CN1924957A - 一种基于gnss/gis/gprs的综合交通导航教学仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器，其由机械本体、显示器、键盘、中心处理器、北斗接收机、GPRS数据收发控制器、GPS数据接收控制器、以及多个按键组成，机械本体的壳体的正面从上至下顺次安装有显示器、多功能按键、键盘支撑台、底板，所述键盘支撑台的下方安装有键盘，所述显示器的左边设有北斗切换键、GPRS切换键和GPS切换键，所述显示器的右边设有实验指导键、实验题目键和实验主界面键。本发明教学仪器通过学生自行动脑动手的实际操作学习，掌握无线通讯、导航定位、以及智能交通部署多方面的基础理论知识及其应用。既让学生掌握，了解，直观认识GNSS有关的原理知识，又能让学生通过此平台了解GNSS与GIS、无线通信的结合，即移动目标的位置管理是如何实现的。

Description

一种基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器

技术领域

本发明涉及一种无线导航教学仪器，更特别地说是指一种针对《卫星定位导航原理及其应用》课程、《智能交通系统》课程、《ITS中的车辆定位导航方法》课程、《地理信息系统》课程的学习而开发设计出的一种基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器。

背景技术

随着美国全球定位系统(GPS)的民用化，欧洲Galileo系统的启动建设，俄罗斯的GLONASS系统的恢复建设，中国北斗二代计划的启动，以卫星导航为主的空间信息产业已经形成。目前卫星导航是三大信息产业之一，在未来几十年内将带动消费电子、信息家电、汽车电子、移动通信、交通信息化等的发展。

为了适应市场对人才的需求，许多高校，如清华、北大、北航、北理工、东南大学、南航、河海大学、上海交大、浙大等均开设了空间信息有关的课程。但与之配套的教学仪器却很匮乏。市场上现出现的GPS原理实验平台NewStar150只针对GPS系统进行了一定数据采集、分析与处理，学生实验时可交互的内容较少；同时，该系统没有涉及地理信息系统与无线通信，即无法向学生展示卫星定位的应用实例。而这一点在许多课程的教学过程中又是十分重要的，如《智能交通系统》中的车辆管理部分；《车辆导航定位系统及应用》中的实例介绍部分；《地理信息系统》中的应用实例分析部分等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器，所述的教学仪器通过学生自行动脑动手的实际操作学习，掌握无线通讯、导航定位、以及智能交通部署多方面的基础理论知识及其应用。既让学生掌握，了解，直观认识GNSS有关的原理知识，又能让学生通过此平台了解GNSS与GIS、无线通信的结合，即移动目标的位置管理是如何实现的。

本发明是一种基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器，其由机械本体、显示器、键盘、中心处理器、供电电源、北斗接收机、GPRS数据收发控制器、GPS数据接收控制器、以及多个按键组成，机械本体的壳体的正面从上至下顺次安装有显示器、多功能按键、键盘支撑台、底板，所述键盘支撑台的下方安装有键盘，所述显示器的左边设有北斗切换键、GPRS切换键和GPS切换键，所述显示器的右边设有实验指导键、实验题目键和实验主界面键。壳体正面上设有的多个按键可以根据使用者或操作者的要求适当地摆放其位置；机械本体的壳体的底部的四个角位置分别安装在支撑滚轮A、支撑滚轮B、支撑滚轮C和支撑滚轮D；机械本体的壳体的顶部设有多个供天线伸出的通孔；机械本体的壳体的后面箱体内设有凹形隔板，凹形隔板上分别安装有GPS数据接收控制器、GPRS数据收发控制器、北斗接收机；底部的底板上安装有中心处理器、供电电源。

本发明基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器，通过中心处理器以及安装在中心处理器内部的接口卡与外部的GPS数据接收控制器、GPRS数据收发控制器、北斗接收机连接，实现了信息的输入输出，使操作者通过不同的任务来源或学习计划充分的了解《卫星定位导航原理及其应用》课程、《智能交通系统》课程、《ITS中的车辆定位导航方法》课程、《地理信息系统》课程。

本发明一种基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器的优点在于：

(1)让学生直观的掌握了《卫星定位导航原理及其应用》、《智能交通系统》、《ITS中的车辆定位导航方法》、《地理信息系统》课程的基础理论知识及其应用；

(2)本发明交通导航教学仪器是一个开放性实验平台。在此实验平台之上，除可根据教师指定的实验内容进行实验外，学生还可以根据所学习的理论知识和工程设计方法，自己设计实验任务，采集不同的数据进行不同的实验分析；

(3)本发明交通导航教学仪器所涉及的GNSS、GIS、GPRS实验内容可以定制，即教师根据自己的课程需要自行设置、选择实验内容；

(4)本发明交通导航教学仪器可以提供演示实验，用于教师向学生讲授基本原理时提供直观效果；还可以提供学生自己动手实验的内容，便于学生加深对基础理论知识的理解，并通过数据采集与处理掌握卫星定位原理以及其中的误差特点、与GPRS以及GIS相结合的方法等内容；

(5)本发明交通导航教学仪器采用模块化的设计思想，用户可以根据课程需要对该平台进行定制，选择其中不同的模块以提供不同的实验内容；

(6)本发明交通导航教学仪器支持利用历史保存数据进行演示或分析，也支持利用实时数据演示并可保存实时数据以用于事后处理分析。

附图说明

图1是本发明交通导航教学仪器的主视图。

图2是本发明交通导航教学仪器的后视图。

图3是本发明的信息控制结构框图。

图4A是GPRS的电路原理图。

图4B是本发明采用的接口电路原理图。

图5A是USB转换卡电路原理图。

图5B是USB转换卡的译码器电路原理图。

图5C是数据存储器的电路原理图。

图中：1.机械本体       101.壳体         102a.支撑滚轮A                 102b.支撑滚轮B

      102c.支撑滚轮C   102d.支撑滚轮D   103.键盘支撑台                 104.通孔

      105.右后盖门     106.左后盖门     107.凹形隔板    108.底板       2.显示器

      3.键盘           4.多功能按键     5a.北斗切换键   5b.GPRS切换键  5c.GPS切换键

      5d.实验指导键    5e.实验题目键    5f.实验主界面键                6.北斗接收机

      7.GPRS数据收发控制器              8.中心处理器    9.供电电源

      10.GPS数据接收控制器              11a.GPRS天线                   11b.GPS天线

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1、图2所示，本发明是一种基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器，其由机械本体1、显示器2、键盘3、中心处理器8、供电电源9、北斗接收机6、GPRS数据接收器7、GPS数据接收控制器10、以及多个按键(多功能按键4、北斗切换键5a、GPRS切换键5b、GPS切换键5c、实验指导键5d、实验题目键5e、实验主界面键5f，或者可以根据实验指导内容自行设定功能按键)组成，机械本体1的壳体101的正面从上至下顺次安装有显示器2、多功能按键4、键盘支撑台103(可以用于放置如书、笔等用具)、底板108，所述键盘支撑台103的下方安装有键盘3，所述显示器2的左边设有北斗切换键5a、GPRS切换键5b和GPS切换键5c，所述显示器2的右边设有实验指导键5d、实验题目键5e和实验主界面键5f。壳体101正面上设有的多个按键可以根据使用者或操作者的要求适当地摆放其位置；机械本体1的壳体101的底部的四个角位置分别安装在支撑滚轮A 102a、支撑滚轮B 102b、支撑滚轮C.102c和支撑滚轮D 102d；机械本体1的壳体101的顶部设有多个供天线伸出的通孔104；机械本体1的壳体101的后面箱体内设有凹形隔板107，凹形隔板107上分别安装有GPS数据接收控制器10、GPRS数据收发控制器7、北斗接收机6；底部的底板108上安装有中心处理器8、供电电源9。

所述的机械本体1，用于安装各相关设备(显示器2、多功能按键4、中心处理器8、北斗接收机6、GPRS数据收发控制器7、GPS数据接收控制器10、键盘3、鼠标等)；同时也提供了一个用于操作者(教师、学生)方便工作的类似于工作桌的工作台。通过在机械本体1上固定安装相关设备，有效地解决了设备分立带来的缺陷。

所述的显示器2，用于直观的显示操作者所有的操作进程；

所述的中心处理器8，用于实现本发明教学仪器的综合管理、计算、控制、信息分发等功能；在本发明中的中心处理器8由一个计算机(最低配置为：主频1G，内存256M，硬盘40G，操作系统Win98以上，内置MODEM)、一个串口采集卡(型号CanHgher CP202，康海公司生产)、USB转换卡(型号CY7C68013系列，赛普拉斯CYPRESS公司生产)和数据存储器(K9F5608系列)组成，所述串口采集卡、所述USB转换卡和所述数据存储器均安装在计算机的主机箱内。

所述的多功能按键4，设有上下左右方向键、确定键、取消键、返回键、项目选择键、执行任务键等；

所述的北斗接收机6，用于实现本发明教学仪器的定位、授时以及北斗短消息的收发；

所述的GPS数据接收控制器10，用于实现本发明教学仪器的定位、授时；

所述的GPRS数据收发控制器7，用于实现不同实验终端间的数据交换，以及接收教师的指导数据、题目数据；

参见图3所示，本发明的基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器，对控制信号的走向为：首先操作者打开本发明的教学仪器，通过鼠标或键盘3点击显示器2上出现的界面，操作者根据自身的学习计划或者教师下发的教学项目进行模拟或者执行不同的按键来完成对GNSS/GIS/GPRS的了解。对于各路信息的采集、分发、执行通过中心处理器8来完成。中心处理器8接收北斗接收机6、GPRS数据收发控制器7、GPS数据接收控制器10的相关信息参数，并对其进行处理后输出给显示器2供操作者观看。

在本发明中，中心处理器8与北斗接收机6、GPRS数据收发控制器7、GPS数据接收控制器10之间的电信号联接如下描述。所用到的具体器件的型号可以更换，其本次专利申请的主体保护为这种思想。

一、中心处理器8

参见图5A、图5B、图5C所示，中心处理器8包括一台公知的电脑、串口采集卡(型号CanHgher CP202，康海公司生产)、USB转换卡(型号CY7C68013系列，赛普拉斯CYPRESS公司生产)和数据存储器(K9F5608系列)，串口采集卡、USB转换卡和数据存储器安装在这台公知的电脑内。

USB转换卡CY7C68013芯片U7的电源输入2、10、17、26、43、48、64、68、81、100和107端分别与+3.3V联接，且电源输入10端与地之间并联接有电容C26、电容C27；电源输入101端与+3.3V电源之间接有电阻R19；电源输入32端与+3.3V电源之间接有电阻R29；

USB转换卡U7的地输入13、3、20、27、49、58、65、80、93、116和125端分别接地，电平选择信号35端接地，时钟输出1端接地；4～9端通过电阻R16接地；28端通过电阻R9接地，且29～31端经开关P2、电阻R9后接地；106端通过电阻R35接地；33通过电阻R17接地；

USB转换卡U7的串行数据端口0的接收51端与拨码开关S4的输出6端联接，串行数据端口0的发送50端与拨码开关S4的输入5端联接，GPS数据接收控制器接口J8的发送7端与拨码开关S4的接收13、15端联接，GPS数据接收控制器接口J8的接收6端与拨码开关S4的发送14、16端联接；GPS数据接收控制器接口J8的脉频8端通过发光二极管D12和电阻R34接3.3V；

USB转换卡U7的串行数据端口1的接收53端与拨码开关S4的输出2端联接，串行数据端口1的发送52端与拨码开关S4的输入1端联接，GPRS数据收发控制器U8的32端与拨码开关S4的10端和12端联接，GPRS数据收发控制器U8的39端与拨码开关S4的9端和11端联接。

二、外部接口

参见图4A、图41B所示，本发明中心处理器8与外部联接采用的接口卡有：串行接口芯片、USB接口、GPRS接口、GPS接口、拨码开关。对于GPRS接收信息通过WM02D芯片进行了处理后输出供给中心处理器8。

拨码开关S4的串行数据接口1的输出3端对应联接串行数据电平转换芯片U1的输入11端，拨码开关S4的串行数据接口1的输入4端对应联接串行数据电平转换芯片U1的输出12端，拨码开关S4的串行数据接口2的输出7端对应联接串行数据电平转换芯片U1的输入10端，拨码开关S4的串行数据接口2的输入端8对应联接串行数据电平转换芯片U1的输出9端；串行数据电平转换芯片U1的1端与3端串接电容C2，4端与5端串接电容C4，电源输入16端接5V，5V电源与地之间串接电容C1，电源输入16端与正电压2端串接电容C3；负电压6端与地输入15端串接电容C5，地输入15端接地；

串行数据电平转换芯片U1的输出14端、输入13端分别与GPRS接口J2的2端、3端联接，实现接入的GPRS数据收发控制器7的电平转换；

串行数据电平转换芯片U1的输出7端、输入8端分别与GPS接口J1的2端、3端联接，实现接入的GPS数据接收控制器10的电平转换；本发明中采用的电平转换芯片max3232是对经GPRS接口J2、GPS接口J1输入的GPRS信息和GPS信息转换成串口电平，保证了输入信息的稳定性。USB转换卡U7的11端和12端与外部晶振电路联接；

USB转换卡U7的时钟信号36端和数据信号37端分别通过上拉电阻R28、电阻R27与程序存储器J6的时钟6端、数据5端联接，写保护54端与程序存储器J6的7端联接；

USB转换卡U7的18端、19端分别接USB接口J4的差动信号线3端、2端；

USB转换卡U7的数字输入44～47端分别接编码器U5的输出23～20端联接；

USB转换卡U7的唤醒101端与3.3V电源之间接有电阻R19；

USB转换卡U7的复位99端与复位电路之间接有电感L5，电感L5与地之间接有开关W2、电容C29，电感L5与V3.3电源之间接有二极管D7、电阻R21；

USB转换卡U7的八位数据地址(I/O0～I/O7)124、123、122、121、115、114、113、112端分别与数据存储器U6的八位数据地址29、30、31、32、41、42、43、44端联接，USB转换卡U7的片选108端与数据存储器U6的片选9端之间接有电阻R25，USB转换卡U7的读使能109端与数据存储器U6的读使能8端之间接有电阻R24，USB转换卡U7的读/写选通110端与数据存储器U6的写使能7端联接，USB转换卡U7的命令锁存使能105端与数据存储器U6的命令锁存使能16端联接，USB转换卡U7的地址锁存使能104端与数据存储器U6的地址锁存使能17端联接，USB转换卡U7的写使能103端与数据存储器U6的写使能18端联接，USB转换卡U7的写保护102端与数据存储器U6的写保护19端联接，数据存储器U6的3.3V电源37端与地36端之间接有电容C31，数据存储器U6的3.3V电源12端与地13端之间接有电容C30，数据存储器U6的3.3V电源与读/写选通7端之间接有电阻R23，数据存储器U6的3.3V电源与片选9端之间接有电阻R22；

USB转换卡U7的数据线57端与GPRS数据收发控制器U8的GPRS复位14端联接；

按键接口P1与外部的按键连接，其信息输入通过编码器U5的14位信息输入0～13端联接；

GPRS数据收发控制器U8的天线+，天线-与外置天线连接；

GPRS数据收发控制器U8的电源输入55、57、58、59、60端接+4.1V，电源输入50端通过电阻R33接+4.1V；

GPRS数据收发控制器U8的状态指示52端通过发光二极管D9和电阻R32接+3.3V；

GPRS数据收发控制器U8的音频输入输出41～44端通过音频滤波器电路、电话手柄接口J7与外置话筒和耳机连接；

GPRS数据收发控制器的时钟3端与SIM卡接口U8-1的时钟6端联接，复位5端与SIM卡接口U8-1的复位5端联接，数据7端与SIM卡接口U8-1的1端联接，电源输入9端与SIM卡接口U8-1的4端联接，SIM卡接口U8-1的3端接地；

GPRS数据收发控制器的34端与36端短接，1端、2端、4端短接；

GPRS数据收发控制器的电源输入11端接+4.1V，且电源输入11端与地之间接有电容C35；开关6端通过电阻R31接+4.1V，地输入33端、38端接地。

本发明中采用的供电电源9输出的电源为3.3V、4.1V和5V，其电源转换电路为常规电源转换芯片的搭接，故此处不作详细说明。

本发明的基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器是为了配合学生学习《卫星定位导航原理及其应用》课程、《智能交通系统》课程、《ITS中的车辆定位导航方法》课程、《地理信息系统》课程而开发的。据调研，国内开设类似课程的教学单位均缺乏相应的教学实验平台，学生无法直观的掌握基础理论知识及其应用。本平台是在北京航空航天大学电子信息工程学院多年来对卫星导航定位、地理信息系统、无线数据传输深入研究的基础上研究开发的、针对教学使用的综合实验平台。也可用于研究机构了解掌握卫星定位导航工作原理及其应用的培训设备。

Claims (3)

1、一种基于GNSS/GIS/GPRS的综合交通导航教学仪器，其特征在于：所述的交通导航教学仪器由机械本体1、显示器2、键盘3、中心处理器8、北斗接收机6、GPRS数据收发控制器7、GPS数据接收控制器10以及多个按键和供电电源9组成，

所述机械本体1的壳体101的正面从上至下顺次安装有显示器2、多功能按键4、键盘支撑台103、底板108，所述键盘支撑台103的下方安装有键盘3，所述显示器2的左边设有北斗切换键5a、GPRS切换键5b和GPS切换键5c，所述显示器2的右边设有实验指导键5d、实验题目键5e和实验主界面键5f；机械本体1的壳体101的底部的四个角位置分别安装在支撑滚轮A 102a、支撑滚轮B 102b、支撑滚轮C.102c和支撑滚轮D 102d；机械本体1的壳体101的顶部设有多个供天线伸出的通孔104；机械本体1的壳体101的后面箱体内设有凹形隔板107，凹形隔板107上分别安装有GPS数据接收控制器10、GPRS数据收发控制器7、北斗接收机6；底部的底板108上安装有中心处理器8、供电电源9。

2、根据权利要求1所述的交通导航教学仪器，其特征在于：所述中心处理器8由一个计算机、串口采集卡、USB转换卡和数据存储器组成，所述串口采集卡、USB转换卡和数据存储器安装在计算机的主机箱内。

3、根据权利要求1所述的交通导航教学仪器，其特征在于：所述中心处理器8与北斗接收机6、GPRS数据收发控制器7、GPS数据接收控制器10之间的电信号联接为，

USB转换卡CY7C68013芯片U7的电源输入2、10、17、26、43、48、64、68、81、100和107端分别与+3.3V联接，且电源输入10端与地之间并联接有电容C26、电容C27；电源输入101端与+3.3V电源之间接有电阻R19；电源输入32端与+3.3V电源之间接有电阻R29；

USB转换卡U7的地输入13、3、20、27、49、58、65、80、93、116和125端分别接地，电平选择信号35端接地，时钟输出1端接地；4～9端通过电阻R16接地；28端通过电阻R9接地，且29～31端经开关P2、电阻R9后接地；106端通过电阻R35接地；33通过电阻R17接地；

USB转换卡U7的串行数据端口0的接收51端与拨码开关S4的输出6端联接，串行数据端口0的发送50端与拨码开关S4的输入5端联接，GPS数据接收控制器接口J8的发送7端与拨码开关S4的接收13、15端联接，GPS数据接收控制器接口J8的接收6端与拨码开关S4的发送14、16端联接；GPS数据接收控制器接口J8的脉频8端通过发光二极管D12和电阻R34接3.3V；

USB转换卡U7的串行数据端口1的接收53端与拨码开关S4的输出2端联接，串行数据端口1的发送52端与拨码开关S4的输入1端联接，GPRS数据收发控制器U8的32端与拨码开关S4的10端和12端联接，GPRS数据收发控制器U8的39端与拨码开关S4的9端和11端联接；

拨码开关S4的串行数据接口1的输出3端对应联接串行数据电平转换芯片U1的输入11端，拨码开关S4的串行数据接口1的输入4端对应联接串行数据电平转换芯片U1的输出12端，拨码开关S4的串行数据接口2的输出7端对应联接串行数据电平转换芯片U1的输入10端，拨码开关S4的串行数据接口2的输入端8对应联接串行数据电平转换芯片U1的输出9端；串行数据电平转换芯片U1的1端与3端串接电容C2，4端与5端串接电容C4，电源输入16端接5V，5V电源与地之间串接电容C1，电源输入16端与正电压2端串接电容C3；负电压6端与地输入15端串接电容C5，地输入15端接地；

串行数据电平转换芯片U1的输出14端、输入13端分别与GPRS接口J2的2端、3端联接，实现接入的GPRS数据收发控制器7的电平转换；

串行数据电平转换芯片U1的输出7端、输入8端分别与GPS接口J1的2端、3端联接，实现接入的GPS数据接收控制器10的电平转换；本发明中采用的电平转换芯片max3232是对经GPRS接口J2、GPS接口J1输入的GPRS信息和GPS信息转换成串口电平，保证了输入信息的稳定性。USB转换卡U7的11端和12端与外部晶振电路联接；

USB转换卡U7的时钟信号36端和数据信号37端分别通过上拉电阻R28、电阻R27与程序存储器J6的时钟6端、数据5端联接，写保护54端与程序存储器J6的7端联接；

USB转换卡U7的18端、19端分别接USB接口J4的差动信号线3端、2端；

USB转换卡U7的数字输入44～47端分别接编码器U5的输出23～20端联接；

USB转换卡U7的唤醒101端与3.3V电源之间接有电阻R19；

USB转换卡U7的复位99端与复位电路之间接有电感L5，电感L5与地之间接有开关W2、电容C29，电感L5与3.3V电源之间接有二极管D7、电阻R21；

USB转换卡U7的八位数据地址124、123、122、121、115、114、113、112端分别与数据存储器U6的八位数据地址29、30、31、32、41、42、43、44端联接，USB转换卡U7的片选108端与数据存储器U6的片选9端之间接有电阻R25，USB转换卡U7的读使能109端与数据存储器U6的读使能8端之间接有电阻R24，USB转换卡U7的读/写选通110端与数据存储器U6的写使能7端联接，USB转换卡U7的命令锁存使能105端与数据存储器U6的命令锁存使能16端联接，USB转换卡U7的地址锁存使能104端与数据存储器U6的地址锁存使能17端联接，USB转换卡U7的写使能103端与数据存储器U6的写使能18端联接，USB转换卡U7的写保护102端与数据存储器U6的写保护19端联接，数据存储器U6的3.3V电源37端与地36端之间接有电容C31，数据存储器U6的3.3V电源12端与地13端之间接有电容C30，数据存储器U6的3.3V电源与读/写选通7端之间接有电阻R23，数据存储器U6的3.3V电源与片选9端之间接有电阻R22；

USB转换卡U7的数据线57端与GPRS数据收发控制器U8的GPRS复位14端联接；

按键接口P1与外部的按键连接，其信息输入通过编码器U5的14位信息输入0～13端联接；

GPRS数据收发控制器U8的天线+，天线-与外置天线连接；

GPRS数据收发控制器U8的电源输入55、57、58、59、60端接+4.1V，电源输入50端通过电阻R33接+4.1V；

GPRS数据收发控制器U8的状态指示52端通过发光二极管D9和电阻R32接+3.3V；

GPRS数据收发控制器U8的音频输入输出41～44端通过音频滤波器电路、电话手柄接口J7与外置话筒和耳机连接；

GPRS数据收发控制器的时钟3端与SIM卡接口U8-1的时钟6端联接，复位5端与SIM卡接口U8-1的复位5端联接，数据7端与SIM卡接口U8-1的1端联接，电源输入9端与SIM卡接口U8-1的4端联接，SIM卡接口U8-1的3端接地；

GPRS数据收发控制器的34端与36端短接，1端、2端、4端短接；

GPRS数据收发控制器的电源输入11端接+4.1V，且电源输入11端与地之间接有电容C35；开关6端通过电阻R31接+4.1V，地输入33端、38端接地。

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