專(zhuān)利名稱(chēng)：基于gps的車(chē)輛行程測(cè)量累計(jì)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種實(shí)現(xiàn)測(cè)量、累計(jì)的車(chē)輛行程裝置，基于GPS裝置基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。
技術(shù)背景鐵路部門(mén)為了保證鐵路旅客、人員、貨物及財(cái)產(chǎn)的安全，一般規(guī)定列車(chē)每一節(jié)車(chē)箱，以下簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)輛，在行駛一定里程之后要進(jìn)行一次檢修或大修，當(dāng)車(chē)輛行程最大規(guī)定的里程后就必須報(bào)廢。
目前采用人為操作計(jì)算機(jī)的管理辦法很難保證車(chē)輛行駛里程累計(jì)的準(zhǔn)確度，列車(chē)車(chē)輛每次并不確定的隨著同一列車(chē)運(yùn)行，車(chē)輛的運(yùn)行起始、終止站并不一定每次相同，所以對(duì)于這種車(chē)輛行程記錄經(jīng)常出現(xiàn)漏計(jì)、誤計(jì)等現(xiàn)象。因此，為了有效的監(jiān)測(cè)和累計(jì)每一車(chē)輛的行程，有必要研制一種能夠精確地累計(jì)并指示車(chē)輛行程，以便對(duì)其進(jìn)行安全維護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型目的是提供一種基于GPS的車(chē)輛行程測(cè)量累計(jì)裝置。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的其組成包括GPS接收機(jī)及其天線(xiàn)1、接口及電平轉(zhuǎn)換電路2、主控機(jī)小系統(tǒng)3、顯示模塊4、掉電保護(hù)的存儲(chǔ)模塊5、通信模塊6、主控小系統(tǒng)中的異步串行通信口7、通信模塊中的接口部分8。GPS接收機(jī)及其天線(xiàn)1每一定的周期性時(shí)間內(nèi)得到當(dāng)前的車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)信息和對(duì)應(yīng)的精度因子輸入接口及接口電路2，接口及接口電路2連接主控小系統(tǒng)3的異步串行通信口7，主控機(jī)小系統(tǒng)3連接顯示模塊4和通信模塊5兩路輸出，其中通信模塊與主控機(jī)小系統(tǒng)3的接口部分8相連，主控機(jī)小系統(tǒng)3還連接有掉電保護(hù)的存儲(chǔ)模塊5。
GPS接收機(jī)及其天線(xiàn)1每一定的周期性時(shí)間內(nèi)得到當(dāng)前的車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)信息和對(duì)應(yīng)的精度因子，經(jīng)接口及接口電路2轉(zhuǎn)變?yōu)橹骺匦∠到y(tǒng)3能夠接收的TTL電平，再送到主控小系統(tǒng)3的異步串行通信口7，主控芯片將這些信息對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)，并從中提取所需要的信息，編程轉(zhuǎn)換所得的信息并求出這一周期時(shí)間間隔內(nèi)車(chē)輛的行程，并累計(jì)到單程和總程中由顯示模塊4顯示，并由掉電保存的存儲(chǔ)模塊5進(jìn)行存儲(chǔ)；可以有附加通信功能，列車(chē)行程到了一定的程度到需要檢修的行程時(shí)由通信模塊向鐵路列車(chē)工作站發(fā)出信息，通過(guò)通信接口8向通信模塊6發(fā)出信息；人機(jī)接口顯示維護(hù)人員和管理人員隨時(shí)要了解的車(chē)輛的行程數(shù)，實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛當(dāng)前的速度和預(yù)設(shè)置車(chē)輛行程和報(bào)警指示行程，由發(fā)光二極管指示。
本實(shí)用新型的裝置能有效的監(jiān)測(cè)和累計(jì)每一車(chē)輛的行程，可以單程累計(jì)與顯示安全維護(hù)之后的行程?？梢钥偝汤塾?jì)與顯示車(chē)輛出廠或第一次裝上本裝置之后的總行程；可以行程預(yù)設(shè)置和清零功能可將以往的行程或裝上本裝置之前車(chē)輛的行程由操作人員進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)維護(hù)之后單程可以由安全維護(hù)人員進(jìn)行清零，以便再次開(kāi)始下一次記錄；實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行速度。


圖1為本實(shí)用新型原理框圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例電路結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例GPS及接收電路圖；圖4為本實(shí)用新型本軟件流程圖。
具體實(shí)施方式
本裝置實(shí)現(xiàn)基于全球定位系統(tǒng)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)GPS的定位信息，計(jì)算并累計(jì)車(chē)輛在進(jìn)行一次檢修之后的行程，以及車(chē)輛自從裝上本裝置之后的總行程，以便于車(chē)輛維護(hù)人員可準(zhǔn)時(shí)根據(jù)車(chē)輛的行程對(duì)每一車(chē)輛進(jìn)行維修，保證鐵路客運(yùn)、貨運(yùn)的安全運(yùn)行。本實(shí)用新型電路設(shè)計(jì)為四個(gè)部分GPS接收模塊、主控芯片電路、顯示模塊和存儲(chǔ)模塊；通信模塊可自選。
GPS接收模塊由GPS接收機(jī)，天線(xiàn)，接口及電平轉(zhuǎn)換電路組成，完成接收當(dāng)前列車(chē)的狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)變成為主控芯片所需要的TTL，CMOS電平等，并送至主控芯片的串行通信口，其中GPS接收機(jī)可選用任意GPS模塊；接口及電平轉(zhuǎn)換采用普通的RS232電平轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)TL或3.3V供單片機(jī)接收的電平，轉(zhuǎn)換芯片可以選用MAX232，MAX3232二者可以分別實(shí)現(xiàn)以上轉(zhuǎn)換。
主控芯片電路選用單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)行程的計(jì)算，信息的接收和處理，存儲(chǔ)通信等功能。從電路的簡(jiǎn)單和可靠性方面考慮應(yīng)選用集成模塊較多的單片機(jī)，如選用內(nèi)部集成掉電保持存儲(chǔ)器的芯片，如PIC系列，C8051FXXX系列，或選用低成本的普通的8051系列，這就需要外擴(kuò)掉電保持的存儲(chǔ)部分。
顯示器模塊可以由數(shù)碼管，LCD實(shí)現(xiàn)，顯示單程、總程和速度等信息?？梢圆捎萌我庖环N顯示電路，但選擇LCD或者是數(shù)碼管主要考慮可靠性如抗振動(dòng)，環(huán)境，如溫度、濕度等的要求。
存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)單程、總程等信息，且要求在掉電時(shí)數(shù)據(jù)能夠保持，防止列車(chē)進(jìn)站停電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，可以長(zhǎng)期累計(jì)。如果選用內(nèi)部集成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，則只需要軟件實(shí)現(xiàn)，如果是外擴(kuò)的存儲(chǔ)器則需要外擴(kuò)掉電保護(hù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片如FRAM、EEPROM等。
通信模塊這一部分是擴(kuò)展功能，主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳給鐵路監(jiān)控中心實(shí)時(shí)查詢(xún)列車(chē)車(chē)輛的行程，可以由GSM，或者總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)的功能(1)單程累計(jì)功能累計(jì)與顯示安全維護(hù)之后的行程。
(2)總程累計(jì)功能累計(jì)與顯示車(chē)輛出廠或第一次裝上本裝置之后的總行程；(3)行程預(yù)設(shè)置和清零功能可將以往的行程或裝上本裝置之前車(chē)輛的行程由操作人員進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)維護(hù)之后單程可以由安全維護(hù)人員進(jìn)行清零，以便再次開(kāi)始下一次記錄；(4)運(yùn)行速度實(shí)時(shí)顯示功能通過(guò)切換按鍵，可以實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛當(dāng)前的運(yùn)行速度；技術(shù)指標(biāo)(1)測(cè)量準(zhǔn)確度＜3％；(2)里程累計(jì)范圍0～99999.9萬(wàn)公里；
(3)溫度范圍裝置工作溫度范圍為-30℃~+70℃，天線(xiàn)工作范圍為-55℃~+125℃。
可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)累計(jì)列車(chē)每一節(jié)車(chē)箱的單程及總程，實(shí)時(shí)顯示速度、方向等信息，以便鐵于列車(chē)安全維護(hù)人員進(jìn)行檢修。其誤差小于3％誤差分析本裝置實(shí)際計(jì)算時(shí)采用公式(2)，其誤差表達(dá)式為ΔLL=∂L∂V*ΔVV+∂L∂t*Δtt]]>即ΔLL=t3.6*ΔVV+V3.6*Δtt---(3)]]>式中t-為刷新率，ls；Δt-為時(shí)間的誤差，±1us；V-為速度，km/h；ΔV-為速度的誤差，±0.5km/h。
由此可知(3)式可化為ΔLL=13.6*0.5V+V3.6*10-61]]>相對(duì)誤差為ΔLL=0.1389*1V---(4)]]>從(4)式可知，行程的相對(duì)誤差取決于速度的大小，當(dāng)速度大于10km/h，則行程的誤差小于2％，當(dāng)然這里不考慮由于累計(jì)計(jì)算誤差以及浮點(diǎn)計(jì)算的舍入誤差帶來(lái)的誤差，車(chē)輛一般而言速度常高于10km/h，由此可以知道此時(shí)的相對(duì)誤差小于2％。
具體的實(shí)施方式本測(cè)量裝置硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分主要由定位信息接收電路模塊、主電路模塊等組成，其實(shí)施方案框圖如圖2所示。編程部分由三個(gè)軟件模塊接收GPS信息模塊，里程計(jì)算、累計(jì)及其存儲(chǔ)模塊，顯示及鍵盤(pán)處理模塊。其程序流程圖示于圖4。
定位信息接收電路，GPS模塊采用GARMIN的OEM產(chǎn)品，該系列的產(chǎn)品均為12通道的GPS接收機(jī)，也就是說(shuō)可以同時(shí)接收和跟蹤12顆衛(wèi)星的定位信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)快速定位。這一系列的接收機(jī)接收功耗非常小，數(shù)據(jù)更新率為每隔1秒1次，其優(yōu)良的性能可以很好的滿(mǎn)足陸地定位、導(dǎo)航的靈敏度需求。同時(shí)它還具有外部電源，內(nèi)部可充電電池，這樣在其OEM板中可以將衛(wèi)星軌道參數(shù)，上次定位位置，時(shí)間，時(shí)間日期等數(shù)據(jù)保存在靜態(tài)存儲(chǔ)器中，減少掉電后重新啟動(dòng)搜索天空所需要的時(shí)間。本裝置可選用的GPS15L接收機(jī)，其電氣指標(biāo)為輸入電壓3.3VDC-5.5VDC，電流峰值為100mA，標(biāo)稱(chēng)值為85mA；接收機(jī)靈敏度最小可達(dá)-165dBW；定位時(shí)間熱啟動(dòng)約為45s，所有數(shù)據(jù)未知時(shí)搜索天空需要5min；定位誤差小于15m，速度為0.05m/s同時(shí)還有±0.5km/h的數(shù)據(jù)舍入誤差?？梢杂稍诰确矫孢_(dá)到這一指標(biāo)的其它GPS接收機(jī)代替，由于GPS接收機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息是以RS232電平傳送，要在其與主控機(jī)接口上有電平轉(zhuǎn)換電路。接收電路如圖3所示。
主控電路由單片機(jī)PIC18F252構(gòu)成處理與控制核心，接收從GPS接收到的定位信號(hào)，并以此進(jìn)行計(jì)算和處理，處理算法見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)部分。PIC18F252單片機(jī)具有如下特點(diǎn)(1)CPU中具有8*8單周期指令乘法器，能實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算乘、除法適合于本裝置中的路程計(jì)算及累計(jì)計(jì)算；(2)通信接口既有同步串行通信接口可以適合于實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示芯片的控制，方便顯示，同時(shí)異步串行通信接口可方便地接受來(lái)自GPS的信息語(yǔ)句；(3)PIC18F252片內(nèi)本身含有程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通信存儲(chǔ)器以及可以掉電保護(hù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這樣可以由少量的芯片實(shí)現(xiàn)原來(lái)外擴(kuò)存儲(chǔ)的單片機(jī)系統(tǒng)，大大的提高本裝置的可靠性，同時(shí)由于行程累計(jì)要求將以前的行程信息能保存并累加到單程和總程，這樣為了保存車(chē)輛的這些信息，需要對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行掉電保護(hù)。主控電路顯示車(chē)輛的累計(jì)行程、速度等信息，便于隨時(shí)知道車(chē)輛的行程。這一部分主要考慮溫度，再加上鐵路車(chē)輛上的環(huán)境如震動(dòng)等問(wèn)題，采用可靠性高的數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)與數(shù)碼管的接口采有MAXIM公司的MAX7221(或者M(jìn)AX7219等)，它是一款串行八位共陰八段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及解碼芯片，工作溫度范圍工業(yè)級(jí)可以在到-40度，抗干擾能力強(qiáng)，滿(mǎn)足本裝置工作環(huán)境的要求。
關(guān)鍵部分可有如下代替主控芯片可以由其它任何一種單片機(jī)或者DSP代替；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分可以有EEPROM，鐵電FRAM，等其它可搽寫(xiě)掉電保持的芯片代替，容量只需要幾十個(gè)安節(jié)即可；顯示部分可以由數(shù)碼管顯示，也可以由LCD(液晶)顯示，主要是從可靠性，工作溫度方面考慮；GPS接收機(jī)部分可以由其它任何GPS接收機(jī)代替，主要應(yīng)該從精度方面考慮。以上所述部分的實(shí)現(xiàn)芯片、器件等，皆可在電子市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。
主控芯片程序設(shè)計(jì)該裝置的程序采用PIC C進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镚PS信息是每隔1s更新一次，所以行程也就每隔1s算一次，累加一次，行程的計(jì)算可以采用以下算法方法(1)采用GPS定位的經(jīng)度的緯度進(jìn)行計(jì)算，每1s內(nèi)經(jīng)度和緯度各改變多少min可以得出，經(jīng)度緯度每改變1min所對(duì)應(yīng)的路程是一定的，如圖4所示可以知道車(chē)輛在每一時(shí)間內(nèi)的經(jīng)度和緯度可以得到這一時(shí)間內(nèi)車(chē)輛從點(diǎn)A到點(diǎn)B所移動(dòng)的近似距離。在A，B兩點(diǎn)的距離相對(duì)較小的時(shí)候(100m左右)，車(chē)輛所行駛的鐵路彎道不會(huì)太大，誤差不會(huì)太大。計(jì)算公式為ΔL=((lon2-lon1)*18553*cos(θ))2+((lat2-lat1)*18491)2---(1)]]>式中l(wèi)on2，lon1-經(jīng)度，格式為dddmm.mmmm；lat2，lat1-緯度，格式為ddmm.mmmm；θ-緯度化為十進(jìn)制。
利用式(1)計(jì)算時(shí)，計(jì)算量大，隨之計(jì)算誤差較大，而且編程復(fù)雜，對(duì)單片機(jī)計(jì)算能力要求較高。
方法(2)利用從GPS得到的當(dāng)前的速度信息，與時(shí)間的積就是這一時(shí)間內(nèi)的行程，計(jì)算公式如下所示L=V*t3.6---(2)]]>式中L-行程，km；V-速度，km/h；t-時(shí)間，s。
這種方法速度信息實(shí)際比經(jīng)緯度低但計(jì)算量相對(duì)較小，計(jì)算誤差隨之減小，所以最終誤差比前者小。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用兩種計(jì)算方法，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，后者的精度和可靠性都較前者高。
方法(3)可以由以上兩種方法相結(jié)合，由公式(2)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)失去定位信號(hào)并重新定位這一段時(shí)間內(nèi)的行程由于公式(2)不可用，所以可以由公式(1)計(jì)算出這一段時(shí)間的直線(xiàn)行程，再累計(jì)。
方法(1)、方法(2)主要是適合于精度要求一般的情況下進(jìn)行的，方法(3)則在有高精度要求，或者隧洞較多，云層較厚的地區(qū)可以采用。
權(quán)利要求1.一種基于GPS的車(chē)輛行程測(cè)量累計(jì)裝置，組成包括GPS接收機(jī)及其天線(xiàn)(1)、接口及電平轉(zhuǎn)換電路(2)、主控機(jī)小系統(tǒng)(3)、顯示模塊(4)、掉電保護(hù)的存儲(chǔ)模塊(5)、通信模塊(6)、主控小系統(tǒng)中的異步串行通信口(7)、通信模塊中的接口部分(8)，其特征是GPS接收機(jī)及其天線(xiàn)(1)每一定的周期性時(shí)間內(nèi)得到當(dāng)前的車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)信息和對(duì)應(yīng)的精度因子輸入接口及接口電路(2)，接口及接口電路(2)連接主控小系統(tǒng)(3)的異步串行通信口(7)，主控機(jī)小系統(tǒng)(3)連接顯示模塊(4)和通信模塊(5)兩路輸出，其中通信模塊與主控機(jī)小系統(tǒng)(3)的接口部分(8)相連，主控機(jī)小系統(tǒng)(3)還連接有掉電保護(hù)的存儲(chǔ)模塊(5)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種基于GPS的車(chē)輛行程測(cè)量累計(jì)裝置，有效地監(jiān)測(cè)和累計(jì)每一車(chē)輛的行程，可以單程累計(jì)與顯示安全維護(hù)之后的行程?？梢钥偝汤塾?jì)與顯示車(chē)輛出廠或第一次裝上本裝置之后的總行程；可以行程預(yù)設(shè)置和清零功能可將以往的行程或裝上本裝置之前車(chē)輛的行程由操作人員進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)維護(hù)之后單程可以由安全維護(hù)人員進(jìn)行清零，以便再次開(kāi)始下一次記錄；實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行速度。本實(shí)用新型組成包括GPS接收機(jī)及其天線(xiàn)1、接口及電平轉(zhuǎn)換電路2、主控機(jī)小系統(tǒng)3、顯示模塊4、掉電保護(hù)的存儲(chǔ)模塊5、通信模塊6、主控小系統(tǒng)中的異步串行通信口7、通信模塊中的接口部分8。本實(shí)用新型電路有四個(gè)部分GPS接收模塊、主控芯片電路、顯示模塊和存儲(chǔ)模塊；通信模塊可自選。
文檔編號(hào)G01S1/00GK2835952SQ20042006371
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者翟國(guó)富, 周學(xué), 林景波, 李新剛, 楊森, 劉立志 申請(qǐng)人:翟國(guó)富