ARM-Linux平臺下GPS信號的采集與處理研究

定位和導航是很多便攜移動設備以及汽車電子設備的重要功能之一，所以GPS在上述設備中得到了廣泛的應用?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ARM-Linux">ARM-Linux的嵌人式平臺以其開放性、安全性、健壯性和穩(wěn)定性越來越成為各種便攜設備和車載導航設備的主要開發(fā)平臺。如何實現(xiàn)GPS模塊和嵌人式ARM-Linux平臺之間的通信成了實現(xiàn)系統(tǒng)定位導航的基礎。

本文主要研究GPS模塊與ARM-Linux平臺之間采用異步串行傳送方式進行數(shù)據(jù)傳送的問題，利用多線程編程技術實現(xiàn)GPS信號采集與處理，并介紹了一種WGS坐標向地方坐標的轉換方法。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導航設備中建立統(tǒng)一的海事無線電技術委員會(BTCM)標準，由美國國家海洋電子協(xié)會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接收設備輸出的定位位置數(shù)據(jù)、時間、衛(wèi)星狀態(tài)、接收機狀態(tài)等信息。除NMEA-0183協(xié)議之外，還有差分用的RTCMSC-104格式，各個廠商互不兼容的二進制格式等，但以NMEA-0183使用最廣泛。為實現(xiàn)ARM-LINUX平臺與GPS之間的通信，應清楚協(xié)議規(guī)定的GPS輸出的數(shù)據(jù)格式和報文。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：無
開始位：1 bit
停止位：1 bit
報文格式：報文的語句串(十進制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和；為回車控制符；為換行控制符。

在實際的GPS應用中，并不會用到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航需求。GPRMC語句的結構為：＄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時間，hhmmss.sss(時分秒.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，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 目標平臺

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芯片為核心的目標平臺。S3C2410A包含一個16/32位的RISC(ARM920T)CPU內(nèi)核、獨立的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個通道的異步串口(UART)。目標板資源包括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準的GPS接收器，信號接收性能好，功耗較小，整體工作比較穩(wěn)定。整體硬件設計框圖如圖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)的應用開發(fā)模式通常都是宿主機+目標機[2]。目標機用于運行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應用軟件，而目標板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應用程序的開發(fā)和調(diào)試則需要通過宿主機(資源豐富處理能力強的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)接口建立連接關系。

(1)配置minicom：在宿主機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服務的配置：在終端中運行setup->system service->tftp增加TFTP服務，并去掉ipchains和iptables 兩項，然后在Firewall configuration，選中no firewall，保存退出，執(zhí)行service xinetd restart啟動TFTP服務。

(3)NFS服務器的配置：在終端中運行setup->system service->NFS，增加NFS服務，然后編輯文件exports，添加與目標機共享的目錄，并設置目標機對目錄的訪問權限，重新啟動NFS服務。

(4)Linux內(nèi)核移植：通過并口，宿主機向目標開發(fā)板的Flash燒寫引導程序ppcboot，燒寫完畢后通過TFTP服務把經(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。最后需要在宿主機安裝主編譯器Arm-linux-gcc，用來交叉編譯應用程序。

4 GPS信號的采集和處理

為實現(xiàn)ARM-Linux平臺下GPS信號的采集與處理，涉及到Linux下串口編程技術，首先給出Linux串口通信的原理，然后利用多線程編程技術來完成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定位坐標屬于WGS84坐標，需轉換到相應的54、80坐標或地方坐標供用戶標圖定位所用，因此介紹了一種坐標轉換方法。

4.1 GPS數(shù)據(jù)采集與處理

大多數(shù)GPS接收機與各種處理器平臺進行數(shù)據(jù)交換時，都采用異步串行傳送方式，提供一個符合RS-232C電氣標準的數(shù)據(jù)接口。

在Linux操作系統(tǒng)中，所有設備以設備文件的形式存儲在目錄/dev/下，串口設備文件為/dev/ttyS*，在Linux中，若要設置串口的參數(shù)，如改變串口的波特率、字符大小等，可通過POSIX標準終端接口[3]，該接口被稱為termios，在系統(tǒng)頭文件中定義。它包括一個數(shù)據(jù)結構和一系列操縱這些數(shù)據(jù)結構的函數(shù)組成。有關串口的所有參數(shù)配置都保存在接口termios的結構struct termios中，該結構定義如下：
struct termios
{
tcflag_t c_iflag； /*輸人模式標志*/
tcflag_t c_oflag； /*輸出模式標志*/
tcflag_t c_cflag； /*控制模式標志*/
tcflag_t c_lflag； /*本地模式標志*/
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的，它影響到終端驅動程序將輸入發(fā)送給程序前是否對其進行處理，及怎樣對其進行處理。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備之前，終端驅動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備硬件特性的控制標志，如串口的波特率、奇偶校驗、停止位、數(shù)據(jù)位等。存放在c_lflag 中的本地模式標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)。

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

在Linux下采用多線程編程技術可大大節(jié)省系統(tǒng)的開銷，方便各線程之間通信，提高應用程序的響應，改善程序結構，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，需對所讀取的語句進行鑒別區(qū)分，只選取其中要用的信息進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)定的語句格式來進行解析。圖3給出了GPS數(shù)據(jù)處理流程。

下面是程序實現(xiàn)的關鍵函數(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，并設置通信屬性，如波特率，數(shù)據(jù)位，有無奇偶校驗，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；
/*字符串賦給臨時指針，然后對其解析*/
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)試下載至目標平臺上，運行后可得到本地地理位置信息。實驗所得數(shù)據(jù)為：時間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，只需編寫解析相應語句字符串的代碼即可。

4.2 GPS坐標的轉換

上述所得的結果屬于WGS84坐標，而在工程上實用的大多是國家坐標系，因此GPS數(shù)據(jù)采集結果的使用就存在與國家坐標系間的坐標轉換問題。一般要通過兩步轉換：首先將上述實測經(jīng)緯度坐標即WGS84大地坐標(L，B)轉換為對應于WGS84橢球的高斯平面坐標(X84，Y84)，然后再經(jīng)過平面坐標轉換，將高斯平面坐標(X84，Y84)強制附合到本地高斯平面坐標系統(tǒng)[4]。

(1)高斯投影換算

將GPS采集所得出的大地坐標(L，B)轉換為高斯平面坐標(X84，Y84)。有關的推導過程較復雜，本文只給出結果：

由上述原理利用EXCEL就可以算出對應的高斯平面坐標。

(2)平面坐標轉換

平面坐標轉換的目的就是將高斯投影換算得出平面坐標(X84，Y84)轉換為當?shù)貒易鴺讼档钠矫孀鴺?。下面介紹一種平均轉軸相似轉換法，以轉換為北京54坐標系下的平面坐標(X54，Y54)為例，說明該方法實現(xiàn)過程。
首先，根據(jù)公共點分別在WGS84和北京54系中的高斯平面坐標，求出該點在兩個坐標系中同一邊的方位角之差?駐?琢和長度比例系數(shù)?資，然后按下式計算任一點在北京54系中的平面坐標。

　　
將得到的X54，Y54坐標可應用于GIS系統(tǒng)標圖，實現(xiàn)導航定位。

GPS信息的獲取是設計導航定位系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，本文有針對性的研究了ARM-Linux平臺與GPS接收模塊之間的串行通信。基于NMEA-0183通信協(xié)議，在Linux下通過多線程編程實現(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，為導航定位系統(tǒng)或GIS系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)基礎。