判斷:是，進入步驟B;否則繼續判斷;

4)步驟A:設備初始化，設置相應參數，里程采集模塊進行里程和車速計算，并傳送給里程校正模塊，同時將信息通過顯示模塊顯示;

5)步驟B:GPS初始化，對連接GPS模塊的串口進行連接，如果連接失敗則繼續連接，如果連接成功則采集GPS數據，接著數據處理模塊對獲得的GPS數據進行過濾，提取經度、緯度、海拔、日期、時間等有效數據，數據處理模塊將信息通過LCD顯示屏顯示．

4 系統測試

通過方案確定、硬件電路仿真、PCB制作、軟件編寫與調試，最終設計出如圖6所示樣機一套．

圖6 樣機實物圖

為了確定系統能否滿足設計要求，本文主要進行了如下測試:

1)系統上電功能測試;

2)GPS接收功能測試;

3)光電編碼器接收功能測試;

4)1 km標定功能測試;

5)車輛啟動后速度和里程信息能否正常顯示功能測試．

圖7 里程、速度顯示界面

圖8 1 km里程標定

經測試，該裝置能實現上述功能，其中速度和里程信息顯示見圖7所示，1 km里程標定見圖8所示．

為了測試本文設計的裝置與GPS定位、里程表定位相比是否具有優勢，將本文所述裝置裝載到車輛上進行了行駛實驗，通過對實驗數據的整理分析，得出了表1所示的對比數據．

表1 實驗結果對比

從表1的數據可以看出，本文設計的裝置從多個參數角度來看都優于其他兩種方法，平均絕對誤差比GPS定位減少了4．66 m，比里程表減少了2．2 m，從而進一步提高了定位精度．

5 結論

經測試本文設計的車輛定位裝置能在車輛行駛過程中對行駛里程進行實時檢測和定位，數據準確度高，同時通過鍵盤輸入還能進行現場路面里程值的標定，保證里程數據與所在位置圖像的準確對應，具有一定的應用價值．

［1］徐麗霞．路產影像管理系統中里程校正方法的研究及實現［D］．長安:長安大學，2009．

［2］徐麗霞．路產影像管理系統中里程校正方法的研究［J］．常州工學院學報，2011(10):31－33．

［3］邵輝，舒嶸．光電隔離器6N137的特性和應用［J］．電子技術，1996(2):38－39．

［4］周祺睿．通用PXA270嵌入式開發平臺設計與實現［D］．成都:西南交通大學，2008．

［5］孫華．車載式公路路產信息采集系統研究與實現［D］．長安:長安大學，2010．