GPS可提供連續(xù)、高精度、實時的時間基準、三維位置、三維速度、整周模糊度等數(shù)據(jù),具有性能好、精度高的特點,因而廣泛應(yīng)用于GPS載波相位測姿、精確制導(dǎo)、SINS/GPS組合導(dǎo)航、嵌入式車輛導(dǎo)航監(jiān)控等軍事與民用領(lǐng)域。而嵌入式系統(tǒng)以其低功耗、小體積、高穩(wěn)定性和便攜等優(yōu)勢,在GPS的應(yīng)用中占據(jù)重要的位置。本文研究基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式微處理器S3C2440和WindowsCE 5.0(簡稱WindowsCE)的某型軍車GPS定位信息的采集與處理。
1 系統(tǒng)硬/軟件平臺概述
車輛GPS定位信息采集系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖l所示。
該平臺可以分為3大模塊:
1)微系統(tǒng)核心模塊 由基于ARM920T的32位嵌入式微處理器S3C2440、SDRAM和Nand Flash構(gòu)成和總線接口構(gòu)成。2片32 MB的HY57V561620構(gòu)成64 MB的SDRAM存儲器,用于運行系統(tǒng)主程序。存儲容量為64 M×8 bit的Nand FlashK9F1208UOM,因其具有掉點保護功能,用于存儲操作系統(tǒng)內(nèi)核、Bootloader的啟動代碼和用戶程序。
2)GPS原始數(shù)據(jù)接收模塊 由一臺遵循NMEA-0183協(xié)議標準的GPS接收機和PS天線組成。通過外接GPS接收機,將接收到的GPS原始信息,送入到嵌入式微處理器進行數(shù)據(jù)解析,最終得出戰(zhàn)車所在位置的位置、速度和海拔等信息。
3)外設(shè)控制模塊 包括LCD+觸摸屏、USB主/從口、電源、JTAG調(diào)試接口、復(fù)位電路。選用東華的自帶4線模擬電阻式觸摸屏和硬件驅(qū)動的3.5#TFT型LCD,用于人機交互以及現(xiàn)實解析后的GPS信息。USB主口用于擴展U盤,用于數(shù)據(jù)存儲,從口用于下載WinCE內(nèi)核文件以及與軟件開發(fā)主機進行數(shù)據(jù)交互,JTAG調(diào)試接口用于硬件調(diào)試以及燒載Bootloader。
軟件平臺為微軟公司的嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE,它界面友好,支持嵌套中斷、更好的線程響應(yīng)、更多的優(yōu)先級別;支持串口和網(wǎng)絡(luò)通信;具有豐富的API函數(shù),具有強大的開發(fā)工具;多硬件平臺支持,支持ARM、MIPS等處理器。經(jīng)過Platform Builder定制移植的WindowsCE操作系統(tǒng)如圖2所示。
2 定位信息數(shù)據(jù)格式
GPS的輸出數(shù)據(jù)遵循NMEA-0183協(xié)議標準,即美海軍的電子設(shè)備標準。根據(jù)NMEA-0183協(xié)議,獲取GPS定位信息,必須將串行口的波特率設(shè)置為4800b/s,數(shù)據(jù)位設(shè)置為8 bit,停止位設(shè)置為1 bit,校驗為設(shè)置為無。該協(xié)議定義了GPS接收機輸出的標準信息,最常用、兼容性最廣的語句格式包括:$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV、$GPGSA、$GPGLL等。應(yīng)用到的GPS數(shù)據(jù)格式包括$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV三種。其中,用$GPRMC語句獲取時間、經(jīng)緯度、速度、年月日信息,用$GPGSV語句獲取海拔高度信息,用$GPGSV語句獲取可見衛(wèi)星數(shù)信息及衛(wèi)星的方位角和仰角信息,用以獲取衛(wèi)星的視圖。各語句的數(shù)據(jù)段的含義,參考NMEA-0183協(xié)議標準。
3 GPS定位信息采集和處理的軟件實現(xiàn)
本系統(tǒng)的軟件開發(fā)在可視化開發(fā)工具Embedded VisualC++(簡稱EVC)中,采用MFC編程技術(shù)實現(xiàn)。
3.1 GPS數(shù)據(jù)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)換
GPS與ARM之間用RS232串口方式進行通信,串口對象負責接收數(shù)據(jù),并把接收到的數(shù)據(jù)放置到串口緩沖區(qū)。GPS對象按照協(xié)議結(jié)構(gòu)負責處理串口對象接收到的數(shù)據(jù)。圖3為GPS數(shù)據(jù)處理之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。GPS數(shù)據(jù)處理狀態(tài)共包括4個狀態(tài):開始狀態(tài)、數(shù)據(jù)幀頭狀態(tài)、GPS數(shù)據(jù)正文狀態(tài)和校驗狀態(tài)。
開始狀態(tài)是一個數(shù)據(jù)幀的起始狀態(tài),它處理和判斷數(shù)據(jù)幀的起始字符$。若起始符號不是其中的$,則一直停留在開始狀態(tài),直到$到來位置,數(shù)據(jù)幀頭狀態(tài)用于判斷數(shù)據(jù)幀的格式是否與我們目前需要的目標數(shù)據(jù)幀相匹配。如果相匹配,那么將退轉(zhuǎn)到下一個狀態(tài):GPS數(shù)據(jù)正文狀態(tài),開始進行數(shù)據(jù)處理。如果不匹配,則轉(zhuǎn)移到開始狀態(tài)。
數(shù)據(jù)處理中用到了緩沖區(qū)的概念,它一邊累積計算接收的數(shù)據(jù)的異或和,一邊把相應(yīng)的數(shù)據(jù)域送入緩沖區(qū)。這樣既降低了數(shù)據(jù)提取校驗的復(fù)雜度,也提高了數(shù)據(jù)處理的延續(xù)性和正確性。當GPS數(shù)據(jù)正文狀態(tài)完成,進入“*”字符的時候,將進入數(shù)據(jù)校驗狀態(tài),它用于判斷數(shù)據(jù)接收和處理的有效與否。若校驗成功,則接收有效,收到CR,LF字符后又重新跳轉(zhuǎn)到開始狀態(tài)。若校驗失敗,則放棄處理的數(shù)據(jù),直接跳轉(zhuǎn)至開始狀態(tài)。
3.2 完整GPS數(shù)據(jù)幀的截取
了解了GPS數(shù)據(jù)處理的四個狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換,下面論述一個完整的GPS數(shù)據(jù)幀的提取和處理,它是獲取車輛GPS定位數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。一個完整的GPS數(shù)據(jù)幀的提取流程如圖4所示。
圖4中,m_strRecDisp為一個CString變量,用于表示接收數(shù)據(jù)的字符串,該程序流程中,用到兩個最重要的函數(shù)即:字符(串)查找函數(shù)和字符串截取函數(shù)。
1)字符(串)查找函數(shù) 該函數(shù)CString∷Find()用于從一個已有的字符串當中查找與目標字符(串)相匹配的首次出現(xiàn)的一個單字符或一個子字符串。一個重要的函數(shù)原型為:int Find(TCHAR ch,int nStart)const:其中,ch為要查找的目標字符,nStart為開始查找位置。
2)字符串截取函數(shù) 該函數(shù)CString∷Mid()用于截取一個字符,也可從一個具體位置開始截取一個子字符串,返回值即為字符或字符串常量。函數(shù)原型為:Mid(int nFirst,intnCount)const;其中nFirst為字符串開始截取的位置,nCount為截取字符數(shù)目。
3.3 GPS數(shù)據(jù)幀的處理
截取出一個完整的數(shù)據(jù)幀后,將數(shù)據(jù)幀賦值給CString變量data,data再將其字符內(nèi)容淵源不斷的送給緩沖pBuffer,解壓縮數(shù)據(jù)幀后,進入到如圖5所示的GPS數(shù)據(jù)幀處理流程。在處理GPS時間數(shù)據(jù)時,因為北京位于東八區(qū),UTC時間與北京時間相差8 h,得到UTC時間后,如果要得到標準的北京時間,應(yīng)在此時間的基礎(chǔ)上,加上8 h。
3.4 二維衛(wèi)星視圖的獲取
衛(wèi)星視圖的獲取首先要用到站心切平面坐標系。坐標系如圖6所示,站心切平面以P點的法線為Z軸且向上為正,X軸垂直于Z軸并指向北極.Y軸垂直于Z軸并向東為正。
顯然,若衛(wèi)星P與觀測點之間的距離為r,E為任意可見衛(wèi)星P的仰角,B為衛(wèi)星的方位角,則P的三維坐標為(X,Y,Z)滿足:
因為繪制的是二維圖形,故只能將半球坐標系壓縮到觀測者所在的平面內(nèi)(稱這個面為基礎(chǔ)面),圖上所表示出的衛(wèi)星的位置實際為衛(wèi)星在該平面的投影點,該坐標系的參數(shù)有2個,一個是表達衛(wèi)星的投影點和觀測者的方位關(guān)系的方位角;另一個是表達衛(wèi)星真實所在位置以基礎(chǔ)面為準與觀測者所構(gòu)成的仰角關(guān)系的仰角。有了這2個參數(shù)就能在該坐標系中唯一確定一個具有物理意義的點。本系統(tǒng)設(shè)計中,設(shè)計簡單的坐標系,它有2個同心圓和4條直線組成。繪制出衛(wèi)星視圖之前進行的簡單的坐標變換算法思想為:將衛(wèi)星實際的方位角、仰角立體坐標轉(zhuǎn)換為平面內(nèi)的橫縱(PX、PY)坐標,具體表示如式(2)所示。其中,(POX,POY)分別為兩同心圓原點(看作是觀測點)在LCD上的像素坐標,而T為對話框窗體客戶區(qū)長度的1/4。
3.5 串口接收的實現(xiàn)
完成GPS定位信息的采集,需要實現(xiàn)的串口主要的API函數(shù)包括:
1)打開串口函數(shù)。原型為Open(LPT OpenPort(LPCTSTRPort,int BaudRate,int DataBits,int StopBits,int Parity)。其中,Port代表串口名,如COMl等,BaudRate為波特率,DataBits為數(shù)據(jù)位;StopBits為停止位,Parity為奇偶校驗。
2)關(guān)閉串口函數(shù)。該函數(shù)在程序操作串口發(fā)生錯誤時使用,用于關(guān)閉該串口。實現(xiàn)的主要方法是:先判斷串口操作句柄hComm的值是否為INVALID_HANDLE_VALUE,如果是,則調(diào)用SetCommMask(),將上述代碼段中的EV_RXCHAR改為0,然后清除緩沖區(qū),再利用CloseHandle函數(shù)關(guān)閉串行口操作句柄。
3)添加打開串口單擊事件代碼,通過創(chuàng)建一個串口接收線程和顯示線程來實現(xiàn)。
4)串口接收線程CommRecvTread()與回調(diào)函數(shù)OnCommRecv()。串口接收線程為一個無限循環(huán),它不斷查詢串口接收線程退出事件m_Exit-ThreadEvent。如果退出事件有效,則該循環(huán)結(jié)束退出。如果調(diào)用讀串口函數(shù)查詢得知接收到數(shù)據(jù),則調(diào)用串口接收成功回調(diào)函數(shù)0nCommRecv()。
4 實驗數(shù)據(jù)及分析
設(shè)置好串口參數(shù)后,打開串口COMl,既可獲取實驗數(shù)據(jù)。圖7為在某型軍車上一次實測的數(shù)據(jù)。實測數(shù)據(jù)界面拍攝的時間為2009年11月10日晚上9點45分,地點為某訓(xùn)練場。數(shù)據(jù)在靜止的狀態(tài)下測得。該定位顯示的數(shù)據(jù)包括“原始數(shù)據(jù)”和解析后“經(jīng)緯度、時間、海拔”等信息。通過分析圖7(a)界面的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),$GPGSV語句有兩條,而在“星數(shù)”對應(yīng)的Edit框中顯示的定位所用衛(wèi)星數(shù)為8,由于每一條GPGSV最多能顯示4顆衛(wèi)星的信息,故$GPGSV語句為兩條。這說明星數(shù)與$GPGSV語句數(shù)是吻合的。而獲取有效的GPS定位信息,至少需要4顆定位衛(wèi)星。這也說明此次數(shù)據(jù)是有效的定位數(shù)據(jù)。
該界面顯示的經(jīng)緯度信息分別為N:38°3.6788’,E:114°29.1765’;其中,N代表北緯,E代表東經(jīng)。而用GoolgeEarth軟件查閱數(shù)據(jù)可知,石家莊軍械學(xué)院南門的精確經(jīng)度/緯度信息為:北緯38°3.1650’,東經(jīng)114°29.0046’,軍械學(xué)院西門的精確經(jīng)度/緯度信息為:北緯38°3.394O’,東經(jīng)114°28.5432’。通過與二者的經(jīng)緯度信息比對發(fā)現(xiàn),界面實時顯示的精度和緯度信息非常精確。通過實時比對標準的北京時間,說明時間和日期信息顯示也完全正確。
速度信息在靜止情況下測得,故理想的速度為0 k/s。而實際測得數(shù)據(jù)分別為0.060 00 k/s,前文已論述,1 k/s換算成標準的速度信息約0.514 444 m/s,故測得的速度誤差分別約為O.030 867 m/s??梢钥闯觯瑴y量的速度誤差相對而言是很小的。
界面顯示的海拔信息為:68.800 00 m。而通過石家莊市規(guī)劃局提供的資料可知:石家莊市區(qū)二環(huán)路內(nèi)地勢西北高,海拔高度為81.5 m,東南低,海拔高度為64.3 m。測得的海拔高度還是存在微小的誤差。這可能跟接收的GPS信號的漂移有關(guān)。從圖7(b)部分的衛(wèi)星視圖可以看出,衛(wèi)星與觀測點的方位關(guān)系能清晰的表示,而且衛(wèi)星的編號也能實時顯示,從上到下依次分別為:23、17、3、4、19、20、32、11。
5 結(jié)論
GPS定位為單點定位,用一臺接收機觀測衛(wèi)星,獨立定出觀測點在WGS-84(地心坐標)中的絕對位置。系統(tǒng)以ARM9為嵌入式微處理器,以WindowsCE為嵌入式操作系統(tǒng),通過串行口實現(xiàn)GPS接收機與ARM之間的通信,構(gòu)建了某型軍車的GPS定位信息采集系統(tǒng)。實驗表明:該系統(tǒng)能實時顯示精度較高、持久有效的GPS定位數(shù)據(jù),具有重要的實用價值和參考意義。