摘? 要: GPS信息的采集是導航定位系統(tǒng)的重要組成部分。分析了GPS普遍采用的NMEA-0183通信協(xié)議,然后介紹了目標平臺及交叉編譯環(huán)境的建立。在此基礎上實現(xiàn)了嵌入式ARM-Linux平臺下GPS的數(shù)據(jù)采集與處理,為導航定位系統(tǒng)或者GIS系統(tǒng)的應用奠定了基礎。
??? 關鍵詞: NMEA-0183協(xié)議;GPS;ARM-Linux;交叉編譯
?
定位和導航是很多便攜移動設備以及汽車電子設備的重要功能之一,所以GPS在上述設備中得到了廣泛的應用?;贏RM-Linux的嵌人式平臺以其開放性、安全性、健壯性和穩(wěn)定性越來越成為各種便攜設備和車載導航設備的主要開發(fā)平臺。如何實現(xiàn)GPS模塊和嵌人式ARM-Linux平臺之間的通信成了實現(xiàn)系統(tǒng)定位導航的基礎。
本文主要研究GPS模塊與ARM-Linux平臺之間采用異步串行傳送方式進行數(shù)據(jù)傳送的問題,利用多線程編程技術實現(xiàn)GPS信號采集與處理,并介紹了一種WGS坐標向地方坐標的轉換方法。與GPS通信可選的協(xié)議有很多種,目前普遍采用的是NMEA-0183通信協(xié)議。
1 NMEA-0183通信協(xié)議
NMEA-0183協(xié)議[1]是為了在不同的GPS導航設備中建立統(tǒng)一的海事無線電技術委員會(BTCM)標準,由美國國家海洋電子協(xié)會NMEA(National Marine Electronics Association)制定的通信協(xié)議,其中規(guī)定了海用和陸用GPS接收設備輸出的定位位置數(shù)據(jù)、時間、衛(wèi)星狀態(tài)、接收機狀態(tài)等信息。除NMEA-0183協(xié)議之外,還有差分用的RTCMSC-104格式,各個廠商互不兼容的二進制格式等,但以NMEA-0183使用最廣泛。為實現(xiàn)ARM-LINUX平臺與GPS之間的通信,應清楚協(xié)議規(guī)定的GPS輸出的數(shù)據(jù)格式和報文。NMEA-0183規(guī)定的格式如下:
??? 波特率:4 800 b/s
??? 數(shù)據(jù)位:8 bit
??? 奇偶校驗:無
??? 開始位:1 bit
??? 停止位:1 bit
??? 報文格式:報文的語句串(十進制ASCII碼)格式全部信息如圖1。
?
圖1中具體內(nèi)容:$為串頭,表示串開始;GP為交談識別符。XXX為語句名,NMEA規(guī)定的常用語句有以下6種:GGA,衛(wèi)星定位信息;GLL,地理位置-經(jīng)度和緯度;GSA,GNSS DOP偏差信息,說明衛(wèi)星定位的信號的優(yōu)劣情況;GSV,GNSS天空范圍內(nèi)的衛(wèi)星;RMC,最基本的GNSS信息,指能夠達到定位目的的基本信息等語句。ddd為數(shù)據(jù)字段,字母或數(shù)字,“,”為域分隔符;*表示串尾;hh表示$與*之間所有字符代碼的校驗和;
??? 在實際的GPS應用中,并不會用到NMEA的全部信息,而是根據(jù)具體的需要,從中選取有用的信息,忽略其余的信息內(nèi)容。下面以GPRMC語句為例來介紹。該語句包含時間、日期、方位、速度和磁偏角等信息,基本上可以滿足一般的導航需求。GPRMC語句的結構為:$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,*hh
??? 數(shù)據(jù)區(qū)說明如下:
??? (1)UTC時間,hhmmss.sss(時分秒.毫秒)格式;
??? (2)定位狀態(tài),A=有效定位,V=無效定位;
??? (3)緯度ddmm.mmmm (度分)格式(前面的0也將被傳輸);
??? (4)緯度半球N(北半球)或S(南半球);
??? (5)經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);
??? (6)經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng));
??? (7)地面速率(000.0~999.9節(jié),前面的0也將被傳輸);
??? (8)地面航向(000.0~359.9度,以真北為參考基準,前面的0也將被傳輸);
??? (9)UTC日期,ddmmyy(日月年)格式;
??? (10)磁偏角(000.0~180.0度,前面的0也將被傳輸);
??? (11)磁偏角方向,E(東)或W(西)。
2 目標平臺
??? 本文中使用的是以SAMSUNG公司的ARM9系列中的16/32位RISC處理器S3C2410A芯片為核心的目標平臺。S3C2410A包含一個16/32位的RISC(ARM920T)CPU內(nèi)核、獨立的16 KB的指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存(cache)、用于虛擬內(nèi)存管理的MMU單元、LCD控制器(STN&TFT)、非線性(NAND)Flash、系統(tǒng)管理器(包括片選邏輯控制和SDRAM控制器)及3個通道的異步串口(UART)。目標板資源包括S3C2410的微處理器,主頻200 MHz;16 MB的Flash;64 MB的SDRAM;RS-232C UART接口;LCD液晶顯示屏。
??? 在目標板上選配的GPS模塊是HIMARK公司的GPS模塊,此模塊是符合民用標準的GPS接收器,信號接收性能好,功耗較小,整體工作比較穩(wěn)定。整體硬件設計框圖如圖2所示。
3 交叉編譯環(huán)境的建立
??? 基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應用開發(fā)模式通常都是宿主機+目標機[2]。目標機用于運行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應用軟件,而目標板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應用程序的開發(fā)和調(diào)試則需要通過宿主機(資源豐富處理能力強的PC)來完成,稱之為交叉編譯。雙方之間一般通過串口、并口或以太網(wǎng)接口建立連接關系。
??? (1)配置minicom:在宿主機Redhat Linux 9.0的X windows界面下新建終端,在終端命令提示符后輸入minicom-s,回車,然后按照提示設置波特率115200,8位數(shù)據(jù),1位停止位,無流控,保存退出。
??? (2)TFTP服務的配置:在終端中運行setup->system service->tftp增加TFTP服務,并去掉ipchains和iptables 兩項,然后在Firewall configuration,選中no firewall,保存退出,執(zhí)行service xinetd restart啟動TFTP服務。
??? (3)NFS服務器的配置:在終端中運行setup->system service->NFS,增加NFS服務,然后編輯文件exports,添加與目標機共享的目錄,并設置目標機對目錄的訪問權限,重新啟動NFS服務。
??? (4)Linux內(nèi)核移植:通過并口,宿主機向目標開發(fā)板的Flash燒寫引導程序ppcboot,燒寫完畢后通過TFTP服務把經(jīng)過裁剪的Linux內(nèi)核鏡像文件以及根文件系統(tǒng)下載到目標板的RAM中,然后由ppcboot完成內(nèi)核及根文件系統(tǒng)從內(nèi)存到Flash的燒寫。最后需要在宿主機安裝主編譯器Arm-linux-gcc,用來交叉編譯應用程序。
4 GPS信號的采集和處理
??? 為實現(xiàn)ARM-Linux平臺下GPS信號的采集與處理,涉及到Linux下串口編程技術,首先給出Linux串口通信的原理,然后利用多線程編程技術來完成GPS數(shù)據(jù)采集與NMEA數(shù)據(jù)格式的解析,因解析后得到的GPS定位坐標屬于WGS84坐標,需轉換到相應的54、80坐標或地方坐標供用戶標圖定位所用,因此介紹了一種坐標轉換方法。
4.1 GPS數(shù)據(jù)采集與處理
??? 大多數(shù)GPS接收機與各種處理器平臺進行數(shù)據(jù)交換時,都采用異步串行傳送方式,提供一個符合RS-232C電氣標準的數(shù)據(jù)接口。
??? 在Linux操作系統(tǒng)中,所有設備以設備文件的形式存儲在目錄/dev/下,串口設備文件為/dev/ttyS*,在Linux中,若要設置串口的參數(shù),如改變串口的波特率、字符大小等,可通過POSIX標準終端接口[3],該接口被稱為termios,在系統(tǒng)頭文件
??? struct termios
??? {
??? tcflag_t c_iflag; /*輸人模式標志*/
??? tcflag_t c_oflag; /*輸出模式標志*/
??? tcflag_t c_cflag; /*控制模式標志*/
??? tcflag_t c_lflag; /*本地模式標志*/
??? cc_t???? c_cc[NCCS];/*特殊控制字符*/
??? }
??? 其中的c_iflag成員是用來控制輸入處理選項的,它影響到終端驅動程序將輸入發(fā)送給程序前是否對其進行處理,及怎樣對其進行處理。c_oflag成員是用來控制輸出數(shù)據(jù)的處理,并決定在發(fā)送輸出數(shù)據(jù)到顯示屏和其他輸出設備之前,終端驅動程序是否以及如何來處理它們。c_cflag用于存放各種決定終端設備硬件特性的控制標志,如串口的波特率、奇偶校驗、停止位、數(shù)據(jù)位等。存放在c_lflag 中的本地模式標志用來操縱串口如何處理輸入字符,比如是否將輸入字符顯示到顯示屏上,一般可通過此成員來設置串口為正規(guī)模式或是非正規(guī)模式。c_cc數(shù)組成員用來定義支持的特殊控制字符以及一些timeout參數(shù)。
??? 除了上面的這個包含串口參數(shù)配置的數(shù)據(jù)結構之外,termios中還包含許多控制串口特性的函數(shù)。其中重要的幾個函數(shù)如:tegetattr( )、tesetattr( )、cfsetispeed( )、cfsetospeed( )、tcflush( )。tegetattr( )用來初始化一個termios數(shù)據(jù)結構,之后可使用其他的函數(shù)來操縱由tegetattr( )返回的數(shù)據(jù)結構。完成這些操作后,使用tesetattr( )來更新串口的設置。cfsetispeed( )用來設置串口的輸入速度。cfsetospeed( )用來設置串口的輸出速度。tcflush( )用來清除所有隊列在串口的輸入與輸出。
??? 在Linux下采用多線程編程技術可大大節(jié)省系統(tǒng)的開銷,方便各線程之間通信,提高應用程序的響應,改善程序結構,從而可以提高嵌入式系統(tǒng)的性能。本文就是利用Linux下多線程編程來實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的采集和處理,在GPS模塊的初始化GPS_Initial函數(shù)中創(chuàng)建接收線程GPS_Thread_Port_Svc,在接收線程中調(diào)用GPS信息語句的解析函數(shù)GPS_Parse_Data(buf_GPS,&gps_data),進一步調(diào)用語句字符串解析函數(shù)GPS_Parse_Data_Line(char*str_gprs_data_line,GPS_DATA_TYPE*GPS_DATA)。在GPS語句的處理過程中,需對所讀取的語句進行鑒別區(qū)分,只選取其中要用的信息進行處理而忽略其余的信息,這就要根據(jù)NMEA-0183協(xié)議中規(guī)定的語句格式來進行解析。圖3給出了GPS數(shù)據(jù)處理流程。
??? 下面是程序實現(xiàn)的關鍵函數(shù)部分代碼。
??? /*包含必要的頭文件*/
??? #include
??? #include
??? #include
??? #include
??? #include
??? #include
??? #include
??? int GPS_Initial(int n_tty_no)
??? {
??? int ret_tty=-1;
??? int ret_thread=-1;
??? ret_tty=OpenComPort(n_tty_no,9600,8,“1”,‘N’);/*打開串口,并設置通信屬性,如波特率,數(shù)據(jù)位,有無奇偶校驗,停止位等*/
??? ret_thread=pthread_create(&pthr_id,NULL,GPS_
??? Thread_Port_Svc,NULL);/*創(chuàng)建接收線程*/
??? …
??? }
??? void*GPS_Thread_Port_Svc(void*pData)
{/*接收線程函數(shù)*/
??? unsigned char buf_GPS[256];
??? int ret_rd_com;
??? while(1) {
??bzero(buf_GPS,sizeof(buf_GPS));
??? ret_rd_com=ReadComPort((void*)buf_GPS,
??? sizeof(buf_GPS));/*讀串口,接收數(shù)據(jù)*/
??? GPS_Parse_Data(buf_GPS,&gps_data);
/*調(diào)用解析語句函數(shù),*/
?????? …}
??? 在GPS_Parse_Data(buf_GPS,&gps_data)函數(shù)中每接收一個GPS語句,調(diào)用一次字符串解析函數(shù)。
??? GPS_Parse_Data_Line(char*str_gprs_data_line,GPS_DATA_TYPE*GPS_DATA){
??? char*temptr;
??? temptr=str_gprs_data_line;
?/*字符串賦給臨時指針,然后對其解析*/
??? if(strncmp(temptr,RMC_DATA_L,strlen(RMC_DATA_L))==0) {/*解析RMC語句串*/
??startchar(temptr,',');
??? temptr=temptr+strlen(temptr)+12;
/*$GPRMC,HHMMSS.SSS*/
??? GPS_DATA->Time.Flag=temptr[0];
??? temptr=temptr+27;
/*A,DDMM.MMMM,N,DDDMM.MMMM,E*/
?? …}
??? 以上只是GPS信息處理的部分代碼。經(jīng)過交叉編譯調(diào)試下載至目標平臺上,運行后可得到本地地理位置信息。實驗所得數(shù)據(jù)為:時間10:28:35;緯度:北緯30°46’;經(jīng)度:東經(jīng)103°57’。用戶也可以根據(jù)需要選擇提取GPS的其他語句,只需編寫解析相應語句字符串的代碼即可。
4.2 GPS坐標的轉換
??? 上述所得的結果屬于WGS84坐標,而在工程上實用的大多是國家坐標系,因此GPS數(shù)據(jù)采集結果的使用就存在與國家坐標系間的坐標轉換問題。一般要通過兩步轉換:首先將上述實測經(jīng)緯度坐標即WGS84大地坐標(L,B)轉換為對應于WGS84橢球的高斯平面坐標(X84,Y84),然后再經(jīng)過平面坐標轉換,將高斯平面坐標(X84,Y84)強制附合到本地高斯平面坐標系統(tǒng)[4]。
??? (1)高斯投影換算
??? 將GPS采集所得出的大地坐標(L,B)轉換為高斯平面坐標(X84,Y84)。有關的推導過程較復雜,本文只給出結果:
由上述原理利用EXCEL就可以算出對應的高斯平面坐標。
??? (2)平面坐標轉換
??? 平面坐標轉換的目的就是將高斯投影換算得出平面坐標(X84,Y84)轉換為當?shù)貒易鴺讼档钠矫孀鴺恕O旅娼榻B一種平均轉軸相似轉換法,以轉換為北京54坐標系下的平面坐標(X54,Y54)為例,說明該方法實現(xiàn)過程。
??? 首先,根據(jù)公共點分別在WGS84和北京54系中的高斯平面坐標,求出該點在兩個坐標系中同一邊的方位角之差?駐?琢和長度比例系數(shù)?資,然后按下式計算任一點在北京54系中的平面坐標。
??? 將得到的X54,Y54坐標可應用于GIS系統(tǒng)標圖,實現(xiàn)導航定位。
??? GPS信息的獲取是設計導航定位系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié),本文有針對性的研究了ARM-Linux平臺與GPS接收模塊之間的串行通信?;贜MEA-0183通信協(xié)議,在Linux下通過多線程編程實現(xiàn)了GPS基本定位信息的采集與處理,所得數(shù)據(jù)滿足精度要求,為導航定位系統(tǒng)或GIS系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)基礎。
參考文獻
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[3] 馬文輝,李蘭友.Linux環(huán)境下的串口通信[J].儀器儀表用戶,2005(12):32-34.
[4] 楊貴軍,武文波.PDA環(huán)境下GPS信號的接收和處理方法[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2005(9):25-26.