基于ARM920處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的GPS智能終端設計解析

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（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）以及無線通信技術融于一身。目前，衛(wèi)星定位終端通常由8位／16位單片機、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外殼里的分體式結構。這里介紹一種基于ARM920處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將GPS技術與CDMA網(wǎng)絡相結合的嵌入式智能終端并設計。該終端具有將GPS終端的動態(tài)位置、時間、狀態(tài)等信息實時地通過CDMA無線網(wǎng)絡鏈接到控制中心，在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進行顯示，并對終端的準確位置、速度、運動方向、終端狀態(tài)等基本信息進行監(jiān)控和查詢；報警（包括主動報警和自動報警）；顯示調度信息；外接設備數(shù)據(jù)采集、本地溫度采集及遠程監(jiān)控等功能。

1 GPS智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設計方案

GPS智能終端與監(jiān)控中心的通信方式是影響整個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)絡進行數(shù)據(jù)傳輸不足的問題，設計中采用CDMA 1X網(wǎng)絡，其理論傳輸速率可達300 Kb／s，數(shù)據(jù)傳輸速率高，永遠在線，基于IP協(xié)議可以訪問整個Internet；按流量收費，價格合理；具有良好的可擴展性，覆蓋室內絕大部分地區(qū)及距海岸線120 km內的海域，基本不存在盲區(qū)。通信速度遠高于GPRS網(wǎng)絡，更加適合于大數(shù)據(jù)量、實時傳輸監(jiān)控，而且易于平滑過渡到3G移動通信系統(tǒng)。GPS智能監(jiān)控系統(tǒng)由GPS智能終端、CDMA網(wǎng)絡、Internet網(wǎng)、監(jiān)控中心組成，如圖1所示。

2 GPS智能終端的硬件設計

2．1 平臺介紹

采用ARM處理器和嵌入式技術設計的移動終端，相對于以8位／16位單片機作為中央處理器的終端而言，無論是功能上，還是人機界面都有顯著提高，是微處理器技術的重要發(fā)展。這里選用Atmel公司的AT91RM9200處理器為主控制器。該內核屬于專門用于工業(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)，同時集成了豐富的系統(tǒng)應用外設及標準接口；在180 MHz主頻下高達200 MIPS處理速度；外部總線接口EBI。；兩個USB 2．0主機口和一個USB 2．O設備口；一個10／100 Mb／s Ethernet通信接口；4個同步／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 硬件設計

GPS智能終端的硬件系統(tǒng)構成如圖2所示。

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，在實際通信時兩路連接都加有LVTTL電平到RS 232電平的轉換電路。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)進行封裝，然后以規(guī)定格式通過串口2交給CDMA模塊，通過CDMA網(wǎng)絡接入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)來的短消息命令，按命令進行上傳定位等操作；把系統(tǒng)運行狀態(tài)及ITS控制中心發(fā)來的信息在液晶屏上顯示出來。

2．2．2 CDMA通信模塊

CDMA模塊是整個系統(tǒng)的通信基礎，設計中采用Fidelix公司的CDMA通信模塊FD810。該模塊內嵌的高通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153．6 Kb／s，可通過AT命令遠程控制內置TCP／IP協(xié)議堆棧。DTGS-800與AT91RM9200通過串口UART2實現(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模塊需要配備專門的GPS天線接收GPS衛(wèi)星信號。一般在比較開闊的地區(qū)，需接收到3顆以上的GPS衛(wèi)星信號才能進行準確定位。

2．2．4 存儲器系統(tǒng)

存儲器系統(tǒng)采用4 MB NOR FLASH，64 MBNAND FLASH和32 MB SDRAM。NOR FLASH通過16位數(shù)據(jù)總線與CPU交換數(shù)據(jù)，用來存儲Uboot，Linux內核、文件系統(tǒng)；NAND FLASH存儲應用程序，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器，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行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。

首先，通過JTAG口將Uboot、Linux內核、文件系統(tǒng)燒寫到NOR FLASH，將應用程序燒寫到NANDFLASH。在系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復位地址0x0處讀取啟動代碼，并將存有引導程序Uboot的NORFLASH存儲器配置到：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啟動嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

3 GPS智能終端的軟件設計

嵌入式Linux系統(tǒng)只需引導程序、Linux微內核、初始化進程3個基本元素，移植嵌入式Linux，就是使實時內核能在其他處理器（CPU）或微控制器（MCU）上運行。將嵌入式Linux移植到AT91RM9200平臺上，一般需要4個步驟：下載源碼和建立交叉編譯環(huán)境，配置編譯內核，制作文件系統(tǒng)，下載和調試內核。

3．1 應用程序設計

應用程序包括Uboot啟動代碼、串口設備驅動程序、CDMA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸程序、GPS串口通信程序等。

（1）系統(tǒng)加電后復位；

（2）Uboot初始化CPU，SDRMA，分配地址空間等；

（3）Uboot把Linux內核的壓縮文件解壓到SDRAM中，同時Uboot把控制權移交到Linux。

Linux的內核有在FLASH存儲器上直接運行和加載到內存中運行2種工作方式。這里采用的FLASH存儲器運行方式相對較復雜，但運行速度更快；

（4）開始執(zhí)行SDRMA中的代碼，Linux內核初始化，完成堆棧和中斷的分配等；

（5）加載串口驅動模塊，完成串口的初始化；

（6）運行CDMA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸程序，通過CDMA網(wǎng)絡與Internet進行連接；

（7）運行GPS串口通信程序，通過串口將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 無線接入網(wǎng)絡程序

終端由CDMA網(wǎng)絡接入Internet后，通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上電和載入Linux后，首先初始化CDMA模塊，進行端口設置和波特率設置（115 200 b／s）；然后進入撥號等待狀態(tài)。由于該終端在功能上映射為無線Modem，所以登陸網(wǎng)絡需進行PPP撥號連接，接入號為#777，用戶名和密碼均為CARD。啟動程序后，確認是否撥號成功，若成功撥號，則調用GPS串口通信程序和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸程序；最后使用Internet結束后，關閉無線連接。

3．3 CDMA網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸程序

在Linux操作系統(tǒng)下，監(jiān)控終端通過CDMA網(wǎng)絡與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)絡編程的通用API，是介于網(wǎng)絡應用層和傳輸層之間的編程接口。套接字提供了訪問下層通信協(xié)議的大量系統(tǒng)調用和相應數(shù)據(jù)結構，進程在Linux上的網(wǎng)絡通信過程就是使用套接字傳輸數(shù)據(jù)的過程。，文中介紹的Socket通信采用面向連接的TCP協(xié)議。

客戶端和服務器端的TCP應用程序流程如圖3所示?？蛻魴C部分先由Socket（）創(chuàng)建本地套接口，給服務器端套接口地址結構賦值；用Connect（）函數(shù)使本地套接口向服務器端套接口發(fā)出建立連接請求，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)與服務器通信；通信結束，用Close（）關閉套接口。

服務器部分由Socket（）創(chuàng)建套接口，并給套接口地址結構賦值；調Bind（）函數(shù)綁定套接口、用Listen（）函數(shù)在該套接口上監(jiān)聽請求；當Accept（）函數(shù)接受請求，產(chǎn)生新的套接口及描述字，并與客戶端連接；在用Fork（）函數(shù)派生新的子進程與客戶端通信，主進程繼續(xù)處理其他請求。

3．4 GPS串口通信程序

GPS串口通信程序是對采集到的GPS數(shù)據(jù)和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)進行解析；對時間、經(jīng)度、緯度、速度及超速報警等數(shù)據(jù)解析，并以固定格式通過串口3傳送到AT91RM9200。GPS模塊的工作流程如圖4所示。

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，無奇偶校驗；1位停止位，無數(shù)據(jù)流控制。波特率設為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，所有的硬件設備都被看成是普通文件，可以通過與普通文件相同的標準系統(tǒng)調用完成打開、關閉、讀取和寫入設備等操作。系統(tǒng)中每一個設備都用一種特殊的設備相關文件表示，存放在／dev目錄下。在Linux中，對每一個設備的描述是通過主設備號和次設備號來惟一確定的。由同一個設備驅動控制的所有設備具有相同的主設備號，主設備號描述控制這個設備的驅動程序，即驅動程序與主設備號是一一對應的（O～255）；次設備號用來區(qū)分同一個驅動程序控制的不同設備。

4 實驗與結果

運行嵌入式目標板的客戶端程序采集GPS數(shù)據(jù)并發(fā)送，在上位機上運行服務器端就能接收到GPS數(shù)據(jù)。如圖5所示為GPS數(shù)據(jù)采集、接收的調試界面的數(shù)據(jù)，比較監(jiān)控中心服務器接收到的GPS數(shù)據(jù)與終端采集到GPS數(shù)據(jù)相一致，實現(xiàn)了終端與監(jiān)控中心無線、實時數(shù)據(jù)傳輸。本終端運行穩(wěn)定、系統(tǒng)響應時間小于等于3 s，網(wǎng)絡良好情況下數(shù)據(jù)傳輸速率達115 200 b／s。

5 結 語

利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)平臺提供的系統(tǒng)功能，可以簡化多任務程序設計，降低開發(fā)難度，輕松地完成前后臺編程方法難以完成的任務。由于CDMA數(shù)據(jù)傳輸有著永遠在線、費用低廉，并且能夠切換到SMS方式，保證數(shù)傳萬無一失的諸多優(yōu)點，而且隨著移動通信網(wǎng)絡的發(fā)展，該GPS智能終端更易平滑過渡到3G移動通信系統(tǒng)。因此將會有更廣闊的應用前景。