摘要：本文主要分析了GPS的构成，以及GPS 系统的路径识别设计方案，并提出了OBU的设计。
关键词：GPS 技术；高速公路收费系统；路径识别
一、GPS 技术的理论基础
1. GPS 构成
GPS 构成包含三个方面，即 GPS 卫星、监控系统和信号接收设备。GPS 卫星是发射 L1 和 L2 的设备，其波束方向能够覆盖地球的一半，且这些卫星无论运行到任何位置，对于地面的距离基本不会发生变化，通过导航电文的形式来告知自身的实际位置，并接收地面主控站
发送到卫星的调度命令。监控系统是向每颗 GPS 卫星提供星历的设备，其重要作用在于监测卫星的工作状态，一旦发现问题，例如卫星为按照预定轨道正常运行时，能够及时作出反映和调整。此外，对于 GPS 时间系统的稳定能力也是其优势所在。
GPS 信号接收设备包括天线单元、接收单元组成的数据处理软件包，对接收到的信号进行放大和处理，以此为基础测量 GPS 信号的传输时间，计算测量站的三维位置和三维速度。
2.GPS 技术工作原理
GPS 基本原理是延时测距原理，设备接收到卫星发射的信号，然后根据星历表信息可以得出每一颗卫星发射信号时的位置和时间。由于用户接收设备中有和 GPS 系统时间同步的精密钟，因此卫星的位置和观测点的距离数据可以成为用户三维坐标的计算依据。GPS 定位分为动态定位和静态定位，重点在于测量 GPS 信号的传播时间和测量物体的运动轨迹。
二、基于 GPS 系统的路径识别设计方案
1.OBU 设计
OBU 主要包括 GPS 坐标采集单元、读写单元、主控单元、电源管理单元和 BSL 下载单元，如图 1 所示。
图1 OBU 结构图
不同的单元有明确的分工。电源管理单元是一个整体化的工作空间，向各个单元之间输送稳定的工作电压；主控单元可以对 GPS 模块的工作状态进行全程管控，并对其参数进行合理配置，接受和分析由GPS 收集而来的数据，还包括通行卡读写单元的工作规划。BSL 单元可以看作是车辆上电子结构的中央控制计算机，即一个开放式的具备检测配置功能的程序管理结构。
2.电源管理单元
电源管理单元的目的是为系统提供稳定的直流电源电路。而目前大多数的电子院器件为了保障性能，会采用低能耗设计方案，芯片工作并不需要很高的供电电压，因此 +3. 3V 也成为了普遍使用的低功耗电压。这种单元采用 USB 电源来提供 +5V 的输入电压，稳压精度性能好，且使用简便，仅仅需要电容滤波去耦即可。根据目前高速公路联网收费的现状，可以引出路径识别的方法。在本次研究当中也以车辆行驶路径的 GPS 坐标作为识别的参考依据，并对应到 GPS 当中提出了两种不同的设计方案。相比于传统的无线通信方式，可以利用高速通行卡作为载体来收集路径信息，节省了无线信道申请，使用难度耕地。为了能保障未来的通行卡容量还能保存较多的路径信息，就需要合理利用保留的空间，并对存储格式进行定量证明。必要时还应该通过上位机软件来对数据进行记录，实现人工识别，将 GPS 显示在电子地图上。
3.主控模块电路
本系统以 TI 公司的 MSP430F149 单片机作为车载模块的主控芯片，主控模块由复位电路、晶振电路、主控芯片的外围电路组成。复位电路的功能主要体现两个方面：一是上电复位功能，即在系统上电或复位信号触发时，将控制系统中的所有信号初始化；二是上电清除功能，在系统出现定时器溢出、看门狗报时等事件时，将控制系统中的信号置为初始信号，防止系统卡死或者程序 “跑飞”现象。晶振电路决定了单片机工作的机器周期，本系统设置了两种工作周期：低频工作周期与高频工作周期，分别采用两个不同振荡频率的晶振实现，其振荡频率分别为32768Hz 与 8MHz。由于 MSP430F149 单片机内部集成了对应的晶振选择、移相电路，可通过程序改变系统工作周期。
IC 卡读写模块电路
车载模块中 IC 卡读写电路应具有读取 IC 卡中位置信息与写入当前路径到 IC 卡的功能。本系统采用的读写控制芯片为 MFＲC522 芯片，该芯片符合ISO14443A 通讯协议，可用于常见的 IC 卡的信息读取，芯片可用于处理信号，带有译码电路与解调电路，支持串口通信可完成与其他模块的通信工作。
BSL 下载单元
MSP430F149 是 FLASH 型存储器的但便机。为了能保障用户代码的安全性，可以烧断其保护熔丝来拒绝访问。而引导加载方法也是通过调用 BSL 代码来实现的，配合特定的时序，可以将单片机程序指针指向 BSL ＲESET 矢量，开始进行引导程序。BSL 口可以下载程序，但同仿真器用的 JTAG 口一样，需要编程设备（MSP430 编程器）支持，要将 BSL 线连接到 430的编程器相应的 BSL 口上的，然后再通过编程器将程序写入到芯片中。
三、系统软件设计
由于本系统在原有高速公路收费系统的基础上，加入了车载模块（OBU）从而通过 GPS 定位实现了车辆的路径识别，因此本文将详细介绍 OBU 系统的软件设计流程，如图 3 所示。OBU 模块软件设计流程为：上电后，系统设置各个芯片的初始化参数：如设置所需状态变量初始值，设定定时器计算初值，设置端口信息，读取 GPS 模块工作状态等。系统初始化完毕后，系统主控芯片进入假睡眠模式，直到通行IC 卡绑定至相应车载模块。将高速公路通行 IC 卡插入系统后，IC 卡被读写模块读取并触发当前定位计算中断程序，中断被触发后，主程序开始载入当前GPS 信号计算车辆位置，保存符合信息采集标准的GPS 信号，不符合的信号将被系统过滤，之后系统将再次进入假睡眠模式，并启动定时器，定时结束后将触发执行中断，系统继续采集下一个地点 GPS 信号，并计算当前位置与采集地点距离等流程。若在定时器计时期间，按钮触发外部中断，系统则会将读写模块中保存的 GPS 信息写入到 IC 卡中，并复位系统至初始状态，等待下一次中断触发信号。
结束语：
我国实施高速公路联网收费已经有很长一段时间，而高速路网的快速发展也让多义性路径成为了收费过程中的最大问题。传统的方法已经无法满足现阶段的路网水平，所以本次研究也旨在分析 GPS 定位技术下的多义性路径识别问题，通过精确的路径识别来优化收费模式。但需要主义的问题在于，本次研究仅仅只接住了 GPS 的采集技术，并没有将该技术与其它技术相结合，例如 GIS 软件与 GPS 数据结合的路段信息表。另外，OBU 与 IC 卡结合的方式仍然还有可以优化的地方，未来的研究工作中也应该注重复合卡的产品开发与设计，防止作弊，将时间进行精确记录。
参考文献：
[1]基于GPS定位数据的高速公路换道特征分析与行为识别[J]. 杨龙海，罗沂，徐洪. 北京交通大学学报. 2017（03）
[2]基于GPS定位数据的高速公路换道特征分析与行为识别[J]. 杨龙海，罗沂，徐洪. 北京交通大学学报. 2017（03）
[3]技术创新过程的基因图谱构建及其实证[J]. 冯立杰，吴汉争，王金凤，岳俊举. 情报学报. 2016（08）
论文作者:郑胜基
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：信号论文; 单元论文; 系统论文; 路径论文; 模块论文; 电路论文; 芯片论文; 《基层建设》2019年第8期论文;