基于arm的嵌入式gps通訊(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 接收機所接收到的衛星星歷等其它數據可以確定以下四個方程式：上述四個方程式中待測點坐標x、y、z 和Vto 為未知參數，其中di=c△ti (i=4)。di (i=4) 分別為衛星衛星衛星衛星4 到接收機之間的距離。△ti (i=4) 分別為衛星衛星衛星衛星4 的信號到達接收機所經歷的時間。 c 為GPS 信號的傳播速度（即光速）。四個方程式中各個參數意義如下：x、y、z 為待測點坐標的空間直角坐標。xi 、yi 、zi (i=4) 分別為衛星衛星衛星衛星4 在t 時刻的空間直角坐標，可由衛星導航電文求得。Vt i (i=4) 分別為衛星衛星衛星衛星4 的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。Vto 為接收機的鐘差。由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto 。目前GPS 系統提供的定位精度是優于10 米，而為得到更高的定位精度，通常采用差分GPS 技術：將一臺GPS 接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時將這一數據發送出去。用戶接收機在進行GPS 觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。 GPS接口在UPNetARM3000 平臺上所選配的GPS 模塊是GPS15L/H。接口特性如下：RS232 輸出，可輸入RS232 或者具有RS232 極性的TTL 電平。可選的波特率為：300、600、1200、2400、4800、9600、19200。GPS15 與PC 串口的連接見示意圖如下：圖 串口輸出協議：輸出NEMA0183 格式的ASCII 碼語句，輸出：GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG（NMEA 標準語句）；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV（GARMIN 定義的語句）。還可將串口設置為輸出包括GPS載波相位數據的二進制數據。輸入：初始位置、時間、秒脈沖狀態、差分模式、NMEA輸出間隔等設置信息。在缺省的狀態下，GPS 模塊輸出數據的波特率為4800，輸出信息包括：GPRMC、GPGGA、GPGSA、GPGSV、PGRME 等，每秒鐘定時輸出，如下圖所示。在具體的應用場合，有時會要求模塊輸出不同的波特率，或輸出其他語句信息，因此，需要通過相應軟件修改GPS 模塊的缺省配置。在這里，我們使用模塊自帶的設置軟件SNSRCFG..exe，見下圖： 本系統的功能框圖如圖所示：圖 系統功能框圖本系統主要實現的功能是通過 GPS 信號接收模塊獲取終端當前位置的GPS 衛星信號，交由GPS 數據處理模塊處理，獲得當前位置的準確定位信息（包括經緯度、高度、速度、方向和時間等）；由GIS 地圖處理模塊負責讀取保存在存儲介質中的矢量數字地圖，并進行坐標、投影等相關轉換處理，最后將地圖繪制到顯示設備中；GPS 數據處理模塊輸出的定位信息可以在數字地圖上直觀地顯示出當前位置，起到可視化定位導航的目的；用戶同時可以在地圖瀏覽模式下對地圖進行平移和縮放等操作來查看地圖。系統提供圖形用戶界面GUI，在屏幕上以圖形化的方式顯示地圖和數據，提供給用戶人機交互接口。本系統硬件平臺方案中，采用基于 ARM920T 內核的S3C2410 作為系統的嵌入式處理器，其在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的性能，它的處理能力能夠滿足GPS/GIS 數據處理等復雜應用的要求。且有很好的軟硬件及操作系統支持，提供了全面的、通用的片上外設，大大降低了系統的成本。存儲設備中，使用64MB 的SDRAM 作為內存儲器，滿足操作系統內核及應用程序運行的空間要求。使用64MB 的NAND FLASH 為外部存儲器，負責保存啟動代碼、操作系統內核映像、根文件系統和其他系統文件。考慮到數字地圖和其他資料等外部大容量文件存儲的需要，提供SD 卡、USB 設備等擴展接口，USB Host 接口還可用于向FLASH 中讀寫數據。系統提供兩個RS232 標準的串口，其中串口1 用于連接GPS 接收模塊，獲取GPS 定位數據，串口2 用于系統控制臺調試功能。使用帶觸摸屏的TFTLCD，顯示定位和地圖信息，提供圖形界面方便用戶控制。系統電源以12 V 電池為主要供電方式，同時提供交直轉換接口、復位電路。此外還包括CS8900 10M 網卡擴展設備上網功能、用于系統調試的JTAG 接口及其他各類根據功能需求擴展的外部設備。本系統硬件平臺組成如圖所示：圖 依據功能將系統軟件平臺層次分為硬件抽象層 HAL/BSP、嵌入式操作系統Kernel、設備驅動層、中間件層、應用平臺層和應用層等。系統軟件平臺的體系結構組成如圖 所示。圖 BSP 負責系統的初始化和操作系統內核的啟動。本文選擇并移植經典的開源bootloader和驅動的方案，作為本系統的硬件抽象層，這種方案更靈活高效、功能更強。操作系統內核負責處理器管理、存儲器管理和進程調度等，其系統調用為應用層提供操作硬件的接口和開發API。本文選擇嵌入式Linux 操作系統，它遵循GPL 完全源代碼公開，免費成本低，有大量的應用軟件和優秀的開發工具支持，內核穩定而精悍，運行所需資源少，方便裁剪定制，支持廣泛的硬件平臺。目前基于Linux 的嵌入式GPS/GIS 的產品相對較少，因此是本文研究的一個重要意義。Linux 內核中有很大一部分代碼是各種設備的驅動程序，它對大多數已有的各類硬件設備提供了廣泛的驅動支持，并且更新很快。我們只需要開發或移植系統中特定型號設備如LCD、觸摸屏、網口等的驅動程序即可，非常方便。中間件層主要有文件系統 filesysytem、圖形用戶接口GUI 等。文件系統對系統中包含的大量各種文件進行管理。GUI 負責GIS 地圖顯示和圖形用戶界面等涉及復雜圖形圖像處理的應用，選擇Trolltech 公司研發的面向嵌入式系統的Qt 版本Qte，它是一個專門為小型設備提供圖形用戶界面的應用框架和窗口系統，也是完整的自包含的C++ GUI 和基于Linux的嵌入式平臺開發工具，提供了豐富的可定制的窗口部件和的圖形界面。應用平臺采用建立在 Qt/E 之上的Qtopia，它是一個類似桌面系統的應用環境，為基于Linux 操作系統的智能終端提供了一個完整的圖形環境。包括一系列常見的實用程序，以及核心的應用框架和插件系統。可以使用其提供的API 和工具開發上層的應用程序。用戶應用程序層負責具體的業務邏輯，實現系統各項應用功能需求。在本系統中該層最主要的就是實現GPS 定位信息的接收和處理，以及GIS 數字地圖兩大核心業費信息功能，并提供圖形用戶界面。5 詳細設計與實現本系統選用 Compass Systems 公司生產的GM611 型GPS 信號衛星接收機，它具有標準的NMEA0183 格式的定位數據輸出。NMEA0183 協議是目前GPS 接收機上使用最廣泛的協議，大多數常見的GPS 接收機、GPS 數據處理軟件、導航軟件都遵守或兼容這個議。GPS 接收機根據NMEA0183 協議的標準規范，以ASCII 碼的形式將位置、速度等信息通過串口傳送到外部設備。NMEA0183 協議定義的語句中最常用兼容性最廣的有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等，它們定義了6 種數據幀類型，每種數據幀都包含了有關當前位置的詳盡的定位信息，通過提取和解析相關數據幀，即可獲取當前所在點的位置信息。所有NMEA 數據幀格式均以ASCII 碼“$”開始，以回車換行符（即CRLF）結束，ASCII 碼“$”后是一個5 字符的標志符，信息中的數據區是由ASCII 碼的逗號來劃分界限，ASCII 碼“*”之后的為校驗和。本系統實現定位導航功能只需獲得所在位置的經度、緯度、速度、方向、時間等GPS定位數據，因此只需對GPRMC（推薦最小定位信息）數據幀進行提取和解析。如圖 所示是GPRMC 數據幀的格式圖 $GPRMC 幀的格式本系統的 GPS 接收機通過RS232 標準的接口與開發板的串口連接，進行輸入/輸出通信。因此要獲取GPS 定位數據，就要在嵌入式linux 環境下開發GPS 應用程序，通過串口I/O 操作，與GPS 接收機進行數據交互。移植的嵌入式 Linux 內核源碼中包含了完整的串口驅動程序，串口驅動程序通過ttyS 設備進行注冊，其中串口串口2 對應的設備名依次為“/dev/ttyS0”、“/dev/ttyS1”。對串口的操作就跟普通文件一樣。GPS 串口I/O 的應用開發流程包含以下幾個步驟：首先調用open 函數打開串口；接下來設置串口屬性為：波特率4800bps，數據位8 位，停止位1位，無校驗位；然后調用read/write 函數讀寫串口；最后待所有操作結束后調用close 函數關閉串口。GIS 地圖子系統最主要的是實現數字地圖的功能。該模塊負責讀取保存在存儲介質中的數字地圖，經過坐標相關的轉換處理，最后將地圖繪制到顯示設備中。同時將GPS 定位模塊輸出的定位信息顯示出來，并在地圖上標注出當前位置，起到可視化定位導航的目的。本文選擇完全開放的交換地圖數據格式 MIF（MapInfo Interchange Format）格式作為本系統的地圖數據源。MIF 地圖數據文件是以純文本方式存儲的，完全開放的明碼形式的數據格式，開發者可以完全地了解和解析其中的任意字段內容，對程序開發和數據交換提供了極大的便利。MIF 格式地圖數據的點、線、面要素可以存儲在同一個文件中。除了各點坐標之外，還詳細記錄了點、線、面要素的形狀和顏色等繪圖特征，圖形繪制效果較好。系統矢量地圖數據是由 MIF 格式的文件和MID 格式的文件共同組成。其中，MIF 文件存儲所有空間對象的圖形數據，主要包括每個點對象的點位坐標、符號樣式；每個線對象的節點個數、節點坐標、線樣式；每個面對象的包含的子面個數、每個子面的節點數、節點坐標、填充模式等內容。而MID 文件則按記錄順序保存了每個空間對象的所有屬性信息數據。這兩個文件都是文本性質的文件，用戶可以方便地通過相應的文件讀寫方法實現對文件內容的讀寫。在詳細了解地圖數據格式的基礎上，可分別讀取 MIF/MID 文件中的各字段信息，構造地圖各圖元對象。為了使地圖圖元要素的圖形信息與屬性信息相匹配，在讀取MIF 文件中要素的圖形數據時，要同時對同名的MID 文件中相應要素的屬性數據進行讀取。讀取MIF文件中的點信息比較簡單，只要按順序讀取各坐標和屬性即可。而在讀取線狀和面狀圖元時，需要先判斷有幾個線段和面塊區域，然后分別讀取各線段和面塊的各點坐標及其屬性。地圖子系統需要建立一個層次清晰合理的地圖對象體系結構，包含各類型地圖圖元的圖形和屬性信息，并提供繪制、數據轉換、幾何操作相關等方法。如圖 所示為系統地圖數據對象模型。其中MapLayer 類為地圖圖層（對應MIF 地圖文件），負責管理圖層中的所有圖形要素。圖層中包含各種類型的圖元對象MapObject，圖元又包含圖形幾何數據MapGeometry和屬性數據MapAttr。幾何數據可用于圖元圖形的繪制和幾何操作，屬性數據則用于圖元的標注和查找。SpatialReferenceSys 定義的是相關的空間參考系統，投影和坐標系等，用于實現坐標轉換和幾何操作等。三種圖元幾何數據類型即基本的點、線、面類型，分別為MapPoint、MapPline、MapRegion