基于嵌入式ARM-Linux的GPS智能終端設(shè)計(jì)

 GPS智能終端是智能交通系統(tǒng)(ITS系統(tǒng))的重要組成部分，它將衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)以及無(wú)線通信技術(shù)融于一身。目前，衛(wèi)星定位終端通常由8位／16位單片機(jī)、GSM／GPRS通信模塊、GPS模塊、LCD液晶顯示器等組成，并且采用液晶部分與主控芯片組分離在兩個(gè)外殼里的分體式結(jié)構(gòu)。這里介紹一種基于ARM920處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將GPS技術(shù)與CDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的嵌入式智能終端并設(shè)計(jì)。該終端具有將GPS終端的動(dòng)態(tài)位置、時(shí)間、狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)地通過(guò)CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈接到控制中心，在具有地理信息處理和查詢(xún)功能的電子地圖上進(jìn)行顯示，并對(duì)終端的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、終端狀態(tài)等基本信息進(jìn)行監(jiān)控和查詢(xún)；報(bào)警(包括主動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)報(bào)警)；顯示調(diào)度信息；外接設(shè)備數(shù)據(jù)采集、本地溫度采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

1 GPS智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    GPS智能終端與監(jiān)控中心的通信方式是影響整個(gè)ITS系統(tǒng)功能的重要因素。為了解決目前終端采用GSM，GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采用CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)，其理論傳輸速率可達(dá)300 Kb／s，數(shù)據(jù)傳輸速率高，永遠(yuǎn)在線，基于IP協(xié)議可以訪問(wèn)整個(gè)Internet；按流量收費(fèi)，價(jià)格合理；具有良好的可擴(kuò)展性，覆蓋室內(nèi)絕大部分地區(qū)及距海岸線120 km內(nèi)的海域，基本不存在盲區(qū)。通信速度遠(yuǎn)高于GPRS網(wǎng)絡(luò)，更加適合于大數(shù)據(jù)量、實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控，而且易于平滑過(guò)渡到3G移動(dòng)通信系統(tǒng)。GPS智能監(jiān)控系統(tǒng)由GPS智能終端、CDMA網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)、監(jiān)控中心組成，如圖1所示。

2 GPS智能終端的硬件設(shè)計(jì)
2．1 平臺(tái)介紹
    采用ARM處理器和嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的移動(dòng)終端，相對(duì)于以8位／16位單片機(jī)作為中央處理器的終端而言，無(wú)論是功能上，還是人機(jī)界面都有顯著提高，是微處理器技術(shù)的重要發(fā)展。這里選用Atmel公司的AT91RM9200處理器為主控制器。該內(nèi)核屬于專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)控制的ARM芯片，有較寬的工作溫度以及其他較好的工業(yè)參數(shù)，同時(shí)集成了豐富的系統(tǒng)應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)接口；在180 MHz主頻下高達(dá)200 MIPS處理速度；外部總線接口EBI。；兩個(gè)USB 2．0主機(jī)口和一個(gè)USB 2．O設(shè)備口；一個(gè)10／100 Mb／s Ethernet通信接口；4個(gè)同步／異步串口；多種串行數(shù)據(jù)通路；支持I2C，I2S等。其豐富的外部設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸特性是選擇它作為主控制器的主要原因。
2．2 硬件設(shè)計(jì)
    GPS智能終端的硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

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2．2．1 ARM主控模塊
    AT91RM9200的串口UART2和UART3分別與CDMA模塊、GPS模塊通信，在實(shí)際通信時(shí)兩路連接都加有LVTTL電平到RS 232電平的轉(zhuǎn)換電路。AT91RM9200接收GPS模塊從串口3發(fā)出的位置信息，解析出其中有用數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后以規(guī)定格式通過(guò)串口2交給CDMA模塊，通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)最終送至ITS監(jiān)控中心；接收并解析ITS控制中心發(fā)來(lái)的短消息命令，按命令進(jìn)行上傳定位等操作；把系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及ITS控制中心發(fā)來(lái)的信息在液晶屏上顯示出來(lái)。
2．2．2 CDMA通信模塊
    CDMA模塊是整個(gè)系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)中采用Fidelix公司的CDMA通信模塊FD810。該模塊內(nèi)嵌的高通Qualcomm MSM6025芯片，除支持基本的通話和SMS短消息外，還支持CDMA20001x無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。高速上下行速率與大緩存，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)153．6 Kb／s，可通過(guò)AT命令遠(yuǎn)程控制內(nèi)置TCP／IP協(xié)議堆棧。DTGS-800與AT91RM9200通過(guò)串口UART2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和AT指令的操作。
2．2．3 GPS模塊
    GPS接收模塊選用芬蘭Fastrax公司的iTrax100。該模塊支持NMEA0183和Sony ASCⅡ協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。GPS模塊通過(guò)串口3將數(shù)據(jù)以固定的幀格式發(fā)送至AT91RM9200。GPS模塊需要配備專(zhuān)門(mén)的GPS天線接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。一般在比較開(kāi)闊的地區(qū)，需接收到3顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)才能進(jìn)行準(zhǔn)確定位。
2．2．4 存儲(chǔ)器系統(tǒng)
    存儲(chǔ)器系統(tǒng)采用4 MB NOR FLASH，64 MBNAND FLASH和32 MB SDRAM。NOR FLASH通過(guò)16位數(shù)據(jù)總線與CPU交換數(shù)據(jù)，用來(lái)存儲(chǔ)Uboot，Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)；NAND FLASH存儲(chǔ)應(yīng)用程序，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，如加載電子海圖等。為充分發(fā)揮32位ARM處理器的數(shù)據(jù)處理能力，選用2片16位的HY57V281620HG并聯(lián)，以構(gòu)建32位SDRAM與ARM交換數(shù)據(jù)。SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。
    首先，通過(guò)JTAG口將Uboot、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)燒寫(xiě)到NOR FLASH，將應(yīng)用程序燒寫(xiě)到NANDFLASH。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動(dòng)代碼，并將存有引導(dǎo)程序Uboot的NORFLASH存儲(chǔ)器配置到：Bank0，即AT91RM9200的NCS0引腳接至NOR FLASH芯片AT49BV322AD的CE端，這樣就可以從NOR FLASH啟動(dòng)嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

3 GPS智能終端的軟件設(shè)計(jì)
    嵌入式Linux系統(tǒng)只需引導(dǎo)程序、Linux微內(nèi)核、初始化進(jìn)程3個(gè)基本元素，移植嵌入式Linux，就是使實(shí)時(shí)內(nèi)核能在其他處理器(CPU)或微控制器(MCU)上運(yùn)行。將嵌入式Linux移植到AT91RM9200平臺(tái)上，一般需要4個(gè)步驟：下載源碼和建立交叉編譯環(huán)境，配置編譯內(nèi)核，制作文件系統(tǒng)，下載和調(diào)試內(nèi)核。
3．1 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    應(yīng)用程序包括Uboot啟動(dòng)代碼、串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、CDMA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序、GPS串口通信程序等。
    (1)系統(tǒng)加電后復(fù)位；
    (2)Uboot初始化CPU，SDRMA，分配地址空間等；
    (3)Uboot把Linux內(nèi)核的壓縮文件解壓到SDRAM中，同時(shí)Uboot把控制權(quán)移交到Linux。
    Linux的內(nèi)核有在FLASH存儲(chǔ)器上直接運(yùn)行和加載到內(nèi)存中運(yùn)行2種工作方式。這里采用的FLASH存儲(chǔ)器運(yùn)行方式相對(duì)較復(fù)雜，但運(yùn)行速度更快；
    (4)開(kāi)始執(zhí)行SDRMA中的代碼，Linux內(nèi)核初始化，完成堆棧和中斷的分配等；
    (5)加載串口驅(qū)動(dòng)模塊，完成串口的初始化；
    (6)運(yùn)行CDMA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序，通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)與Internet進(jìn)行連接；
    (7)運(yùn)行GPS串口通信程序，通過(guò)串口將GPS數(shù)據(jù)送至AT91RM9200。
    至此，已建立了從GPS數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾那度胧奖O(jiān)控系統(tǒng)。
3．2 無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)程序
    終端由CDMA網(wǎng)絡(luò)接入Internet后，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上電和載入Linux后，首先初始化CDMA模塊，進(jìn)行端口設(shè)置和波特率設(shè)置(115 200 b／s)；然后進(jìn)入撥號(hào)等待狀態(tài)。由于該終端在功能上映射為無(wú)線Modem，所以登陸網(wǎng)絡(luò)需進(jìn)行PPP撥號(hào)連接，接入號(hào)為#777，用戶(hù)名和密碼均為CARD。啟動(dòng)程序后，確認(rèn)是否撥號(hào)成功，若成功撥號(hào)，則調(diào)用GPS串口通信程序和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序；最后使用Internet結(jié)束后，關(guān)閉無(wú)線連接。
3．3 CDMA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序
    在Linux操作系統(tǒng)下，監(jiān)控終端通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)與Internet連接，將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。套接字Socket是許多操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編程的通用API，是介于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層和傳輸層之間的編程接口。套接字提供了訪問(wèn)下層通信協(xié)議的大量系統(tǒng)調(diào)用和相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)程在Linux上的網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程就是使用套接字傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程。，文中介紹的Socket通信采用面向連接的TCP協(xié)議。
    客戶(hù)端和服務(wù)器端的TCP應(yīng)用程序流程如圖3所示?？蛻?hù)機(jī)部分先由Socket()創(chuàng)建本地套接口，給服務(wù)器端套接口地址結(jié)構(gòu)賦值；用Connect()函數(shù)使本地套接口向服務(wù)器端套接口發(fā)出建立連接請(qǐng)求，經(jīng)3次握手建立TCP連接；若連接建立成功，則用Send()和Recv()函數(shù)與服務(wù)器通信；通信結(jié)束，用Close()關(guān)閉套接口。
    服務(wù)器部分由Socket()創(chuàng)建套接口，并給套接口地址結(jié)構(gòu)賦值；調(diào)Bind()函數(shù)綁定套接口、用Listen()函數(shù)在該套接口上監(jiān)聽(tīng)請(qǐng)求；當(dāng)Accept()函數(shù)接受請(qǐng)求，產(chǎn)生新的套接口及描述字，并與客戶(hù)端連接；在用Fork()函數(shù)派生新的子進(jìn)程與客戶(hù)端通信，主進(jìn)程繼續(xù)處理其他請(qǐng)求。
3．4 GPS串口通信程序
    GPS串口通信程序是對(duì)采集到的GPS數(shù)據(jù)和車(chē)輛狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；對(duì)時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度及超速報(bào)警等數(shù)據(jù)解析，并以固定格式通過(guò)串口3傳送到AT91RM9200。GPS模塊的工作流程如圖4所示。[!--empirenews.page--]

    GPS接收數(shù)據(jù)采用NMEA0183格式，串行通信參數(shù)為8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)；1位停止位，無(wú)數(shù)據(jù)流控制。波特率設(shè)為115 200 b／s。判斷幀起始是否為$G-PGGA，如果是，按位讀取GPS數(shù)據(jù)，

    在Linux下，所有的硬件設(shè)備都被看成是普通文件，可以通過(guò)與普通文件相同的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀取和寫(xiě)入設(shè)備等操作。系統(tǒng)中每一個(gè)設(shè)備都用一種特殊的設(shè)備相關(guān)文件表示，存放在／dev目錄下。在Linux中，對(duì)每一個(gè)設(shè)備的描述是通過(guò)主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)來(lái)惟一確定的。由同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制的所有設(shè)備具有相同的主設(shè)備號(hào)，主設(shè)備號(hào)描述控制這個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，即驅(qū)動(dòng)程序與主設(shè)備號(hào)是一一對(duì)應(yīng)的(O～255)；次設(shè)備號(hào)用來(lái)區(qū)分同一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序控制的不同設(shè)備。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
    運(yùn)行嵌入式目標(biāo)板的客戶(hù)端程序采集GPS數(shù)據(jù)并發(fā)送，在上位機(jī)上運(yùn)行服務(wù)器端就能接收到GPS數(shù)據(jù)。如圖5所示為GPS數(shù)據(jù)采集、接收的調(diào)試界面的數(shù)據(jù)，比較監(jiān)控中心服務(wù)器接收到的GPS數(shù)據(jù)與終端采集到GPS數(shù)據(jù)相一致，實(shí)現(xiàn)了終端與監(jiān)控中心無(wú)線、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。本終端運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于等于3 s，網(wǎng)絡(luò)良好情況下數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)115 200 b／s。

5 結(jié) 語(yǔ)
    利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的系統(tǒng)功能，可以簡(jiǎn)化多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)難度，輕松地完成前后臺(tái)編程方法難以完成的任務(wù)。由于CDMA數(shù)據(jù)傳輸有著永遠(yuǎn)在線、費(fèi)用低廉，并且能夠切換到SMS方式，保證數(shù)傳萬(wàn)無(wú)一失的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，該GPS智能終端更易平滑過(guò)渡到3G移動(dòng)通信系統(tǒng)。因此將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。