数字物流车载终端系统的设计

摘 要：本文设计了一种用于数字化物流系统的新型车载终端，给出了系统的硬件设计和软件实现方案。有别于常用的其它数字物流车载终端，该系统应用了RFID技术，同时选用了16位超低功耗单片机MSP430作为主控处理器，有效完成了对RFID、GPS以及GSM等模块的控制和协调工作，实现了物流中车辆实时定位、货物自动识别、数据采集传输以及远程实时监控等功能。
关键词：车载终端系统；GSM；GPS；RFID

引言
GPS和RFID技术的迅速发展给物流信息采集带来了新的活力。本文设计了一种用于数字化物流系统的新型车载终端，该系统有别于目前常用的数字物流车载终端，采用了RFID技术，使用超低功耗单片机MSP430完成对RFID、GSM、GPS模块的控制和协调工作。另外，本文还加强了对物流运输系统安全监控、语音报警、远程熄火等功能的设计，使其具有功能更多、安全性更强、性价比更高、应用更广的特点。

系统结构
数字物流车载终端是一个具有动态身份识别、实时定位跟踪、无线数据传输、远程监督管理的系统。主要由GSM通信模块、GPS接收模块，RFID读卡器模块和MCU中央处理器4大部分组成，如图1所示。

硬件设计
数字物流车载终端系统的硬件组成如图2所示。主要由16位超低功耗单片机MSP430F149、TC35i通信模块、JP7-T接收模块、LERCM400 读卡器及外围电路、人机接口、电源管理等单元组成。MSP430F149利用其内部的两个硬件串口分别对GPS和GSM进行控制，通过I2C接口控制RFID读卡器LERCM400。LCD液晶屏和键盘是友好的人机接口，外挂Flash为大容量数据存储带来了方便。GSM通信模块、GPS接收模块及RFID读卡器使用不同的天线。
主控器电路
主控器选用了TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149，该单片机采用了结构紧凑的64-PIN QFP封装，片内支持高速与低速两种晶振。其特点包括：电源电压低，仅为1.8V~3.6V；功耗低，活动模式耗电280mA/MIPS，RAM数据保持模式下耗电仅为0.1mA；处理速度快，MSP430F149采用了16位RISC结构，指令周期仅为125ns，从待机到唤醒的响应时间不超过6ms。存储容量大，Flash存储容量高达60KB，RAM为2KB；调试方便，片内具有JTAG调试接口，可在线串行编程，不需要外部编程电压；系统工作稳定，如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。另外，MSP430F149 有6个8位并行端口（P1~P6），其中P1与P2口具有中断能力，支持10多种中断源，并可以任意嵌套。
本设计正是利用了P1口的中断能力，组成了一个4×4的键盘矩阵。GSM通信模块与GPS接收模块都带有标准的异步串行通行接口，可分别与MSP430F149的UART0和UART1相连。由于串口资源不足，本设计用MSP430F149的I/O口软件模拟了I2C接口，满足了RFID读卡器与MSP430F149通信的需求。外挂Flash和LCD液晶屏直接与I/O口相连，即可达到被MSP430 控制的目的。
GSM通信电路
GSM通信电路的核心是TC35i模块，该模块功耗低、体积小、质量轻、集成度高，支持数据、语音、短信息和传真服务。有900MHz和l800MHz两个频段可供选择，工作电压为3.3V~4.8V，波特率可在300bps~115kbps范围选择。支持标准的AT命令集，符合ETSI标准GSM0707和GSM0705。它与MSP430F149以RS-232标准串口、9600bps的波特率通信，主控制器通过发送AT命令控制TC35i实现自动拨号、发送短信、接收短信等功能；同时，TC35i模块通过两路MIC和喇叭进行语音传递或直接进行短信息通讯。
在通信电路中，系统加电后，IGT引脚的初始状态为高电平。为了使TC35i 进入工作状态，必须给IGT引脚加一个延时大于100 ms 的低电平，电平由高到低的过渡时间不超过1 ms。因此，设计中采用开漏三极管和上电复位电路组成了一个自启动电路。用RC电路来完成100ms的低电平延时，电源通电后，通过电阻对电容充电，使电容正极上的电压慢慢上升，大约经过100 ms达到高电位，利用施密特触发器翻转，系统被复位。模块启动后，IGT引脚保持高电平。
GPS接收模块
GPS接收模块选用了FALCOM公司的JP7-T，该模块使用的是1575.42MHz的L1载波频率，有12路并行接收通道，可同时跟踪12颗卫星的数据。工作电压为+3.3V，正常工作时功耗仅为200mW。首次定位时间热启动时小于4s，冷启动时不超过45s。JP7-T定位模块的精度很高，定位误差为10m，速度误差为0.1m/s，授时精度可达1ms。支持NMEA-0183 GPS数据输出协议，该协议包含GLL、 GGA、 RMC、 VTG、 GSV及 GSA数据信息，在数字物流车载终端系统中只使用了RMC卫星定位系统精简数据。
JP7-T模块主要由4个部分组成：RF下变频器、数字基带解调器、内嵌ARM处理器以及内部GPS处理软件，该处理软件存储在模块内部的一个8MB的Flash中。RF下变频器和基带解调器由硬件实现，而ARM处理器利用内部GPS软件可完成GPS的位置、速度、时间的处理。JP7-T模块提供了两套全双工串行数据通道，本设计中将SDI1/SDO1串口与MSP430F149的UART1相连，达到了与之通信的目的。MSP430F149向JP7-T模块发送设置命令，控制GPS的状态和工作方式。同时，单片机将接收到的物流车辆的位置、速度等信息编辑后，存储到外挂Flash中等待发送。JP7-T模块另外一套串行数据通道主要处理差分 GPS数据，设计中仅将其引出，以备今后系统升级时使用。
RFID读卡器模块
RFID读卡器模块选用了力锋电气公司的LERCM4xx系列RFID射频模块，该模块体积小，仅为DIP32大小，可采用标准DIP32插座安装。其工作电压为+3.3V，通信速率可在20kHz~200kHz之间选择，支持多种射频协议，该模块提供了I2C、SPI和UART接口。本设计利用MSP430的I/O口模拟了I2C接口，因此，直接从I/O口上引出两条线作为SDA与SCL，与MSP430F149通信，省去了使用串口扩展模块的繁琐配置工作。
电源管理
系统电源管理模块包括：+12V、+5 V、+3.3 V及+3.6 V四种电压。外部由+12V供电，通过LM2576直流电源降压芯片转换成+5V。该+5V电压除了可对LCD液晶屏供电外，还可通过电压可调的线性稳压器LP3966转换为3.6V给TC35i供电。LP3966最高电流为3A，TC35i的峰值电流只有2A，而且线性稳压器的纹波干扰很小，能很好地满足TC35i稳定工作的需要。此外，+5V电压还可以通过AIC1117 转换为+3.3V，给MSP430 、GPS、RFID读卡器供电。在电源管理电路中，还使用了大电容并小电容的电路，以消除电源电压的纹波，使用感容回路将数字电压和模拟电压隔离。在车载终端系统中，为了缩短GPS的启动时间，在JP7-T的21引脚还需要加上3V的备用电池。

系统软件设计
系统软件开发使用了针对MSP430的开发平台 IAR Embedded Workbench V2.10。该开发平台使用项目模式来组织应用程序，允许设计者以树型体系结构组织项目，从而使文件间的隶属关系清晰明了；用户界面直观，文本编辑器具有语法表现能力，带有能体现MSP430特性的编译器。另外，汇编编译器、连接器、库函数管理器、调试器等内嵌工具也为开发和管理MSP430嵌入式应用程序提供了便利。
系统软件流程图
车载终端系统的软件主要用C语言编写，对输入/输出端口的控制则采用汇编语言编写程序。系统上电后的初始化包括对MSP430、GSM、GPS及RFID读卡器等的初始化。为了使用方便，设置了三个特殊按键，当系统检测到按键0的中断时，响应紧急呼救子程序；当检测到按键*的中断时，响应读取电子标签信息的子程序；当检测到按键#的中断时，响应读取GPS的RMC信息子程序。该系统软件流程图如图3所示。
模拟I2C接口
车载终端系统中，每次会话均由主机MSP430发起，起始条件和结束条件都由MSP430 产生，LERCM400读卡器在通信中处于从机的地位。使用I2C接口通信时，MSP430发出开始条件给LERCM400以建立连接。从机采用7位寻址模式进行器件寻址，其中高7位为从地址，低1位为读/写标志位（该位为0时，表示主机向从机传输命令；该位为1时，表示主机读取从机的处理结果），如图4所示。不论I2C总线上传输的是地址信息、命令信息或数据信息，每个字节传输完毕后，接收设备都会发送响应位ACK。MSP430 向LERCM400 发出相关的执行命令后，轮巡等待LERCM400的处理结果。MSP430判断是否收到LERCM400的ACK，如果收到则表示从机处理完毕主机的命令，此时主机就可以读取处理结果了。在从机处理数据时，时间不能超过500ms。另外，主机/从机接收多字节的数据信息时，前面的字节权位为低。

结语
本文基于RFID、GPS以及GSM技术，设计了一个新型的用于物流信息采集的车载终端系统。RFID技术的引入，使得该系统和目前其它的数字物流车载终端系统相比，具有功能更强大、安全性更强的特点。在系统设计中，我们选用超低功耗单片机MSP430来完成对RFID、GPS以及GSM的控制和协调工作，充分提高了物流车辆的调度管理效率。另外，该系统的体积很小，非常适用于运输车辆。■

参考文献
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2. 沈建华等.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].清华大学出版社.2004.11
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6. 张日希 等.MSP430系列单片机实用C语言程序设计.人民邮电出版社.2005.9