基于S3C2440的車載GPS／GPRS跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)個人及集群車輛的安全管理，在S3C2440的硬件平臺基礎上，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)強大的內核與外設的功能，開發(fā)了具有導航跟蹤與監(jiān)控功能的智能終端系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)各個部分的組成原理與設計方法，優(yōu)化了通信服務器的性能，解決了同類產品普遍存在的通信服務器性能瓶頸問題。
關鍵詞：ARM；GPS；GPRS；Linux

0 引言
    隨著交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，定位導航系統(tǒng)的應用范圍和領域也越來越廣泛，基于GPS，GPRS／GSM，GIS等的車輛跟蹤與監(jiān)控系統(tǒng)正在受到人們越來越多的青睞，顯示出強大的發(fā)展?jié)摿?。GPS(Global Position System，全球定位系統(tǒng))是美國從20世紀70年代開始的研制。19 93年正式投入運行，它能夠全球、全天候、連續(xù)實時地為用戶提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息。GPS的出現(xiàn)從根本上改變了人們獲取空間信息的方式，特別是在交通工具導航、監(jiān)控、跟蹤等領域具有很大的應用價值和發(fā)展?jié)摿Α?br />     本文在ARM9的硬件平臺基礎上，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)強大的管理平臺的內核與外設的功能，開發(fā)了具有導航跟蹤與監(jiān)控功能的智能終端系統(tǒng)。

1 跟蹤系統(tǒng)概述
    根據(jù)車載系統(tǒng)的實際需要，本文在分析GPS的定位原理與GPRS的無線網(wǎng)絡結構及特點的基礎上，對硬件平臺各器件和模塊進行選擇，提出了終端硬件電路的設計方案；對實時嵌入式操作系統(tǒng)Linux的啟動代碼移植、內核定制、根文件系統(tǒng)的制作、驅動開發(fā)等方面進行了研究；通過選擇導航電子地圖數(shù)據(jù)，坐標轉換庫和圖形用戶界面等設計了終端的應用程序，并為服務中心的導航監(jiān)控程序給出一個可行的方案。

2 硬件設計
    本系統(tǒng)的終端是以ARM9TDMI-S內核的三星S3C2440A為中央處理器，外設模塊有GPS模塊，GPRS模塊；使用實時多任務內核為Linux 2．6．14。

    本系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示，系統(tǒng)結構分為六部分，分別為處理器、存儲系統(tǒng)、人機接口系統(tǒng)、GPS定位部分、電源管理、GPRS無線通信部分。使用S3C2440作為主控處理器芯片協(xié)調其他四個子系統(tǒng)正常工作，完成GPS定位數(shù)據(jù)采集、存儲、圖形顯示、音頻采集與播放、用戶輸入，以及與GPRS的通信功能。
2．1 S3C2440介紹
    S3C2440是三星推出的一款基于ARM920TDMI-S內核的16／32位RISC嵌入微處理器，它是專為手持設備與一般的消費電子而設計的，能滿足小型嵌入式系統(tǒng)中低成本低功耗高性能小體積的要求，頻率穩(wěn)定運行在405 MHz，最高可達533 MHz。S3C2440集成了豐富的片上資源，在開發(fā)過程中可有效減少外圍的設備部件，以降低系統(tǒng)的成本。
2．2 存儲系統(tǒng)
    本系統(tǒng)使用的SDRAM是由韓國現(xiàn)代公司的HY57V561620芯片，作為數(shù)據(jù)存儲空間。該芯片具有32 MB的存儲空間和16 b數(shù)據(jù)寬度，適合需要大容量和高帶寬的嵌入式系統(tǒng)使用，芯片采用3．3 V的外部電源。整個存儲空間被分為4個Bank，每個Bank的容量為4M×16 b。
    使用的NAND FLASH是三星公司推出的K9F1208芯片，作為程序存儲空間。芯片工作電壓為3．3 V，該芯片的存儲容量為64 MB，整個存儲空間被分為4096個Block，每個Block又被分成32個Page，而每個Page的容量為528B(512 B+16B)，其中16B空間是作為I／O緩沖器使用的。
    考慮到系統(tǒng)需要存儲大量的地圖信息，而NANDFLASH只有64 MB，其中絕大部分的空間已被Linux操作系統(tǒng)的啟動代碼及操作系統(tǒng)的鏡像和系統(tǒng)根文件系統(tǒng)占用。因此，在設計系統(tǒng)時加入了SD卡接口電路。S3C2440集成了SDI接口，該接口支持各種容量的SD卡，并可工作在DMA模式和中斷模式。
2．3 人機接口模塊
    LCD液晶屏由于具有體積小、重量輕、低電壓、低功耗等特點，非常適合本系統(tǒng)的要求。LCD屏顯示圖像，不但需要LCD驅動器，還需要有相應的LCD控制器。LCD控制器則有專門的外部電路來實現(xiàn)。
    S3C2440芯片集成了LCD控制器，可以支持各種單色，偽彩，真彩液晶屏，TFT彩屏，還提供1通道的LCD專用DMA。本系統(tǒng)中所外接的LCD是NEC 3．5寸觸摸式、彩色液晶屏，型號為NL2432HC22-23B。
2．4 GPS模塊
    GPS系統(tǒng)采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。通過對4顆或4顆以上的GPS衛(wèi)星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。根據(jù)所接收到的經(jīng)緯度信息，與電子地圖數(shù)據(jù)進行比較，可在地圖上顯示出車輛當前的位置和行駛方向。
    GPS模塊是GPS15L／H。接口特性如下：RS 232輸出，可輸入RS 232或者具有RS 232極性的TTL電平?？蛇x的波特率為：300 b／s，600 b／s，1 200 b／s，2 400 b／s，4 800 b／s，9 600 b／s，19 200 b／s。
    串口輸出協(xié)議：輸出NEMA0183格式的ASCII碼語句，輸出：GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG(NMEA標準語句)；PGRM B，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV(GARMIN定義的語句)。還可將串口設置為輸出包括GPS載波相位數(shù)據(jù)的二進制數(shù)據(jù)。輸入：初始位置、時間、秒脈沖狀態(tài)、差分模式、NMEA輸出間隔等設置信息。在缺省的狀態(tài)下，GPS模塊輸出數(shù)據(jù)的波特率為4 800 b／s，輸出信息包括：GPRMC，GPGGA，GPGSA，GPGSV，PGRME等，每秒鐘定時輸出。
2．5 GPRS模塊
    考慮到監(jiān)控車輛是移動的，因此車載終端和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸必須采用無線的方式。本系統(tǒng)采用西門子公司的GPRS模塊SIM300，該模塊適合工作在環(huán)境變化大，周圍環(huán)境較惡劣的場所。本模塊具有標準AT命令接口，可以提供GSM語音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，本系統(tǒng)只要實現(xiàn)S3C2440與模塊之間的通信，并將GPS的經(jīng)緯信息發(fā)給服務中心，并進行服務中心與客戶終端之間的話音信息傳送。

3 應用程序的設計
3．1 導航程序的設計思路
    開發(fā)終端導航應用軟件至少做以下幾個方面的工作：
    (1)導航電子地圖一般都是分層的數(shù)字矢量地圖，具有一定的分層結構，比如道路層、興趣點層、文本層等。它提供最低層的地理位置經(jīng)緯度信息，還有對經(jīng)緯度信息以及每個數(shù)據(jù)字段進行詮釋的相關文檔。
    (2)平面、球面坐標的轉換程序，導航電子地圖的原始數(shù)據(jù)都是經(jīng)緯度的坐標信息，需要將這些經(jīng)緯度的坐標信息轉換為平面坐標的形式才能制作出電子地圖。在開發(fā)過程中，實現(xiàn)某種功能還需要平面坐標和球面坐標的來回轉換。
    (3)圖形用戶界面。本系統(tǒng)選用QT／Embeded來作為圖形用戶接口界面。QT Designer是一個跨平臺的符合C++規(guī)范的圖形用戶界面程序開發(fā)工具。QT本身是一個類庫，它遵循C++規(guī)范，同時對C++作了一些擴充。它主要用于Linux系統(tǒng)，是構造KDE桌面環(huán)境的基礎。
3．2 導航程序的開發(fā)
    導航電子地圖數(shù)據(jù)實際上是分層的矢量地圖形式，首先需要使用QT的圖形顯示函數(shù)將矢量地圖分層畫出，分為道路層、道路名層、交叉結點層、興趣點層等，然后在此基礎上開發(fā)出相應的功能。整幅地圖可用一個對象來表示，每個矢量地圖層可看作是大對象內的一個小對象，它們之間是包含關系。以后的操作是根據(jù)不同的功能對不同的矢量層對象進行操作。
3．3 服務中心的程序設計
    服務中心的軟件，主要負責對車輛的位置進行監(jiān)控，并對運營車輛進行調控。設計本系統(tǒng)時，為節(jié)省開發(fā)時間，使用了第三方的地圖軟件，在開發(fā)時主要做的就是在PC機端接上GPRS模塊，用于接收終端發(fā)送過來的位置信息，把接收到的信息進行解析，并把取得的數(shù)據(jù)提供給地圖軟件。
    車輛跟蹤監(jiān)控是系統(tǒng)最基本、最重要的功能，是指系統(tǒng)有效運行時對車輛行駛狀態(tài)進行實時監(jiān)控，在電子地圖上實時地顯示地圖匹配后受控車輛的運行軌跡。監(jiān)控中心通信服務器接收到車載單元發(fā)送來的信息后轉發(fā)給指定的監(jiān)控臺，監(jiān)控臺系統(tǒng)軟件對定位數(shù)據(jù)解析后，根據(jù)位置信息將車輛在電圖上顯示出來。車輛跟蹤監(jiān)控程序設計流程圖如圖2所示。

4 Linux交叉編譯環(huán)境的建立及程序的實現(xiàn)
    基于Linux操作系統(tǒng)的應用開發(fā)環(huán)境一般是由目標系統(tǒng)硬件(開發(fā)板)和宿主PC機所構成。目標硬件開發(fā)板用于運行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應用軟件，而目標板所用到的操作系統(tǒng)的內核編譯、應用程序的開發(fā)和調試則需要通過宿主PC機來完成(所以稱為交叉編譯)。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。
4．1 Boot-loader啟動代碼的原理
    在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)引導程序(Boot-loader)可以完成對ARM板上的主要部件如CPU，SDRAM，F(xiàn)LASH，串行口等進行初始化操作，也可以下載文件到系統(tǒng)板，對FLASH進行擦除與編程。Boot-loader主要作用是初始化一些必要的設備，然后調用內核，同時傳遞參數(shù)給內核。其工作流程如下：檢測SDRAM的位置和大小并進行初始化；初始化并啟動一個串口，作為內核的控制臺；檢測系統(tǒng)結構，檢測機器類型；創(chuàng)建和初始化內核，傳遞系統(tǒng)內存的大小和位置，以及根文件系統(tǒng)的位置。
4．2 配置MINICOM
    在Linux操作系統(tǒng)Xwindow界面下建立終端(在桌面上點擊右鍵→新建終端)，在終端的命令行提示符后輸入MINICOM，回車，出現(xiàn)WINCOM的啟動畫面，然后按照提示設置即可。
4．3 編程和調試
    在此交叉編譯環(huán)境下，根據(jù)前面提到的GPS定位原理，經(jīng)過編程和調試，在目標平臺的液晶顯示屏上可顯示本地的地理位置信息。

5 結論
    本文在分析課題的研究背景與意義，根據(jù)系統(tǒng)的需求，給出系統(tǒng)的總體設計方案，完成了基于S3C2440的ARM9處理器設計的車載GPS／   GPRS系統(tǒng)的設計研究，包括系統(tǒng)硬件平臺的設計以及嵌入式操作的移植和上層應用軟件開發(fā)的總體思路。
    基于S3C2440硬件平臺，利用Linux嵌入式操作系統(tǒng)進行平臺資源的整合，并根據(jù)GPS提供的位置信息進行車輛定位，利用GPRS無線通信手段實現(xiàn)終端與服務中心的通信，完成車輛的監(jiān)控。本系統(tǒng)對通信服務器的性能做了優(yōu)化，解決了同類產品普遍存在的通信服務器性能瓶頸問題，能夠為使用者帶來管理和決策的信息化依據(jù)，提供管理的科學性與準確性。