基于WinCE的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備利用Windows桌面系統(tǒng)在戶外易受環(huán)境影響以及攜帶不方便等不足，設(shè)計(jì)采用ARM11處理器和WinCE 6．0操作系統(tǒng)作為硬件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出一種基于ARM-WinCE 6．0的便攜式GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制GPS模塊接收數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、提取、顯示、存儲(chǔ)。這對(duì)深入理解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用和GPS在導(dǎo)航組合中應(yīng)用具有一定的實(shí)用價(jià)值，有利于提高工作效率并為定位性能的評(píng)定提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：ARM11處理器；WinCE 6．0操作系統(tǒng)；GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；導(dǎo)航組位

0 引言
    GPS(Global Positioning System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))以其高精度、全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，在定位、導(dǎo)航、測(cè)距、授時(shí)遙感等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并得到了快速的發(fā)展。對(duì)于在低功耗、高便攜性和高性能設(shè)備上實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)也顯得越發(fā)重要。傳統(tǒng)的Windows桌面系統(tǒng)體積大，占用系統(tǒng)資源較多，也不利于野外作業(yè)，而基于嵌入式系統(tǒng)的ARM硬件平臺(tái)則具有體積小、功耗低、性能高等特點(diǎn)。WinCE系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的一種類型，相對(duì)于Linux和Andriod系統(tǒng)，其開發(fā)難度要比后兩種系統(tǒng)要低，軟件調(diào)試也比較容易、靈活，并且WinCE系統(tǒng)類似桌面系統(tǒng)在軟件開發(fā)方面也較為便利。因此，在未來(lái)高性能的便攜式設(shè)備領(lǐng)域，WinCE系統(tǒng)的應(yīng)用空間將十分巨大。
    本文根據(jù)GPS信號(hào)接收原理及嵌入式技術(shù)，并遵循NMEA-0183協(xié)議，接收并解析GPS模塊的原始數(shù)據(jù)報(bào)文，設(shè)計(jì)出友好的人機(jī)界面環(huán)境，將系統(tǒng)所處的經(jīng)度、緯度、高度、速度、日期時(shí)間等信息顯示出來(lái)，解決了人工記錄數(shù)據(jù)的不足，提高了工作效率，并為車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)提供了依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    GPS數(shù)據(jù)采集界面的設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮目删幊碳夹g(shù)，在Visual Studio 2005(VS 2005)編程環(huán)境下，運(yùn)用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用飛凌公司研發(fā)的OK6410開發(fā)板，該開發(fā)板以ARM11內(nèi)核架構(gòu)為核心，并內(nèi)嵌WinCE 6．0操作系統(tǒng)，硬件性能上能夠滿足對(duì)數(shù)據(jù)采集的需求。通過(guò)USB同步，完成PC機(jī)與ARM開發(fā)板之間的硬件平臺(tái)搭建，這樣就可以在PC機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

    在VS 2005環(huán)境下，對(duì)設(shè)計(jì)完成的GPS數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，并將編譯后生成的應(yīng)用程序通過(guò)USB同步植入到ARM開發(fā)板的NAND FLA SH里。再通過(guò)串口擴(kuò)展電路將ARM開發(fā)板與GPS模塊進(jìn)行連接完成通信，然后運(yùn)行NAND FLASH里GPS數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用程序，對(duì)GPS模塊接收來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、解析后送至外接的液晶，顯示其需要的信息，從而完成WinCE 6．0環(huán)境下GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，GPS數(shù)據(jù)采集開發(fā)系統(tǒng)如圖2所示。

2 GPS協(xié)議分析及GPS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式
    GPS數(shù)據(jù)遵循NMEA-0183協(xié)議，該數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association)所指定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。GPS接收機(jī)根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過(guò)串口傳送到PC機(jī)、PDA等設(shè)備。NMEA-0183協(xié)議采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)格式，輸出采用ASCII碼，數(shù)據(jù)傳輸以“語(yǔ)句”方式進(jìn)行，每個(gè)語(yǔ)句均以“$”開頭，然后是兩個(gè)字母的“識(shí)別符”和三個(gè)字母的“語(yǔ)句名”，接著是以逗號(hào)分隔的數(shù)據(jù)體，語(yǔ)句末尾為校驗(yàn)和，整條語(yǔ)句以回車換行符結(jié)束。
    NMEA-0183的數(shù)據(jù)信息種類較多，而一組正常的GPS數(shù)據(jù)則包括$GPGGA，$GPRMC，$GPVTG，$GPGLL。$GPGGA輸出的是GPS的定位信息，$GPR MC則輸出GPS推薦的最短數(shù)據(jù)信息，$GPVTG輸出的是地面速度信息，$GPGLL輸出的是大地坐標(biāo)信息?，F(xiàn)以最常見(jiàn)的$GPRMC為例分析其數(shù)據(jù)格式格式如下：
    $GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh<CR><LF>
    <1>為UTC時(shí)間，格式：hhmmss(時(shí)分秒)；<2>為定位狀態(tài)，A=數(shù)據(jù)可用，V=數(shù)據(jù)不可用；<3>為緯度，格式：ddmm．mmmm(度分)；<4>為緯度區(qū)分，北半球(N)或南半球(S)；<5>為經(jīng)度，格式：ddmm．mmmm(度分)；<6>為經(jīng)度區(qū)分，東半球(E)或西半球(W)；<7>為地面速率(000．0～999．9節(jié))；<8>為地面航向(000.0°～359．9°，以正北為參考基準(zhǔn))；<9>為UTC日期，格式：ddmmyy(年月日)；<10>為磁偏角(000．0°～180．0°)；<11>為磁偏角方向，E(東)或W(西)；<12>為模式指示。

3 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 串口擴(kuò)展電路
    設(shè)計(jì)中所使用的ARM開發(fā)板，由于內(nèi)嵌WinCE 6．0系統(tǒng)使得開發(fā)板的COM0端口被占用，作為系統(tǒng)調(diào)試所用，因此，要使得ARM開發(fā)板與GPS模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，需對(duì)開發(fā)板進(jìn)行串口擴(kuò)展。擴(kuò)展電路如圖3所示。圖3中P1的9針串口可接GPS模塊串口，MAX202E模塊的TXD1、RTS N1、RXD1可分別接J13模塊的RXD1，CTSN1，TXD2端口。J13模塊的TXD1，RTSN1，RXD2接到ARM開發(fā)板的COM端。從而完成了系統(tǒng)的整體通信和數(shù)據(jù)傳輸。

3．2 GPS模塊接口介紹
    GPS模塊采用Trimble公司生產(chǎn)的Condor C2626模塊，該模塊外圍接口電路如圖4所示。

    模塊的RF端接天線，TX，RX為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收端口，可與擴(kuò)展電路P1模塊的RXD，TXD連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

4 GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 GPS數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境
    設(shè)計(jì)采用Visual Studio 2005軟件作為開發(fā)環(huán)境，并用C#語(yǔ)言完成應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。首先在PC機(jī)上安裝VS 2005軟件，為了使最后開發(fā)出來(lái)的GPS數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序界面能與WinCE 6．0系統(tǒng)兼容，需在安裝VS2005后，接著安裝TE6410_2G_256_BSP．msi BSP包和TE6410_CE6_SD K．msi SDK文件，之后便可新建一個(gè)Visual C#-Smart Device基于WinCE的Device Application應(yīng)用程序工程。系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

4．2 GPS數(shù)據(jù)采集軟件的串口通信
    設(shè)計(jì)中，GPS數(shù)據(jù)采集界面采用面對(duì)面的人機(jī)交互界面，界面簡(jiǎn)單直觀，操作方便。對(duì)于每一個(gè)控件都有其相對(duì)應(yīng)的類，每個(gè)控件在執(zhí)行不同的任務(wù)時(shí)，是通過(guò)對(duì)應(yīng)類的不同事件完成的，可在事件當(dāng)中添加對(duì)應(yīng)的任務(wù)代碼。本設(shè)計(jì)對(duì)串口進(jìn)行啟動(dòng)的類名為PBStart，啟動(dòng)時(shí)需要響應(yīng)它的Click事件。部分代碼如下：
   
   
4．3 GPS數(shù)據(jù)信息提取
    設(shè)計(jì)中，對(duì)GPS數(shù)據(jù)信息提取、解析是通過(guò)在上位機(jī)中VS2005編程環(huán)境下編譯生成的GPS數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序完成的。通過(guò)對(duì)面向?qū)ο蟮娜藱C(jī)交互界面添加相應(yīng)的類和代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與解析，從而顯示出所需要的經(jīng)度、緯度、速度、日期等信息。其方法是首先判斷一幀數(shù)據(jù)的開始，通過(guò)搜尋每條語(yǔ)句中ASCII碼“$”為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槊總€(gè)語(yǔ)句均以“$”開頭的，然后通過(guò)接收到的兩個(gè)字母的“識(shí)別符”和三個(gè)字母的“語(yǔ)句名”來(lái)判斷接收到的信息類型，對(duì)幀的信息類型識(shí)別正確后，最后通過(guò)搜尋逗號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定GPS模塊當(dāng)前所接收到的是哪個(gè)定位參數(shù)，從中提取出需要的數(shù)據(jù)信息，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成將經(jīng)、緯度坐標(biāo)與本地的高斯平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較與誤差分析
    在上位機(jī)，將GPS數(shù)據(jù)采集界面應(yīng)用程序通過(guò)USB同步植入到ARM開發(fā)板里運(yùn)行，通過(guò)串口擴(kuò)展板，連接ARM板與GPS模塊，通上電源，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

    實(shí)驗(yàn)所選定的地點(diǎn)在某實(shí)驗(yàn)樓里，每隔1 s采集一次，所測(cè)得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

    從表中可以看出，經(jīng)度、緯度、速度在不同的時(shí)刻略顯不同，其影響觀測(cè)精度的誤差因素有多種，如電離層折射的影響，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)，將受到這一介質(zhì)彌散特性的影響，便其信號(hào)的傳播路徑發(fā)生變化。為了減弱電離層的影響，在GPS定位中通常利用雙頻觀測(cè)和電離層模型以及利用同步觀測(cè)值求差等方法加以修正。再者是多路徑效應(yīng)影響，多路徑效應(yīng)亦稱多路徑誤差，是指接收機(jī)天線除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)外，還可能收到經(jīng)天線周圍地物一次或多次反射的衛(wèi)星信號(hào)，信號(hào)疊加將會(huì)引起測(cè)量參考點(diǎn)(相位中心點(diǎn))位置的變化，從而便觀測(cè)量產(chǎn)生誤差，而且這種誤差隨天線周圍反射面的性質(zhì)而異，難以控制。一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。而在高反射環(huán)境下常常導(dǎo)致接收的衛(wèi)星信號(hào)失鎖和使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生周跳。目前減弱多路徑效應(yīng)影響的措施有：安置接收機(jī)天線時(shí)，應(yīng)避開較強(qiáng)的反射面，并選用屏蔽性良好的天線；適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響；改善GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)，減弱多路徑效應(yīng)的影響。其他詳細(xì)誤差因素分析及解決措施可參見(jiàn)文獻(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)
    本文所設(shè)計(jì)的GPS數(shù)據(jù)采集界面簡(jiǎn)潔、直觀、實(shí)用，實(shí)現(xiàn)了串口接收、多線程編程、計(jì)算等多種功能，將數(shù)據(jù)信息直觀地顯示到用戶界面上；實(shí)現(xiàn)了接收數(shù)據(jù)保存方法，實(shí)現(xiàn)了線程枚舉和多線程任務(wù)的完成，使得線程之間互不沖突，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。