基于嵌入式Linux 的移動終端的軟件設(shè)計
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/152405.htm實時操作系統(tǒng)(RTOS)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺,應(yīng)用程序都是建立在它之上。實時嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多,大體上可分為兩種:商用型和免費型。商用型的實時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠,有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù),但價格昂貴。免費型的實時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢,目前主要有 Linux、μC/OS 等。
與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比,嵌入式 Linux 具有開放源代碼、高可靠性以及強大的網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)勢,因此選用了嵌入式 Linux 系統(tǒng)作為移動終端的軟件平臺。
2 車輛監(jiān)控系統(tǒng)概述
車輛監(jiān)控系統(tǒng)是融全球定位技術(shù)(GPS)、地理信息技術(shù)(GIS)和通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)于一體的高科技系統(tǒng),由移動終端、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成[1]。移動終端安裝在各個移動車輛上,其上的 GPS 接收器實時采集衛(wèi)星定位信息,然后通過串口 1 傳送給 ARM 處理器。ARM 處理器先解算出有用的數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度、速度、狀態(tài)等),然后按照 TCP/UDP 協(xié)議的格式封裝成 TCP/UDP 數(shù)據(jù)包,接著加上 IP 報頭和報尾封裝成 IP 數(shù)據(jù)報。由于 ARM 處理器與 GPRS 通信模塊之間的通信遵循 PPP(Point to Point Protocol,點對點協(xié)議),因而,需要將 IP 數(shù)據(jù)報按照 PPP 幀的幀格式封裝成 PPP 幀,然后傳遞給接在串口 2 上的 GPRS 通信模塊。GPRS 通信模塊通過無線鏈路將數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)送到 SGSN(Serving GPRS Support Node,GPRS 業(yè)務(wù)支持節(jié)點)。SGSN 進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換,并按照 GPRS 特有的 GTP(GPRS Tunnel Protocol,GPRS 隧道協(xié)議)將數(shù)據(jù)封裝成 GTP 包,然后通過 GPRS 骨干網(wǎng)傳送到相應(yīng)的 GGSN(Gateway GPRS Support Node,GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點)。GGSN 也進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換,再根據(jù)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行新的封裝,并且根據(jù)其目的 IP 地址選擇路由進(jìn)行傳送,從而最終傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進(jìn)行車輛運動軌跡的顯示,并對被監(jiān)控車輛的準(zhǔn)確位置、速度、運動方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢。同時,監(jiān)控中心也可以向移動終端發(fā)送文本信息和控制命令。
由此可見,移動終端的核心功能是接收 GPS 信號、處理 GPS 數(shù)據(jù)以及通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信(包括向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息和接收監(jiān)控中心的指令)。
3.1 總體設(shè)計
在移動終端上,軟件系統(tǒng)主要由三個部分組成:GPS 信號接收程序、GPS 數(shù)據(jù)處理程序和 GPRS 通信程序。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺下,移動終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 移動終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖 2 GPS 信號接收程序的層次結(jié)構(gòu)
3.2 GPS 信號接收程序
對于移動終端,它的第一個任務(wù)就是接收 GPS 信號。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺下,GPS 信號接收程序的層次結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
其中,tty 層、N_TTY 行規(guī)程(Line Discipline)層和低層驅(qū)動程序是嵌入式 Linux 系統(tǒng)中串行通信驅(qū)動模塊三個固有的邏輯層,這三層之間有相互調(diào)用的接口函數(shù)。嵌入式 Linux 系統(tǒng)提供了多種行規(guī)程供各類設(shè)備進(jìn)行選擇,如:TTY 行規(guī)程(N_TTY)用于連接終端輸入驅(qū)動設(shè)備和終端顯示驅(qū)動設(shè)備,而 PPP 行規(guī)程(N_PPP)用來連接終端驅(qū)動設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動設(shè)備。GPS 信號接收程序使用了 N_TTY 行規(guī)程,GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過 N_TTY 行規(guī)程模塊進(jìn)行規(guī)范處理。低層驅(qū)動程序用來直接對硬件進(jìn)行操作,而 flip_buffer 是低層驅(qū)動程序和 N_TTY 行規(guī)程之間的高速接口,它保存 GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)。
在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中,內(nèi)核給接在串口 1 上的 GPS 接收器提供了一個設(shè)備節(jié)點 /dev/ttyS0 以及標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口[2]。這樣,GPS 信號接收程序?qū)υO(shè)備節(jié)點 /dev/ttyS0 的操作就會被內(nèi)核映射成對 GPS 接收器的操作。當(dāng) GPS 接收器接收到衛(wèi)星信號時,會觸發(fā)低層驅(qū)動程序事先注冊到系統(tǒng)中的中斷處理函數(shù),從而調(diào)用函數(shù) receive_chars( ) 把數(shù)據(jù)填充到 flip_buffer 中,然后調(diào)用函數(shù) tty_flip_buffer_push( ) 將數(shù)據(jù)傳遞給 N_TTY 行規(guī)程模塊。N_TTY 行規(guī)程模塊中的函數(shù) n_tty_receive_buf( ) 對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理后將其存入 tty 緩沖區(qū)中,供應(yīng)用層的 GPS 信號接收程序來讀取。
當(dāng)應(yīng)用層的 GPS 信號接收程序開始運行時,它會向文件系統(tǒng)發(fā)出讀請求,文件系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此請求的對象為 tty 設(shè)備,于是調(diào)用函數(shù) tty_read( ),接著調(diào)用函數(shù) read_chan( ) 讀取 tty 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。
3.3 GPS 數(shù)據(jù)處理程序
GPS 接收器與嵌入式 Linux 平臺之間的通信協(xié)議有很多種,這里采用的通信協(xié)議是 NMEA-0183,它規(guī)定了 GPS 數(shù)據(jù)的輸出速率為 4,800 波特,其輸出都是 ASCII 字符,工作模式為 8-N-1。通信協(xié)議 NMEA-0183 中包含的語句有 GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 等,要想知道車輛的位置信息,至少要提取出 GPGGA、GPGLL、GPRMC 中的一種。NMEA-0183 協(xié)議報文的語句格式如圖 3 所示。
圖 3 NMEA0183 的報文格式
其中,$ 為串頭,表示串的開始;AA 為識別符;XXX 為語句名;ddd…ddd 為數(shù)據(jù)字段,字母或數(shù)字;* 表示串尾;hh 表示 $ 與 * 之間所有字符代碼的校驗和; CR > 為回車控制符; LF > 為換行控制符。
在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中,主要關(guān)心的是時間、車輛的位置和速度等信息。因此,在移動終端上,GPS 數(shù)據(jù)處理程序的主要功能是從 GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)中提取出 GPRMC 定位語句,忽略掉其他信息[3]。此后,移動終端上的 GPRS 通信程序負(fù)責(zé)將相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
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