一種GPS移動(dòng)設(shè)備的實(shí)現(xiàn) - 全文

GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，在機(jī)械領(lǐng)域GPS則有另外一種含義：產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（Geometrical Product Specifications）-簡(jiǎn)稱GPS.由于GPS技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

如何設(shè)計(jì)一個(gè)帶有GPS功能的移動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收和解碼，已經(jīng)是現(xiàn)在CPS應(yīng)用的熱點(diǎn)。

　　1 開發(fā)平臺(tái)

　　1．1 軟件平臺(tái)

　　為適應(yīng)大多數(shù)Windows用戶的使用習(xí)慣，我們?cè)O(shè)定移動(dòng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境為嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5．0，開發(fā)過程在Windows XP操作系統(tǒng)下進(jìn)行。開發(fā)軟件為Visual Studio 2005，編程語言為C++。VS2005是Windows操作系統(tǒng)下的一套完整的開發(fā)工具，用于生成ASP Web應(yīng)用程序、XML Web services、桌面應(yīng)用程序和移動(dòng)應(yīng)用程序。通過使用這些工具和．NETFramework精簡(jiǎn)版，可以在個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、移動(dòng)電話和其他資源受約束的設(shè)備中，創(chuàng)建、生成、調(diào)試和部署在．NET Framework精簡(jiǎn)版上運(yùn)行的應(yīng)用程序。

　　WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，它是精簡(jiǎn)的Windows 95,Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。Windows CE 被設(shè)計(jì)成針對(duì)小型設(shè)備（它是典型的擁有有限內(nèi)存的無磁盤系統(tǒng)）的通用操作系統(tǒng)，Windows CE 可以通過設(shè)計(jì)一層位于內(nèi)核和硬件之間代碼來用設(shè)定硬件平臺(tái)，這即是眾所周知的硬件抽象層（HAL）（在以前解釋時(shí)，這被稱為 OEMC （原始設(shè)備制造）適應(yīng)層，即 OAL; 內(nèi)核壓縮層，即 KAL. 以免與微軟的 Windows NT 操作系統(tǒng) HAL 混淆） .

　　1．2 硬件平臺(tái)

　　1．2．1 嵌入式開發(fā)板

　　由于設(shè)定移動(dòng)設(shè)備使用的運(yùn)行環(huán)境為WINCE 5．0，過程中需要處理大量的數(shù)據(jù)，所以對(duì)開發(fā)板要求較高。目前WinCE 5．0支持的處理器主要有ARM、X86、PowerPC、MIPS等，其中ARM是近年來在嵌入式系統(tǒng)中很有影響力的微處理器架構(gòu)?？紤]到本系統(tǒng)移動(dòng)終端的體積、功耗、成本等因素，最后決定選用arm內(nèi)核的處理器，開發(fā)板為光嵌公司的GEC2440，主要參數(shù)如表l所示。

　　1．2．2 GPS接收模塊

　　GPS接收模塊負(fù)責(zé)接收GPS射頻信號(hào)，將信號(hào)下變頻和解調(diào)，輸出標(biāo)準(zhǔn)的串口信號(hào)供處理器進(jìn)行下一步處理。本設(shè)計(jì)中用到的GPS接收模塊為L(zhǎng)evave公司的GPS-R36-AT模塊，性能參數(shù)如表2所示。該接收模塊主要包含基帶芯片和射頻芯片，采用了SIRF III模塊，整合片狀陶瓷芯片，無需外加天線，接收C／A碼衛(wèi)星信號(hào)，輸出的信號(hào)為NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù)，通過串口與主設(shè)備進(jìn)行通信。

　　2 整體設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)主要依照GPS數(shù)據(jù)信號(hào)的流向來進(jìn)行。GPS數(shù)據(jù)信號(hào)通過串口讀入到開發(fā)板主程序，然后經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解碼獲得當(dāng)前位置的經(jīng)緯度信息，再在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢獲得當(dāng)前位置的地名，整個(gè)過程由觸摸屏進(jìn)行顯示，并通過觸摸屏完成人機(jī)交互。

　　2．1 串口驅(qū)動(dòng)

　　Microsoft eMbedded Tools封裝了Windows API函數(shù)，便于Windows CE應(yīng)用程序的開發(fā)。在Windows CE中，所有的設(shè)備都被看成是文件。串口通信可以像訪問普通文件那樣通過API通信函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的虛擬驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)執(zhí)行特定的工作。在Windows CE下串行端口被視為用于打開、關(guān)閉、讀寫串行端口的常規(guī)可安裝的流設(shè)備，是串行設(shè)備接口的常規(guī)I／O驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用和與通信相關(guān)的具體函數(shù)的結(jié)合。Windows CE的通信函數(shù)和其它大多數(shù)Windows的通信函數(shù)相似，值得注意的是，Windows CE不支持直接對(duì)串行端口的寄存器進(jìn)行編程。

　　2．1．1 打開和關(guān)閉串口

　　CreateFile函數(shù)用于打開串行口。m_hDSComm=CreateFile(_T("COM2："))，GENER2IC_READ|GENER IC_WR ITE，0，NULL，OPEN_EXISTIN-G，0,NULL)。注意COM2后面要有一個(gè)冒號(hào)。第三個(gè)參數(shù)dwShareMode也必須為O，通信端口不能像文件一樣被共享。最后一個(gè)參數(shù)dwFlagsAnd-Attributes必須為0，因?yàn)閃indows CE只支持非重疊I／O。這個(gè)函數(shù)的返回值是已打開的串行端口的句柄或者是INVALLD_HANDLE_VALUE。關(guān)閉串口可以調(diào)用CloseHandle(m_hDSComm)。

　　2．1．2 串口參數(shù)設(shè)置

　　串口設(shè)置主要是用DCB構(gòu)配置端口設(shè)置，包括波特率、停止位、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、校驗(yàn)位、流量控制和超時(shí)值等等。首先打開串行端口，用GetCommState函數(shù)獲得當(dāng)前打開的串口配置，然后根據(jù)需要修改DCB成員，最后用SetCommState函數(shù)設(shè)置新的串口配置。

　　2．1．3 設(shè)置緩沖區(qū)大小和超時(shí)

　　對(duì)串口來說，必須設(shè)置超時(shí)值，否則程序可能陷入到一個(gè)循環(huán)來等待來自串口的字符。這對(duì)采用WindowsCE的設(shè)備來說，將大大減少設(shè)備電池的使用時(shí)間，所以超時(shí)值是必須配置的。另外一種解決辦法就是采用多線程。通常，配置超時(shí)值和配置串口類似。首先用GetCommTi-meouts函數(shù)獲得當(dāng)前串口的超時(shí)值，然后修改COM2MTIMEOUTS成員，最后用SetCommTimeouts函數(shù)設(shè)定超時(shí)值。

　　2．1．4 讀寫串口

　　利用ReadFile和WriteFile函數(shù)讀寫串口。需要注意的是Windows CE不支持重疊I／O，所以如果在主線程進(jìn)行大量讀寫串口操作時(shí)，有可能使整個(gè)程序陷入緩慢的串口等待中去，因此一般都采用多線程來進(jìn)行讀寫串口操作。

　　2．2 GPS數(shù)據(jù)處理

　　GPS數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。GPS接收模塊通過串口2將定位數(shù)據(jù)(NMEA0183 Ver2．0)傳給開發(fā)板，然后應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。在VS2005中，直接利用串口通信方法將定位數(shù)據(jù)讀入，接著進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的分類，并提取出所需要的信息，同時(shí)將這些有用的信息傳給主應(yīng)用程序，主應(yīng)用程序再將GPS接收模塊的控制信息整理成NEMA0183 VER2．0語句。

　　2．3 信號(hào)接收與處理

　　GPS接收到位置信號(hào)后，系統(tǒng)將對(duì)GPS的定位信息進(jìn)行分解并提取出有用數(shù)據(jù)。GPS信號(hào)接收和處理的過程是：通過串口2將GPS輸出的數(shù)據(jù)傳遞給開發(fā)板，開發(fā)板主程序獲得目標(biāo)當(dāng)前的位置(經(jīng)緯度坐標(biāo))，將接收機(jī)獲得的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，從中得到目標(biāo)當(dāng)前的位置和格林威治時(shí)間(該時(shí)間加上8小時(shí)即為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)，再將當(dāng)前位置在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，獲得當(dāng)前的具體地點(diǎn)名。

　　經(jīng)緯度隨著開發(fā)板的移動(dòng)是不斷變化的，在控件顯示時(shí)要設(shè)定一個(gè)TIMER來更新值，本程序設(shè)置的是1s，如果在實(shí)際應(yīng)用中移動(dòng)速度非常快的話可以把TIMER更新值設(shè)得更小。

　　2．4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用三星TFT顯示屏，分辨率為420×272。人機(jī)界面基本功能包括串口選擇控件、波特率選擇控件、經(jīng)緯度顯示框、地點(diǎn)顯示框、“搜星”按鈕、“地點(diǎn)查詢”按鈕、文本框等，具體交互界面設(shè)計(jì)如圖2所示。串口和波特率兩個(gè)控件為串口選擇和波特率的選擇，其中串口選擇控件提供串口l和串口2進(jìn)行選擇；波特率控件提供有三種設(shè)置，分別為4800、9600、19200?！八研恰卑粹o為打開對(duì)應(yīng)串口，開始從GPS接收模塊接收數(shù)據(jù)。“地點(diǎn)查詢”按鈕用來顯示當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地點(diǎn)名，當(dāng)搜到星后，按這個(gè)按鈕，通過查詢經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以查到對(duì)應(yīng)地名。最下面的文本框顯示原始的數(shù)據(jù)流。

　　人機(jī)界面（Human–Machine Interaction,簡(jiǎn)稱HMI），是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱界面所說人機(jī)結(jié)合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機(jī)器的硬接觸和軟觸，此結(jié)合面不僅包括點(diǎn)線面的直接接觸，還包括遠(yuǎn)距離的信息傳遞與控制的作用空間。人機(jī)結(jié)合面是人機(jī)系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學(xué)的分支學(xué)科安全人機(jī)工程學(xué)去研究和提出解決的依據(jù)，并過安全工程設(shè)備工程學(xué)，安全管理工程學(xué)以及安全系統(tǒng)工程學(xué)去研究具體的解決方法手段措施安全人機(jī)學(xué)。

　　3 操作系統(tǒng)移植

　　WinCE 5．0操作系統(tǒng)的移植主要是基于硬件平臺(tái)進(jìn)行BSP開發(fā)。BSP是基于WinCE 5．0平臺(tái)系統(tǒng)的主要部分，它主要由一些源文件和二進(jìn)制文件組成，又稱主板支持軟件包，它是一個(gè)主要由包含啟動(dòng)程序(bootloader)、OEM適配層程序(OAL)相關(guān)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的軟件包，另外還可以把上層的應(yīng)用也放到BSP中。在BSP內(nèi)部，通過OAL鏈接到系統(tǒng)核心，而驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)配置文件是與OAL層相互關(guān)聯(lián)來完成驅(qū)動(dòng)設(shè)備和配置系統(tǒng)的功能。在BSP外部，我們可以看到一個(gè)建立在硬件平臺(tái)上的主板支持包。在開發(fā)過程中可以利用開發(fā)板運(yùn)營(yíng)商提供的BSP包進(jìn)行操作系統(tǒng)的定制，定制完成后固化到Nandflash中。

　　4 測(cè)試

　　因?yàn)殚_發(fā)板的串口2直接與GPS接收模塊的串口相連，所以串口設(shè)置選擇串口2。波特率應(yīng)與GPS接收模塊匹配，設(shè)置為4800。GPS模塊為上電即啟動(dòng)，并且不能關(guān)閉，所以點(diǎn)擊“搜星”按鈕即可接收數(shù)據(jù)。啟動(dòng)“搜星”按鈕后1min左右，就能顯示正確的經(jīng)緯度。點(diǎn)擊“地點(diǎn)查詢”按鈕，能正確顯示地點(diǎn)信息。最下面的文本框可以顯示原始的數(shù)據(jù)流。測(cè)試時(shí)實(shí)拍的照片如圖2所示。

　　5 總結(jié)

　　文章以VS2005為軟件平臺(tái)，利用基于arm處理器的WinCE 5．0嵌入式開發(fā)平臺(tái)和GPS接收模塊，通過合理使用串口通信，實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)信號(hào)的接收與解碼，并利用觸摸屏進(jìn)行顯示，已基本具備GPS移動(dòng)設(shè)備的雛形。