基于S3C2440的車(chē)載GPS／GPRS跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)個(gè)人及集群車(chē)輛的安全管理，在S3C2440的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)強(qiáng)大的內(nèi)核與外設(shè)的功能，開(kāi)發(fā)了具有導(dǎo)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(gè)部分的組成原理與設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了通信服務(wù)器的性能，解決了同類產(chǎn)品普遍存在的通信服務(wù)器性能瓶頸問(wèn)題。
關(guān)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(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，基于GPS，GPRS／GSM，GIS等的車(chē)輛跟蹤與監(jiān)控系統(tǒng)正在受到人們?cè)絹?lái)越多的青睞，顯示出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?。GPS(Global Position System，全球定位系統(tǒng))是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始的研制。19 93年正式投入運(yùn)行，它能夠全球、全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)地為用戶提供高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)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(dǎo)航、監(jiān)控、跟蹤等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α?br />     本文在ARM9的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)強(qiáng)大的管理平臺(tái)的內(nèi)核與外設(shè)的功能，開(kāi)發(fā)了具有導(dǎo)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(chē)載系統(tǒng)的實(shí)際需要，本文在分析GPS的定位原理與GPRS的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)硬件平臺(tái)各器件和模塊進(jìn)行選擇，提出了終端硬件電路的設(shè)計(jì)方案；對(duì)實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)Linux的啟動(dòng)代碼移植、內(nèi)核定制、根文件系統(tǒng)的制作、驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行了研究；通過(guò)選擇導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換庫(kù)和圖形用戶界面等設(shè)計(jì)了終端的應(yīng)用程序，并為服務(wù)中心的導(dǎo)航監(jiān)控程序給出一個(gè)可行的方案。

2 硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的終端是以ARM9TDMI-S內(nèi)核的三星S3C2440A為中央處理器，外設(shè)模塊有GPS模塊，GPRS模塊；使用實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核為L(zhǎng)inux 2．6．14。

    本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為六部分，分別為處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、人機(jī)接口系統(tǒng)、GPS定位部分、電源管理、GPRS無(wú)線通信部分。使用S3C2440作為主控處理器芯片協(xié)調(diào)其他四個(gè)子系統(tǒng)正常工作，完成GPS定位數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、圖形顯示、音頻采集與播放、用戶輸入，以及與GPRS的通信功能。[!--empirenews.page--]
2．1 S3C2440介紹
    S3C2440是三星推出的一款基于ARM920TDMI-S內(nèi)核的16／32位RISC嵌入微處理器，它是專為手持設(shè)備與一般的消費(fèi)電子而設(shè)計(jì)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(yùn)行在405 MHz，最高可達(dá)533 MHz。S3C2440集成了豐富的片上資源，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可有效減少外圍的設(shè)備部件，以降低系統(tǒng)的成本。
2．2 存儲(chǔ)系統(tǒng)
    本系統(tǒng)使用的SDRAM是由韓國(guó)現(xiàn)代公司的HY57V561620芯片，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。該芯片具有32 MB的存儲(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)空間被分為4個(gè)Bank，每個(gè)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(chǔ)空間。芯片工作電壓為3．3 V，該芯片的存儲(chǔ)容量為64 MB，整個(gè)存儲(chǔ)空間被分為4096個(gè)Block，每個(gè)Block又被分成32個(gè)Page，而每個(gè)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(chǔ)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(dòng)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(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)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(jī)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(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)的要求。LCD屏顯示圖像，不但需要LCD驅(qū)動(dòng)器，還需要有相應(yīng)的LCD控制器。LCD控制器則有專門(mén)的外部電路來(lái)實(shí)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(hào)為NL2432HC22-23B。
2．4 GPS模塊
    GPS系統(tǒng)采用高軌測(cè)距體制，以觀測(cè)站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測(cè)量。通過(guò)對(duì)4顆或4顆以上的GPS衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行偽距或相位的測(cè)量即可推算出接收機(jī)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(jìn)行比較，可在地圖上顯示出車(chē)輛當(dāng)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(yǔ)句，輸出：GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG(NMEA標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句)；PGRM B，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV(GARMIN定義的語(yǔ)句)。還可將串口設(shè)置為輸出包括GPS載波相位數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。輸入：初始位置、時(shí)間、秒脈沖狀態(tài)、差分模式、NMEA輸出間隔等設(shè)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(shí)輸出。
2．5 GPRS模塊
    考慮到監(jiān)控車(chē)輛是移動(dòng)的，因此車(chē)載終端和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸必須采用無(wú)線的方式。本系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的GPRS模塊SIM300，該模塊適合工作在環(huán)境變化大，周?chē)h(huán)境較惡劣的場(chǎng)所。本模塊具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，可以提供GSM語(yǔ)音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，本系統(tǒng)只要實(shí)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(wù)中心，并進(jìn)行服務(wù)中心與客戶終端之間的話音信息傳送。

3 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)
3．1 導(dǎo)航程序的設(shè)計(jì)思路
    開(kāi)發(fā)終端導(dǎo)航應(yīng)用軟件至少做以下幾個(gè)方面的工作：
    (1)導(dǎo)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(jié)構(gòu)，比如道路層、興趣點(diǎn)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(duì)經(jīng)緯度信息以及每個(gè)數(shù)據(jù)字段進(jìn)行詮釋的相關(guān)文檔。
    (2)平面、球面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換程序，導(dǎo)航電子地圖的原始數(shù)據(jù)都是經(jīng)緯度的坐標(biāo)信息，需要將這些經(jīng)緯度的坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)的形式才能制作出電子地圖。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)某種功能還需要平面坐標(biāo)和球面坐標(biāo)的來(lái)回轉(zhuǎn)換。
    (3)圖形用戶界面。本系統(tǒng)選用QT／Embeded來(lái)作為圖形用戶接口界面。QT Designer是一個(gè)跨平臺(tái)的符合C++規(guī)范的圖形用戶界面程序開(kāi)發(fā)工具。QT本身是一個(gè)類庫(kù)，它遵循C++規(guī)范，同時(shí)對(duì)C++作了一些擴(kuò)充。它主要用于Linux系統(tǒng)，是構(gòu)造KDE桌面環(huán)境的基礎(chǔ)。
3．2 導(dǎo)航程序的開(kāi)發(fā)
    導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)實(shí)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(huà)出，分為道路層、道路名層、交叉結(jié)點(diǎn)層、興趣點(diǎn)層等，然后在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的功能。整幅地圖可用一個(gè)對(duì)象來(lái)表示，每個(gè)矢量地圖層可看作是大對(duì)象內(nèi)的一個(gè)小對(duì)象，它們之間是包含關(guān)系。以后的操作是根據(jù)不同的功能對(duì)不同的矢量層對(duì)象進(jìn)行操作。
3．3 服務(wù)中心的程序設(shè)計(jì)
    服務(wù)中心的軟件，主要負(fù)責(zé)對(duì)車(chē)輛的位置進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)運(yùn)營(yíng)車(chē)輛進(jìn)行調(diào)控。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，為節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，使用了第三方的地圖軟件，在開(kāi)發(fā)時(shí)主要做的就是在PC機(jī)端接上GPRS模塊，用于接收終端發(fā)送過(guò)來(lái)的位置信息，把接收到的信息進(jìn)行解析，并把取得的數(shù)據(jù)提供給地圖軟件。[!--empirenews.page--]
    車(chē)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(yùn)行時(shí)對(duì)車(chē)輛行駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在電子地圖上實(shí)時(shí)地顯示地圖匹配后受控車(chē)輛的運(yùn)行軌跡。監(jiān)控中心通信服務(wù)器接收到車(chē)載單元發(fā)送來(lái)的信息后轉(zhuǎn)發(fā)給指定的監(jiān)控臺(tái)，監(jiān)控臺(tái)系統(tǒng)軟件對(duì)定位數(shù)據(jù)解析后，根據(jù)位置信息將車(chē)輛在電圖上顯示出來(lái)。車(chē)輛跟蹤監(jiān)控程序設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)
    基于Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境一般是由目標(biāo)系統(tǒng)硬件(開(kāi)發(fā)板)和宿主PC機(jī)所構(gòu)成。目標(biāo)硬件開(kāi)發(fā)板用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件，而目標(biāo)板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試則需要通過(guò)宿主PC機(jī)來(lái)完成(所以稱為交叉編譯)。雙方之間一般通過(guò)串口，并口或以太網(wǎng)接口建立連接關(guān)系。
4．1 Boot-loader啟動(dòng)代碼的原理
    在嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)引導(dǎo)程序(Boot-loader)可以完成對(duì)ARM板上的主要部件如CPU，SDRAM，F(xiàn)LASH，串行口等進(jìn)行初始化操作，也可以下載文件到系統(tǒng)板，對(duì)FLASH進(jìn)行擦除與編程。Boot-loader主要作用是初始化一些必要的設(shè)備，然后調(diào)用內(nèi)核，同時(shí)傳遞參數(shù)給內(nèi)核。其工作流程如下：檢測(cè)SDRAM的位置和大小并進(jìn)行初始化；初始化并啟動(dòng)一個(gè)串口，作為內(nèi)核的控制臺(tái)；檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，檢測(cè)機(jī)器類型；創(chuàng)建和初始化內(nèi)核，傳遞系統(tǒng)內(nèi)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(diǎn)擊右鍵→新建終端)，在終端的命令行提示符后輸入MINICOM，回車(chē)，出現(xiàn)WINCOM的啟動(dòng)畫(huà)面，然后按照提示設(shè)置即可。
4．3 編程和調(diào)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(guò)編程和調(diào)試，在目標(biāo)平臺(tái)的液晶顯示屏上可顯示本地的地理位置信息。

5 結(jié)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(shè)計(jì)方案，完成了基于S3C2440的ARM9處理器設(shè)計(jì)的車(chē)載GPS／   GPRS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，包括系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及嵌入式操作的移植和上層應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的總體思路。
    基于S3C2440硬件平臺(tái)，利用Linux嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)資源的整合，并根據(jù)GPS提供的位置信息進(jìn)行車(chē)輛定位，利用GPRS無(wú)線通信手段實(shí)現(xiàn)終端與服務(wù)中心的通信，完成車(chē)輛的監(jiān)控。本系統(tǒng)對(duì)通信服務(wù)器的性能做了優(yōu)化，解決了同類產(chǎn)品普遍存在的通信服務(wù)器性能瓶頸問(wèn)題，能夠?yàn)槭褂谜邘?lái)管理和決策的信息化依據(jù)，提供管理的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。