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[轉]ARM-Linux平臺下GPS信號的采集與處理研究
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| 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。基于ARM-Linux的嵌人式平臺以其開放性、安全性、健壯性和穩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平臺。如何實現GPS模塊和嵌人式 ARM-Linux平臺之間的通信成了實現系統定位導航的基礎。 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據傳送的問題，利用多線程編程技術實現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通信可選的協議有很多種，目前普遍采用的是NMEA-0183通信協議。 1 NMEA-0183通信協議 NMEA-0183協議 [1]是為了在不同的GPS導航設備中建立統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會NMEA(National Marine Electronics Association)制定的通信協議，其中規定了海用和陸用GPS接收設備輸出的定位位置數據、時間、衛星狀態、接收機狀態等信息。除NMEA- 0183協議之外，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ARM- LINUX平臺與GPS之間的通信，應清楚協議規定的GPS輸出的數據格式和報文。NMEA-0183規定的格式如下： 波特率：4 800 b/s 數據位：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中具體內容：＄為串頭，表示串開始；GP為交談識別符。XXX為語句名，NMEA規定的常用語句有以下6種：GGA，衛星定位信息；GLL，地理位置-經度和緯度；GSA，GNSS DOP偏差信息，說明衛星定位的信號的優劣情況；GSV，GNSS天空范圍內的衛星；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為數據字段，字母或數字，“，”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；為回車控制符；為換行控制符。 在實際的GPS應用中，并不會用到NMEA的全部信息，而是根據具體的需要，從中選取有用的信息，忽略其余的信息內容。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。 數據區說明如下： (1)UTC時間，hhmmss.sss(時分秒.毫秒)格式； (2)定位狀態，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)經度dddmm．mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)； (6)經度半球E(東經)或W(西經)； (7)地面速率(000．0～999.9節，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內核、獨立的16 KB的指令和16 KB數據緩存(cache)、用于虛擬內存管理的MMU單元、LCD控制器(STN&TFT)、非線性(NAND)Flash、系統管理器(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，整體工作比較穩定。整體硬件設計框圖如圖2所示。
3 交叉編譯環境的建立 基于嵌入式Linux操作系統的應用開發模式通常都是宿主機+目標機[2]。目標機用于運行操作系統和系統應用軟件，而目標板所用到的操作系統的內核編譯、應用程序的開發和調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位數據，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內核移植：通過并口，宿主機向目標開發板的Flash燒寫引導程序ppcboot，燒寫完畢后通過TFTP服務把經過裁剪的Linux內核鏡像文件以及根文件系統下載到目標板的RAM中，然后由ppcboot完成內核及根文件系統從內存到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數據采集與NMEA數據格式的解析，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數據采集與處理 大多數GPS接收機與各種處理器平臺進行數據交換時，都采用異步串行傳送方式，提供一個符合RS-232C電氣標準的數據接口。 在Linux操作系統中，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，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，在系統頭文件中定義。它包括一個數據結構和一系列操縱這些數據結構的函數組成。有關串口的所有參數配置都保存在接口termios的結構struct termios中，該結構定義如下： 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據的處理，并決定在發送輸出數據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、數據位等。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模式或是非正規模式。c_cc數組成員用來定義支持的特殊控制字符以及一些timeout參數。 除了上面的這個包含串口參數配置的數據結構之外，termios中還包含許多控制串口特性的函數。其中重要的幾個函數如：tegetattr( )、tesetattr( )、cfsetispeed( )、cfsetospeed( )、tcflush( )。tegetattr( )用來初始化一個termios數據結構，之后可使用其他的函數來操縱由tegetattr( )返回的數據結構。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省系統的開銷，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的性能。本文就是利用Linux下多線程編程來實現GPS數據的采集和處理，在GPS模塊的初始化GPS_Initial函數中創建接收線程 GPS_Thread_Port_Svc，在接收線程中調用GPS信息語句的解析函數 GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data)，進一步調用語句字符串解析函數 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NMEA-0183協議中規定的語句格式來進行解析。圖3給出了GPS數據處理流程。
下面是程序實現的關鍵函數部分代碼。 /*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，數據位，有無奇偶校驗，停止位等*/ ret_thread=pthread_create(&pthr_id，NULL，GPS_ Thread_Port_Svc，NULL)；/*創建接收線程*/ … } void*GPS_Thread_Port_Svc(void*pData) {/*接收線程函數*/ 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，接收數據*/ GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data)； /*調用解析語句函數，*/ …} 在GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data)函數中每接收一個GPS語句，調用一次字符串解析函數。 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。經過交叉編譯調試下載至目標平臺上，運行后可得到本地地理位置信息。實驗所得數據為：時間10:28:35；緯度：北緯30°46’；經度：東經103°57’。用戶也可以根據需要選擇提取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數據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[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)轉換為當地國家坐標系的平面坐標。下面介紹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，說明該方法實現過程。 首先，根據公共點分別在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?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系統標圖，實現導航定位。 GPS信息的獲取是設計導航定位系統的首要環節，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。基于NMEA-0183通信協議，在Linux下通過多線程編程實現了GPS基本定位信息的采集與處理，所得數據滿足精度要求，為導航定位系統或GIS系統提供了數據基礎。 歡迎分享本文，轉載請保留出處：http://m.qingdxww.cn/thread-2712-1-1.html |
