ARM-Linux平臺(tái)下GPS信號(hào)的采集與處理研究

定位和導(dǎo)航是很多便攜移動(dòng)設(shè)備以及汽車電子設(shè)備的重要功能之一，所以GPS在上述設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。基于ARM-Linux的嵌人式平臺(tái)以其開放性、安全性、健壯性和穩(wěn)定性越來越成為各種便攜設(shè)備和車載導(dǎo)航設(shè)備的主要開發(fā)平臺(tái)。如何實(shí)現(xiàn)GPS模塊和嵌人式ARM-Linux平臺(tái)之間的通信成了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)。

本文主要研究GPS模塊與ARM-Linux平臺(tái)之間采用異步串行傳送方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的問題，利用多線程編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)采集與處理，并介紹了一種WGS坐標(biāo)向地方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法。與GPS通信可選的協(xié)議有很多種，目前普遍采用的是NMEA-0183通信協(xié)議。

1 NMEA-0183通信協(xié)議

NMEA-0183協(xié)議[1]是為了在不同的GPS導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的海事無線電技術(shù)委員會(huì)(BTCM)標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)NMEA(National Marine Electronics Association)制定的通信協(xié)議，其中規(guī)定了海用和陸用GPS接收設(shè)備輸出的定位位置數(shù)據(jù)、時(shí)間、衛(wèi)星狀態(tài)、接收機(jī)狀態(tài)等信息。除NMEA-0183協(xié)議之外，還有差分用的RTCMSC-104格式，各個(gè)廠商互不兼容的二進(jìn)制格式等，但以NMEA-0183使用最廣泛。為實(shí)現(xiàn)ARM-LINUX平臺(tái)與GPS之間的通信，應(yīng)清楚協(xié)議規(guī)定的GPS輸出的數(shù)據(jù)格式和報(bào)文。NMEA-0183規(guī)定的格式如下：
波特率：4 800 b/s
數(shù)據(jù)位：8 bit
奇偶校驗(yàn)：無
開始位：1 bit
停止位：1 bit
報(bào)文格式：報(bào)文的語句串(十進(jìn)制ASCII碼)格式全部信息如圖1。

圖1中具體內(nèi)容：＄為串頭，表示串開始；GP為交談識(shí)別符。XXX為語句名，NMEA規(guī)定的常用語句有以下6種：GGA，衛(wèi)星定位信息；GLL，地理位置-經(jīng)度和緯度；GSA，GNSS DOP偏差信息，說明衛(wèi)星定位的信號(hào)的優(yōu)劣情況；GSV，GNSS天空范圍內(nèi)的衛(wèi)星；RMC，最基本的GNSS信息，指能夠達(dá)到定位目的的基本信息等語句。ddd為數(shù)據(jù)字段，字母或數(shù)字，“，”為域分隔符；*表示串尾；hh表示＄與*之間所有字符代碼的校驗(yàn)和；為回車控制符；為換行控制符。

在實(shí)際的GPS應(yīng)用中，并不會(huì)用到NMEA的全部信息，而是根據(jù)具體的需要，從中選取有用的信息，忽略其余的信息內(nèi)容。下面以GPRMC語句為例來介紹。該語句包含時(shí)間、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以滿足一般的導(dǎo)航需求。GPRMC語句的結(jié)構(gòu)為：＄GPRMC，1>，2>，3>，4>，5>，6>，7>，8>，9>，10>，11>，*hh。

數(shù)據(jù)區(qū)說明如下：

(1)UTC時(shí)間，hhmmss.sss(時(shí)分秒.毫秒)格式；
(2)定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位；
(3)緯度ddmm.mmmm (度分)格式(前面的0也將被傳輸)；
(4)緯度半球N(北半球)或S(南半球)；
(5)經(jīng)度dddmm．mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)；
(6)經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))；
(7)地面速率(000．0～999.9節(jié)，前面的0也將被傳輸)；
(8)地面航向(000.0～359．9度，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸)；
(9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式；
(10)磁偏角(000．0～180．0度，前面的0也將被傳輸)；
(11)磁偏角方向，E(東)或W(西)。

2 目標(biāo)平臺(tái)

本文中使用的是以SAMSUNG公司的ARM9系列中的16/32位RISC處理器S3C2410A芯片為核心的目標(biāo)平臺(tái)。S3C2410A包含一個(gè)16/32位的RISC(ARM920T)CPU內(nèi)核、獨(dú)立的16 KB的指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存(cache)、用于虛擬內(nèi)存管理的MMU單元、LCD控制器(STNTFT)、非線性(NAND)Flash、系統(tǒng)管理器(包括片選邏輯控制和SDRAM控制器)及3個(gè)通道的異步串口(UART)。目標(biāo)板資源包括S3C2410的微處理器，主頻200 MHz；16 MB的Flash；64 MB的SDRAM；RS-232C UART接口；LCD液晶顯示屏。

在目標(biāo)板上選配的GPS模塊是HIMARK公司的GPS模塊，此模塊是符合民用標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收器，信號(hào)接收性能好，功耗較小，整體工作比較穩(wěn)定。整體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。


3 交叉編譯環(huán)境的建立

基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)模式通常都是宿主機(jī)+目標(biāo)機(jī)[2]。目標(biāo)機(jī)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)用程序的開發(fā)和調(diào)試則需要通過宿主機(jī)(資源豐富處理能力強(qiáng)的PC)來完成，稱之為交叉編譯。雙方之間一般通過串口、并口或以太網(wǎng)接口建立連接關(guān)系。

(1)配置minicom：在宿主機(jī)Redhat Linux 9.0的X windows界面下新建終端，在終端命令提示符后輸入minicom-s，回車，然后按照提示設(shè)置波特率115200，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無流控，保存退出。

(2)TFTP服務(wù)的配置：在終端中運(yùn)行setup->system service->tftp增加TFTP服務(wù)，并去掉ipchains和iptables 兩項(xiàng)，然后在Firewall configuration，選中no firewall，保存退出，執(zhí)行service xinetd restart啟動(dòng)TFTP服務(wù)。

(3)NFS服務(wù)器的配置：在終端中運(yùn)行setup->system service->NFS，增加NFS服務(wù)，然后編輯文件exports，添加與目標(biāo)機(jī)共享的目錄，并設(shè)置目標(biāo)機(jī)對(duì)目錄的訪問權(quán)限，重新啟動(dòng)NFS服務(wù)。

(4)Linux內(nèi)核移植：通過并口，宿主機(jī)向目標(biāo)開發(fā)板的Flash燒寫引導(dǎo)程序ppcboot，燒寫完畢后通過TFTP服務(wù)把經(jīng)過裁剪的Linux內(nèi)核鏡像文件以及根文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)板的RAM中，然后由ppcboot完成內(nèi)核及根文件系統(tǒng)從內(nèi)存到Flash的燒寫。最后需要在宿主機(jī)安裝主編譯器Arm-linux-gcc，用來交叉編譯應(yīng)用程序。

4 GPS信號(hào)的采集和處理

為實(shí)現(xiàn)ARM-Linux平臺(tái)下GPS信號(hào)的采集與處理，涉及到Linux下串口編程技術(shù)，首先給出Linux串口通信的原理，然后利用多線程編程技術(shù)來完成GPS數(shù)據(jù)采集與NMEA數(shù)據(jù)格式的解析，因解析后得到的GPS定位坐標(biāo)屬于WGS84坐標(biāo)，需轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的54、80坐標(biāo)或地方坐標(biāo)供用戶標(biāo)圖定位所用，因此介紹了一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。

4.1 GPS數(shù)據(jù)采集與處理

大多數(shù)GPS接收機(jī)與各種處理器平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，都采用異步串行傳送方式，提供一個(gè)符合RS-232C電氣標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。

在Linux操作系統(tǒng)中，所有設(shè)備以設(shè)備文件的形式存儲(chǔ)在目錄/dev/下，串口設(shè)備文件為/dev/ttyS*，在Linux中，若要設(shè)置串口的參數(shù)，如改變串口的波特率、字符大小等，可通過POSIX標(biāo)準(zhǔn)終端接口[3]，該接口被稱為termios，在系統(tǒng)頭文件中定義。它包括一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一系列操縱這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)組成。有關(guān)串口的所有參數(shù)配置都保存在接口termios的結(jié)構(gòu)struct termios中，該結(jié)構(gòu)定義如下：
struct termios
{
tcflag_t c_iflag； /*輸人模式標(biāo)志*/
tcflag_t c_oflag； /*輸出模式標(biāo)志*/
tcflag_t c_cflag； /*控制模式標(biāo)志*/
tcflag_t c_lflag； /*本地模式標(biāo)志*/
cc_t c_cc[NCCS]；/*特殊控制字符*/
}

其中的c_iflag成員是用來控制輸入處理選項(xiàng)的，它影響到終端驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑤斎氚l(fā)送給程序前是否對(duì)其進(jìn)行處理，及怎樣對(duì)其進(jìn)行處理。c_oflag成員是用來控制輸出數(shù)據(jù)的處理，并決定在發(fā)送輸出數(shù)據(jù)到顯示屏和其他輸出設(shè)備之前，終端驅(qū)動(dòng)程序是否以及如何來處理它們。c_cflag用于存放各種決定終端設(shè)備硬件特性的控制標(biāo)志，如串口的波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位、數(shù)據(jù)位等。存放在c_lflag 中的本地模式標(biāo)志用來操縱串口如何處理輸入字符，比如是否將輸入字符顯示到顯示屏上，一般可通過此成員來設(shè)置串口為正規(guī)模式或是非正規(guī)模式。c_cc數(shù)組成員用來定義支持的特殊控制字符以及一些timeout參數(shù)。

除了上面的這個(gè)包含串口參數(shù)配置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之外，termios中還包含許多控制串口特性的函數(shù)。其中重要的幾個(gè)函數(shù)如：tegetattr( )、tesetattr( )、cfsetispeed( )、cfsetospeed( )、tcflush( )。tegetattr( )用來初始化一個(gè)termios數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之后可使用其他的函數(shù)來操縱由tegetattr( )返回的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。完成這些操作后，使用tesetattr( )來更新串口的設(shè)置。cfsetispeed( )用來設(shè)置串口的輸入速度。cfsetospeed( )用來設(shè)置串口的輸出速度。tcflush( )用來清除所有隊(duì)列在串口的輸入與輸出。

在Linux下采用多線程編程技術(shù)可大大節(jié)省系統(tǒng)的開銷，方便各線程之間通信，提高應(yīng)用程序的響應(yīng)，改善程序結(jié)構(gòu)，從而可以提高嵌入式系統(tǒng)的性能。本文就是利用Linux下多線程編程來實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的采集和處理，在GPS模塊的初始化GPS_Initial函數(shù)中創(chuàng)建接收線程GPS_Thread_Port_Svc，在接收線程中調(diào)用GPS信息語句的解析函數(shù)GPS_Parse_Data(buf_GPS，gps_data)，進(jìn)一步調(diào)用語句字符串解析函數(shù)
GPS_Parse_Data_Line(char*str_gprs_data_line，GPS_DATA_TYPE*GPS_DATA)。在GPS語句的處理過程中，需對(duì)所讀取的語句進(jìn)行鑒別區(qū)分，只選取其中要用的信息進(jìn)行處理而忽略其余的信息，這就要根據(jù)NMEA-0183協(xié)議中規(guī)定的語句格式來進(jìn)行解析。圖3給出了GPS數(shù)據(jù)處理流程。

下面是程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵函數(shù)部分代碼。
/*包含必要的頭文件*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int GPS_Initial(int n_tty_no)
{
int ret_tty=-1；
int ret_thread=-1；
ret_tty=OpenComPort(n_tty_no，9600，8，“1”，‘N’)；/*打開串口，并設(shè)置通信屬性，如波特率，數(shù)據(jù)位，有無奇偶校驗(yàn)，停止位等*/
ret_thread=pthread_create(pthr_id，NULL，GPS_
Thread_Port_Svc，NULL)；/*創(chuàng)建接收線程*/
…
}
void*GPS_Thread_Port_Svc(void*pData)
{/*接收線程函數(shù)*/
unsigned char buf_GPS[256]；
int ret_rd_com；
while(1) {
bzero(buf_GPS，sizeof(buf_GPS))；
ret_rd_com=ReadComPort((void*)buf_GPS，
sizeof(buf_GPS))；/*讀串口，接收數(shù)據(jù)*/
GPS_Parse_Data(buf_GPS，gps_data)；
/*調(diào)用解析語句函數(shù)，*/
…}
在GPS_Parse_Data(buf_GPS，gps_data)函數(shù)中每接收一個(gè)GPS語句，調(diào)用一次字符串解析函數(shù)。
GPS_Parse_Data_Line(char*str_gprs_data_line，GPS_DATA_TYPE*GPS_DATA){
char*temptr；
temptr=str_gprs_data_line；
/*字符串賦給臨時(shí)指針，然后對(duì)其解析*/
if(strncmp(temptr，RMC_DATA_L，strlen(RMC_DATA_L))==0) {/*解析RMC語句串*/
startchar(temptr，'，')；
temptr=temptr+strlen(temptr)+12；
/*＄GPRMC，HHMMSS.SSS*/
GPS_DATA->Time.Flag=temptr[0]；
temptr=temptr+27；
/*A，DDMM.MMMM，N，DDDMM.MMMM，E*/
…}

以上只是GPS信息處理的部分代碼。經(jīng)過交叉編譯調(diào)試下載至目標(biāo)平臺(tái)上，運(yùn)行后可得到本地地理位置信息。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為：時(shí)間10:28:35；緯度：北緯30°46’；經(jīng)度：東經(jīng)103°57’。用戶也可以根據(jù)需要選擇提取GPS的其他語句，只需編寫解析相應(yīng)語句字符串的代碼即可。

4.2 GPS坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

上述所得的結(jié)果屬于WGS84坐標(biāo)，而在工程上實(shí)用的大多是國(guó)家坐標(biāo)系，因此GPS數(shù)據(jù)采集結(jié)果的使用就存在與國(guó)家坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。一般要通過兩步轉(zhuǎn)換：首先將上述實(shí)測(cè)經(jīng)緯度坐標(biāo)即WGS84大地坐標(biāo)(L，B)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于WGS84橢球的高斯平面坐標(biāo)(X84，Y84)，然后再經(jīng)過平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將高斯平面坐標(biāo)(X84，Y84)強(qiáng)制附合到本地高斯平面坐標(biāo)系統(tǒng)[4]。

(1)高斯投影換算

將GPS采集所得出的大地坐標(biāo)(L，B)轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)(X84，Y84)。有關(guān)的推導(dǎo)過程較復(fù)雜，本文只給出結(jié)果：

由上述原理利用EXCEL就可以算出對(duì)應(yīng)的高斯平面坐標(biāo)。

(2)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的就是將高斯投影換算得出平面坐標(biāo)(X84，Y84)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)貒?guó)家坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)。下面介紹一種平均轉(zhuǎn)軸相似轉(zhuǎn)換法，以轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)(X54，Y54)為例，說明該方法實(shí)現(xiàn)過程。
首先，根據(jù)公共點(diǎn)分別在WGS84和北京54系中的高斯平面坐標(biāo)，求出該點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系中同一邊的方位角之差?駐?琢和長(zhǎng)度比例系數(shù)?資，然后按下式計(jì)算任一點(diǎn)在北京54系中的平面坐標(biāo)。

　　
將得到的X54，Y54坐標(biāo)可應(yīng)用于GIS系統(tǒng)標(biāo)圖，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。

GPS信息的獲取是設(shè)計(jì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，本文有針對(duì)性的研究了ARM-Linux平臺(tái)與GPS接收模塊之間的串行通信?；贜MEA-0183通信協(xié)議，在Linux下通過多線程編程實(shí)現(xiàn)了GPS基本定位信息的采集與處理，所得數(shù)據(jù)滿足精度要求，為導(dǎo)航定位系統(tǒng)或GIS系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。