GPS是英文Global Positioning System(全球定位系統(tǒng))的簡(jiǎn)稱(chēng),而其中文簡(jiǎn)稱(chēng)為"球位系".GPS是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) .其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù),并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的,是美國(guó)獨(dú)霸全球戰(zhàn)略的重要組成。在機(jī)械領(lǐng)域GPS則有另外一種含義:產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(Geometrical Product Specifications)-簡(jiǎn)稱(chēng)GPS.由于GPS技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn),作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力,已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。如何設(shè)計(jì)一個(gè)帶有GPS功能的移動(dòng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收和解碼,已經(jīng)是現(xiàn)在CPS應(yīng)用的熱點(diǎn)。
1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)
1.1 軟件平臺(tái)
為適應(yīng)大多數(shù)Windows用戶(hù)的使用習(xí)慣,我們?cè)O(shè)定移動(dòng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境為嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5.0,開(kāi)發(fā)過(guò)程在Windows XP操作系統(tǒng)下進(jìn)行。開(kāi)發(fā)軟件為Visual Studio 2005,編程語(yǔ)言為C++。VS2005是Windows操作系統(tǒng)下的一套完整的開(kāi)發(fā)工具,用于生成ASP Web應(yīng)用程序、XML Web services、桌面應(yīng)用程序和移動(dòng)應(yīng)用程序。通過(guò)使用這些工具和.NETFramework精簡(jiǎn)版,可以在個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、移動(dòng)電話(huà)和其他資源受約束的設(shè)備中,創(chuàng)建、生成、調(diào)試和部署在.NET Framework精簡(jiǎn)版上運(yùn)行的應(yīng)用程序。
WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ),它是一個(gè)開(kāi)放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng),是基于掌上型電腦類(lèi)的電子設(shè)備操作系統(tǒng),它是精簡(jiǎn)的Windows 95,Windows CE的圖形用戶(hù)界面相當(dāng)出色。Windows CE 被設(shè)計(jì)成針對(duì)小型設(shè)備(它是典型的擁有有限內(nèi)存的無(wú)磁盤(pán)系統(tǒng))的通用操作系統(tǒng),Windows CE 可以通過(guò)設(shè)計(jì)一層位于內(nèi)核和硬件之間代碼來(lái)用設(shè)定硬件平臺(tái),這即是眾所周知的硬件抽象層(HAL)(在以前解釋時(shí),這被稱(chēng)為 OEMC (原始設(shè)備制造)適應(yīng)層,即 OAL; 內(nèi)核壓縮層,即 KAL. 以免與微軟的 Windows NT 操作系統(tǒng) HAL 混淆) .
1.2 硬件平臺(tái)
1.2.1 嵌入式開(kāi)發(fā)板
由于設(shè)定移動(dòng)設(shè)備使用的運(yùn)行環(huán)境為WINCE 5.0,過(guò)程中需要處理大量的數(shù)據(jù),所以對(duì)開(kāi)發(fā)板要求較高。目前WinCE 5.0支持的處理器主要有ARM、X86、PowerPC、MIPS等,其中ARM是近年來(lái)在嵌入式系統(tǒng)中很有影響力的微處理器架構(gòu)??紤]到本系統(tǒng)移動(dòng)終端的體積、功耗、成本等因素,最后決定選用arm內(nèi)核的處理器,開(kāi)發(fā)板為光嵌公司的GEC2440,主要參數(shù)如表l所示。
1.2.2 GPS接收模塊
GPS接收模塊負(fù)責(zé)接收GPS射頻信號(hào),將信號(hào)下變頻和解調(diào),輸出標(biāo)準(zhǔn)的串口信號(hào)供處理器進(jìn)行下一步處理。本設(shè)計(jì)中用到的GPS接收模塊為L(zhǎng)evave公司的GPS-R36-AT模塊,性能參數(shù)如表2所示。該接收模塊主要包含基帶芯片和射頻芯片,采用了SIRF III模塊,整合片狀陶瓷芯片,無(wú)需外加天線(xiàn),接收C/A碼衛(wèi)星信號(hào),輸出的信號(hào)為NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù),通過(guò)串口與主設(shè)備進(jìn)行通信。
2 整體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)主要依照GPS數(shù)據(jù)信號(hào)的流向來(lái)進(jìn)行。GPS數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)串口讀入到開(kāi)發(fā)板主程序,然后經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解碼獲得當(dāng)前位置的經(jīng)緯度信息,再在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)獲得當(dāng)前位置的地名,整個(gè)過(guò)程由觸摸屏進(jìn)行顯示,并通過(guò)觸摸屏完成人機(jī)交互。
2.1 串口驅(qū)動(dòng)
Microsoft eMbedded Tools封裝了Windows API函數(shù),便于Windows CE應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。在Windows CE中,所有的設(shè)備都被看成是文件。串口通信可以像訪(fǎng)問(wèn)普通文件那樣通過(guò)API通信函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)的虛擬驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)執(zhí)行特定的工作。在Windows CE下串行端口被視為用于打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)串行端口的常規(guī)可安裝的流設(shè)備,是串行設(shè)備接口的常規(guī)I/O驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用和與通信相關(guān)的具體函數(shù)的結(jié)合。Windows CE的通信函數(shù)和其它大多數(shù)Windows的通信函數(shù)相似,值得注意的是,Windows CE不支持直接對(duì)串行端口的寄存器進(jìn)行編程。
2.1.1 打開(kāi)和關(guān)閉串口
CreateFile函數(shù)用于打開(kāi)串行口。m_hDSComm=CreateFile(_T("COM2:")),GENER2IC_READ|GENER IC_WR ITE,0,NULL,OPEN_EXISTIN-G,0,NULL)。注意COM2后面要有一個(gè)冒號(hào)。第三個(gè)參數(shù)dwShareMode也必須為O,通信端口不能像文件一樣被共享。最后一個(gè)參數(shù)dwFlagsAnd-Attributes必須為0,因?yàn)閃indows CE只支持非重疊I/O。這個(gè)函數(shù)的返回值是已打開(kāi)的串行端口的句柄或者是INVALLD_HANDLE_VALUE。關(guān)閉串口可以調(diào)用CloseHandle(m_hDSComm)。
2.1.2 串口參數(shù)設(shè)置
串口設(shè)置主要是用DCB構(gòu)配置端口設(shè)置,包括波特率、停止位、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、校驗(yàn)位、流量控制和超時(shí)值等等。首先打開(kāi)串行端口,用GetCommState函數(shù)獲得當(dāng)前打開(kāi)的串口配置,然后根據(jù)需要修改DCB成員,最后用SetCommState函數(shù)設(shè)置新的串口配置。
2.1.3 設(shè)置緩沖區(qū)大小和超時(shí)
對(duì)串口來(lái)說(shuō),必須設(shè)置超時(shí)值,否則程序可能陷入到一個(gè)循環(huán)來(lái)等待來(lái)自串口的字符。這對(duì)采用WindowsCE的設(shè)備來(lái)說(shuō),將大大減少設(shè)備電池的使用時(shí)間,所以超時(shí)值是必須配置的。另外一種解決辦法就是采用多線(xiàn)程。通常,配置超時(shí)值和配置串口類(lèi)似。首先用GetCommTi-meouts函數(shù)獲得當(dāng)前串口的超時(shí)值,然后修改COM2MTIMEOUTS成員,最后用SetCommTimeouts函數(shù)設(shè)定超時(shí)值。
2.1.4 讀寫(xiě)串口
利用ReadFile和WriteFile函數(shù)讀寫(xiě)串口。需要注意的是Windows CE不支持重疊I/O,所以如果在主線(xiàn)程進(jìn)行大量讀寫(xiě)串口操作時(shí),有可能使整個(gè)程序陷入緩慢的串口等待中去,因此一般都采用多線(xiàn)程來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)串口操作。
2.2 GPS數(shù)據(jù)處理
GPS數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。GPS接收模塊通過(guò)串口2將定位數(shù)據(jù)(NMEA0183 Ver2.0)傳給開(kāi)發(fā)板,然后應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。在VS2005中,直接利用串口通信方法將定位數(shù)據(jù)讀入,接著進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的分類(lèi),并提取出所需要的信息,同時(shí)將這些有用的信息傳給主應(yīng)用程序,主應(yīng)用程序再將GPS接收模塊的控制信息整理成NEMA0183 VER2.0語(yǔ)句。
2.3 信號(hào)接收與處理
GPS接收到位置信號(hào)后,系統(tǒng)將對(duì)GPS的定位信息進(jìn)行分解并提取出有用數(shù)據(jù)。GPS信號(hào)接收和處理的過(guò)程是:通過(guò)串口2將GPS輸出的數(shù)據(jù)傳遞給開(kāi)發(fā)板,開(kāi)發(fā)板主程序獲得目標(biāo)當(dāng)前的位置(經(jīng)緯度坐標(biāo)),將接收機(jī)獲得的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,從中得到目標(biāo)當(dāng)前的位置和格林威治時(shí)間(該時(shí)間加上8小時(shí)即為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間),再將當(dāng)前位置在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún),獲得當(dāng)前的具體地點(diǎn)名。
經(jīng)緯度隨著開(kāi)發(fā)板的移動(dòng)是不斷變化的,在控件顯示時(shí)要設(shè)定一個(gè)TIMER來(lái)更新值,本程序設(shè)置的是1s,如果在實(shí)際應(yīng)用中移動(dòng)速度非??斓脑?huà)可以把TIMER更新值設(shè)得更小。
2.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用三星TFT顯示屏,分辨率為420×272。人機(jī)界面基本功能包括串口選擇控件、波特率選擇控件、經(jīng)緯度顯示框、地點(diǎn)顯示框、“搜星”按鈕、“地點(diǎn)查詢(xún)”按鈕、文本框等,具體交互界面設(shè)計(jì)如圖2所示。串口和波特率兩個(gè)控件為串口選擇和波特率的選擇,其中串口選擇控件提供串口l和串口2進(jìn)行選擇;波特率控件提供有三種設(shè)置,分別為4800、9600、19200。“搜星”按鈕為打開(kāi)對(duì)應(yīng)串口,開(kāi)始從GPS接收模塊接收數(shù)據(jù)。“地點(diǎn)查詢(xún)”按鈕用來(lái)顯示當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地點(diǎn)名,當(dāng)搜到星后,按這個(gè)按鈕,通過(guò)查詢(xún)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫(kù),就可以查到對(duì)應(yīng)地名。最下面的文本框顯示原始的數(shù)據(jù)流。
人機(jī)界面(Human–Machine Interaction,簡(jiǎn)稱(chēng)HMI),是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話(huà)接口,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱(chēng)界面所說(shuō)人機(jī)結(jié)合面,信息交換,功能接觸或互相影響,指人和機(jī)器的硬接觸和軟觸,此結(jié)合面不僅包括點(diǎn)線(xiàn)面的直接接觸,還包括遠(yuǎn)距離的信息傳遞與控制的作用空間。人機(jī)結(jié)合面是人機(jī)系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié),主要由安全工程學(xué)的分支學(xué)科安全人機(jī)工程學(xué)去研究和提出解決的依據(jù),并過(guò)安全工程設(shè)備工程學(xué),安全管理工程學(xué)以及安全系統(tǒng)工程學(xué)去研究具體的解決方法手段措施安全人機(jī)學(xué)。
3 操作系統(tǒng)移植
WinCE 5.0操作系統(tǒng)的移植主要是基于硬件平臺(tái)進(jìn)行BSP開(kāi)發(fā)。BSP是基于WinCE 5.0平臺(tái)系統(tǒng)的主要部分,它主要由一些源文件和二進(jìn)制文件組成,又稱(chēng)主板支持軟件包,它是一個(gè)主要由包含啟動(dòng)程序(bootloader)、OEM適配層程序(OAL)相關(guān)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的軟件包,另外還可以把上層的應(yīng)用也放到BSP中。在BSP內(nèi)部,通過(guò)OAL鏈接到系統(tǒng)核心,而驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)配置文件是與OAL層相互關(guān)聯(lián)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)設(shè)備和配置系統(tǒng)的功能。在BSP外部,我們可以看到一個(gè)建立在硬件平臺(tái)上的主板支持包。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以利用開(kāi)發(fā)板運(yùn)營(yíng)商提供的BSP包進(jìn)行操作系統(tǒng)的定制,定制完成后固化到Nandflash中。
4 測(cè)試
因?yàn)殚_(kāi)發(fā)板的串口2直接與GPS接收模塊的串口相連,所以串口設(shè)置選擇串口2。波特率應(yīng)與GPS接收模塊匹配,設(shè)置為4800。GPS模塊為上電即啟動(dòng),并且不能關(guān)閉,所以點(diǎn)擊“搜星”按鈕即可接收數(shù)據(jù)。啟動(dòng)“搜星”按鈕后1min左右,就能顯示正確的經(jīng)緯度。點(diǎn)擊“地點(diǎn)查詢(xún)”按鈕,能正確顯示地點(diǎn)信息。最下面的文本框可以顯示原始的數(shù)據(jù)流。測(cè)試時(shí)實(shí)拍的照片如圖2所示。
5 總結(jié)
文章以VS2005為軟件平臺(tái),利用基于arm處理器的WinCE 5.0嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)和GPS接收模塊,通過(guò)合理使用串口通信,實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)信號(hào)的接收與解碼,并利用觸摸屏進(jìn)行顯示,已基本具備GPS移動(dòng)設(shè)備的雛形。