【正文】 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第IV頁(yè)基于ARM的嵌入式GPS通訊摘 要由于全球定位系統(tǒng)在航天、航空、航海、海洋上程、大地測(cè)量、陸地導(dǎo)航以及軍事上的大量運(yùn)用及其廣闊的應(yīng)用前景，使得GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域競(jìng)相研究的對(duì)象。在構(gòu)建系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究GPS 地圖定位導(dǎo)航關(guān)鍵理論和技術(shù)，包括定位數(shù)據(jù)協(xié)議分析，系統(tǒng)數(shù)字地圖選擇，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，矢量地圖的可視化和漫游、縮放等操作，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)上層GPS、地圖軟件模塊，從而實(shí)現(xiàn)GPS 地圖定位導(dǎo)航功能。 Linux。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。 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的及意義從美國(guó)的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)開(kāi)始，這項(xiàng)以位置信息為聚焦點(diǎn)的技術(shù)逐漸進(jìn)入了人們的視野，并受到了極大的重視，發(fā)展速度迅猛。在這樣的背景下，考慮無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)和安全防護(hù)需求，定位技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的基于位置信息的安全防護(hù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而且必將有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。因此本文通過(guò)研究嵌入式 GPS地圖定位導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)理論、方法和技術(shù)，提出一套結(jié)構(gòu)完整的基于 ARM/linux的嵌入式 GPS地圖定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)。越來(lái)越多的設(shè)備需要復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)，因此為了適應(yīng)嵌入式設(shè)備的復(fù)雜性和多樣性，縮短其開(kāi)發(fā)周期，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers)的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”,這主要是從應(yīng)用上加以定義的。因此，目前通常把嵌入式系統(tǒng)概念的重點(diǎn)放在操作系統(tǒng)上，指能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體。輸入可以是來(lái)自傳感器的電信號(hào)，或者是來(lái)自人的命令，比如按下按鈕。在一些單機(jī)系統(tǒng)中，執(zhí)行某項(xiàng)特定任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間不是至關(guān)重要的。如果該任務(wù)未能30毫秒內(nèi)完成則可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。這些系統(tǒng)能夠監(jiān)控某些參數(shù)(比如溫度和壓力)并將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到中央系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。移動(dòng)設(shè)備隨著能夠支持極高速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，移動(dòng)設(shè)備除語(yǔ)音服務(wù)外還能支持高速數(shù)據(jù)服務(wù)。 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)大體上看，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比有一下幾個(gè)主要的不同點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定系統(tǒng)應(yīng)用的。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須具備高度可定制性。嵌入式系統(tǒng)不具備本地系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力，通常需要有一套專門的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。因此，RISC設(shè)計(jì)對(duì)編譯器有更高的要求。2 需求分析需求分析是對(duì)用戶提出的軟件功能、性能等應(yīng)用問(wèn)題及其環(huán)境進(jìn)行分析與理解，采用一系列的分析方法和技術(shù)，把系統(tǒng)分析階段產(chǎn)生的系統(tǒng)規(guī)格說(shuō)明和項(xiàng)目規(guī)劃逐步精確化、完全化、一致化，借助于當(dāng)前系統(tǒng)的邏輯模型導(dǎo)出目標(biāo)系統(tǒng)邏輯模型，最終形成需求規(guī)格說(shuō)明文檔的過(guò)程。 技術(shù)可行性分析嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是目前最流行的一種連接軟件與硬件的系統(tǒng)，功能及其強(qiáng)大。由于嵌入式系統(tǒng)的專用性和多樣性，在嵌入式系統(tǒng)上部署Linux系統(tǒng)一般都需要進(jìn)行大量的繁瑣的移植工作，因此，探索在特定嵌入式平臺(tái)上構(gòu)建定制嵌入式Linux系統(tǒng)的一般原理和方法，可以減少移植工作的盲目性，加快嵌入式Linux 主要研究?jī)?nèi)容到目標(biāo)平臺(tái)的移植進(jìn)度，加速產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間(Time to Market)。由于GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)原有的硬件設(shè)施很完善，整體達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的要求并不需要很大的軟硬件投入。 法律可行性分析本系統(tǒng)沒(méi)有違反國(guó)家相關(guān)法律，法律方面可行。嵌入式 GPS 地圖定位導(dǎo)航系統(tǒng)是綜合運(yùn)用GPS 定位技術(shù)、GIS 地理信息技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)等多種高新技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)，能夠?yàn)橛脩籼峁╇S時(shí)隨地的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。對(duì)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)基于開(kāi)放系統(tǒng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的，安全、穩(wěn)定、低成本的嵌入式GPS 地圖定位導(dǎo)航系統(tǒng)作出有益的探索。 移動(dòng)定位技術(shù)的飛速發(fā)展和全球移動(dòng)用戶數(shù)量的迅猛增長(zhǎng)，也為基于用戶位置的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)（Location Based Service，LBS）提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和極其誘人的市場(chǎng)前景。其中UPTECHPXA255 采用Intel XScale 架構(gòu)PXA255 嵌入式微處理器，UPTECHPXA270A 和UPTECHPXA270S 基于Intel XSCALE 架構(gòu)最新的PXA270 嵌入式微處理器?？蛇\(yùn)行Linux 和Linux 內(nèi)核，支持QT/E、miniGUI 等嵌入式圖形界面，提供完整的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序。GPS 的主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）全球，全天候工作：能為用戶提供連續(xù)，實(shí)時(shí)的三維位置，三維速度和精密時(shí)間。 GPS 由三個(gè)獨(dú)立的部分組成：● 空間部分：21 顆工作衛(wèi)星，3 顆備用衛(wèi)星。GPS 定位原理：GPS 定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。 c 為GPS 信號(hào)的傳播速度（即光速）。Vto 為接收機(jī)的鐘差。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS 觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。GPS15 與PC 串口的連接見(jiàn)示意圖如下：圖 串口輸出協(xié)議：輸出NEMA0183 格式的ASCII 碼語(yǔ)句，輸出：GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG（NMEA 標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句）；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV（GARMIN 定義的語(yǔ)句）。在具體的應(yīng)用場(chǎng)合，有時(shí)會(huì)要求模塊輸出不同的波特率，或輸出其他語(yǔ)句信息，因此，需要通過(guò)相應(yīng)軟件修改GPS 模塊的缺省配置。且有很好的軟硬件及操作系統(tǒng)支持，提供了全面的、通用的片上外設(shè)，大大降低了系統(tǒng)的成本。系統(tǒng)提供兩個(gè)RS232 標(biāo)準(zhǔn)的串口，其中串口1 用于連接GPS 接收模塊，獲取GPS 定位數(shù)據(jù)，串口2 用于系統(tǒng)控制臺(tái)調(diào)試功能。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)組成如圖所示：圖 依據(jù)功能將系統(tǒng)軟件平臺(tái)層次分為硬件抽象層 HAL/BSP、嵌入式操作系統(tǒng)Kernel、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、中間件層、應(yīng)用平臺(tái)層和應(yīng)用層等。操作系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)處理器管理、存儲(chǔ)器管理和進(jìn)程調(diào)度等，其系統(tǒng)調(diào)用為應(yīng)用層提供操作硬件的接口和開(kāi)發(fā)API。我們只需要開(kāi)發(fā)或移植系統(tǒng)中特定型號(hào)設(shè)備如LCD、觸摸屏、網(wǎng)口等的驅(qū)動(dòng)程序即可，非常方便。應(yīng)用平臺(tái)采用建立在 Qt/E 之上的Qtopia，它是一個(gè)類似桌面系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，為基于Linux 操作系統(tǒng)的智能終端提供了一個(gè)完整的圖形環(huán)境。在本系統(tǒng)中該層最主要的就是實(shí)現(xiàn)GPS 定位信息的接收和處理，以及GIS 數(shù)字地圖兩大核心業(yè)費(fèi)信息功能，并提供圖形用戶界面。NMEA0183 協(xié)議定義的語(yǔ)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(shù)據(jù)幀類型，每種數(shù)據(jù)幀都包含了有關(guān)當(dāng)前位置的詳盡的定位信息，通過(guò)提取和解析相關(guān)數(shù)據(jù)幀，即可獲取當(dāng)前所在點(diǎn)的位置信息。因此要獲取GPS 定位數(shù)據(jù)，就要在嵌入式linux 環(huán)境下開(kāi)發(fā)GPS 應(yīng)用程序，通過(guò)串口I/O 操作，與GPS 接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。GIS 地圖子系統(tǒng)最主要的是實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖的功能。MIF 地圖數(shù)據(jù)文件是以純文本方式存儲(chǔ)的，完全開(kāi)放的明碼形式的數(shù)據(jù)格式，開(kāi)發(fā)者可以完全地了解和解析其中的任意字段內(nèi)容，對(duì)程序開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)交換提供了極大的便利。其中，MIF 文件存儲(chǔ)所有空間對(duì)象的圖形數(shù)據(jù)，主要包括每個(gè)點(diǎn)對(duì)象的點(diǎn)位坐標(biāo)、符號(hào)樣式；每個(gè)線對(duì)象的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、線樣式；每個(gè)面對(duì)象的包含的子面?zhèn)€數(shù)、每個(gè)子面的節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、填充模式等內(nèi)容。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(shù)據(jù)時(shí)，要同時(shí)對(duì)同名的MID 文件中相應(yīng)要素的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。如圖 所示為系統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)對(duì)象模型。SpatialReferenceSys 定義的是相關(guān)的空間參考系統(tǒng)，投影和坐標(biāo)系等，用于實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和幾何操作等。而地圖在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行繪制和幾何操作，并最終顯示在屏幕上，使用的是平面直角坐標(biāo)系。目前我國(guó)現(xiàn)行的大于及等于1:50 萬(wàn)比例尺的各種地形圖都采用高斯克呂格投影，即高斯投影[6]。圖層類 MapLayer 中保存一個(gè)地圖文件中的所有圖元要素，在類MapPoint、MapPline、MapRegion 中，使用QPointArry 類型的成員分別保存點(diǎn)、線、面等圖元圖形數(shù)據(jù)中的點(diǎn)坐標(biāo)集合。使用這個(gè)方法可以在地圖進(jìn)行平移等幾何操作時(shí)，不需要重復(fù)繪制已繪制的部分，提高了程序效率。地圖數(shù)據(jù)模塊：負(fù)責(zé)讀取電子地圖文件，保存地圖數(shù)據(jù)。GPS 接收模塊：負(fù)責(zé)定時(shí)讀取GPS 接收機(jī)的數(shù)據(jù)，解析出地理經(jīng)緯度坐標(biāo)、時(shí)間、速度與方向等信息，提供給其他模塊使用。當(dāng)GPS 接收機(jī)開(kāi)始工作后，在主進(jìn)程中偵聽(tīng)GPS 子進(jìn)程的狀態(tài)。若不在，則對(duì)當(dāng)前地圖進(jìn)行平移操作，移動(dòng)到以定位點(diǎn)為中心的區(qū)域，并drawPoint 標(biāo)示。在show_gps_info 進(jìn)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和顯示：void* show_gps_info(void * data){ while(1){ if(GET_GPS_OK){ GET_GPS_OK=FALSE。 show_gps(amp。 }}/**//* READ GPS information handler if receive the enter char ,then copy the line to GPS_BUF.*/void* receive(void * data){ int i=0。 printf(read modem\n)。 if(c == 39。 GET_GPS_OK=TRUE。 /* stdout */ } printf(exit from reading modem\n)。 printf(Latitude : % %c\n,GPSlatitude,GPSNS)。 }//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////解釋gps發(fā)出的數(shù)據(jù)//0 7 0 4 6 0 6 8 0 90 0 3 0 9 //$GPRMC,091400,A,N,E,120302,W*62 //$GPGGA,091400,N,E,1,03,M,M,*5E void gps_parse(char *line,GPS_INFO *GPS)////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////{ int i,tmp,start,end。 if(c==39。)*10+(buf[ 8]39。039。 GPS =(buf[11]39。)。)*10+(buf[tmp+1]39。039。 GPS =(b