基于嵌入式ARM-Linux的GPS智能終端設計

蘇麗華,趙可萍,崔 玥

摘 要:基于ARM處理器和嵌入式Linux 操作系統的特點,利用CDMA網絡在數據傳輸中的優點和GPS智能監控系統結構,實現在32位RISC處理器AT91RM9200和嵌入式Linux操作系統平臺下將GPS技術與CDMA網絡相結合的嵌入式智能終端設計。系統功能簡化了多任務程序設計,降低了開發難度。數據傳輸有著永遠在線、費用低廉的優點,同時確保數據傳輸萬無一失。隨著移動通信網絡的發展, GPS智能終端在3G移動通信系統中有著廣闊的應用前景。

關鍵詞:嵌入式Linux;AT91RM9200;CDMA;智能終端

中圖分類號:TP273;TP316.8 文獻標識碼:B 文章編號:1004-373X(2009)12-025-03

Design of GPS Intelligent Terminal Based on Embedded ARM-Linux

SU Lihua,ZHAO Keping,CUI Yue

(School of Information and Communication Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin,300160,China)

Abstract: Based on the features of ARM processor and embedded Linux operating system,implementing the design of GPS intelligent terminal based on CDMA under 32bit RISC processor AT91RM9200 and embedded Linux operating system with the advantages of CDMA communication technology in data transmission and the components of GPS intelligent monitoring system to predigest the program of multitask and reduce the exploitation difficulty.Data transmission has the merits of online,low cost and safe.GPS intelligent terminal has wide application along with the development of mobile communication network.

Keywords:embedded Linux;AT91RM9200;CDMA;intelligent terminal

GPS智能終端是智能交通系統(ITS系統)的重要組成部分,它將衛星定位技術(GPS)、地理信息系統(GIS)以及無線通信技術融于一身。目前,衛星定位終端通常由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,將GPS技術與CDMA網絡相結合的嵌入式智能終端并設計。該終端具有將GPS終端的動態位置、時間、狀態等信息實時地通過CDMA無線網絡鏈接到控制中心,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、終端狀態等基本信息進行監控和查詢;報警(包括主動報警和自動報警);顯示調度信息;外接設備數據采集、本地溫度采集及遠程監控等功能。

1 GPS智能監控系統總體設計方案

GPS智能終端與監控中心的通信方式是影響整個ITS系統功能的重要因素。為了解決目前終端采用GSM,GPRS網絡進行數據傳輸不足的問題,設計中采用CDMA 1X網絡,其理論傳輸速率可達300 Kb/s,數據傳輸速率高,永遠在線,基于IP協議可以訪問整個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及距海岸線120 km內的海域,基本不存在盲區。通信速度遠高于GPRS網絡,更加適合于大數據量、實時傳輸監控,而且易于平滑過渡到3G移動通信系統。GPS智能監控系統由GPS智能終端、CDMA網絡、Internet網、監控中心組成,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控制的ARM芯片,有較寬的工作溫度以及其他較好的工業參數,同時集成了豐富的系統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 2.0設備口;一個10/100 Mb/s Ethernet通信接口;4個同步/異步串口;多種串行數據通路;支持I2C,I2S等。其豐富的外部設備和數據傳輸特性是選擇它作為主控制器的主要原因。

圖1 基于CDMA網絡的GPS智能監控系統

2.2 硬件設計

GPS智能終端的硬件系統構成如圖2所示。

圖2 GPS智能終端的硬件結構框圖

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發出的位置信息,解析出其中有用數據進行封裝,然后以規定格式通過串口2交給CDMA模塊,通過CDMA網絡接入Internet網最終送至ITS監控中心;接收并解析ITS控制中心發來的短消息命令,按命令進行上傳定位等操作;把系統運行狀態及ITS控制中心發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 無線數據傳輸。高速上下行速率與大緩存,數據傳輸速率高達153.6 Kb/s,可通過AT命令遠程控制內置TCP/IP協議堆棧。DTGS-800與AT91RM9200通過串口UART2實現數據的收發和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協議的數據格式。GPS模塊通過串口3將數據以固定的幀格式發送至AT91RM9200。GPS模塊需要配備專門的GPS天線接收GPS衛星信號。一般在比較開闊的地區,需接收到3顆以上的GPS衛星信號才能進行準確定位。

2.2.4 存儲器系統

存儲器系統采用4 MB NOR FLASH,64 MB NAND FLASH和32 MB SDRAM。NOR FLASH通過16位數據總線與CPU交換數據,用來存儲Uboot,Linux內核、文件系統;NAND FLASH存儲應用程序,作為系統的數據存儲器,如加載電子海圖等。為充分發揮32位ARM 處理器的數據處理能力,選用2片16位的HY57V281620HG并聯,以構建32位SDRAM與ARM交換數據。SDRAM在系統中主要用作程序的運行空間、數據及堆棧區。

首先,通過JTAG口將Uboot、Linux內核、文件系統燒寫到NOR FLASH,將應用程序燒寫到NAND FLASH。在系統啟動時,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NOR FLASH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。

3 GPS智能終端的軟件設計

嵌入式Linux系統只需引導程序、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境,配置編譯內核,制作文件系統,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網絡數據傳輸程序、GPS串口通信程序等。

(1) 系統加電后復位;

(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網絡數據傳輸程序,通過CDMA網絡與Internet進行連接;

(7) 運行GPS串口通信程序,通過串口將GPS數據送至AT91RM9200。

至此,已建立了從GPS數據采集到數據傳輸的完整的嵌入式監控系統。

3.2 無線接入網絡程序

終端由CDMA網絡接入Internet后,通過互聯網進行數據傳輸。系統上電和載入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。由于該終端在功能上映射為無線Modem,所以登陸網絡需進行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串口通信程序和網絡數據傳輸程序;最后使用Internet結束后,關閉無線連接。

3.3 CDMA網絡數據傳輸程序

在Linux操作系統下,監控終端通過CDMA網絡與Internet連接,將數據上傳到監控中心。套接字Socket是許多操作系統網絡編程的通用API,是介于網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議的大量系統調用和相應數據結構,進程在Linux上的網絡通信過程就是使用套接字傳輸數據的過程。文中介紹的Socket通信采用面向連接的TCP協議。

客戶端和服務器端的TCP應用程序流程如圖3所示。客戶機部分先由Socket()創建本地套接口,給服務器端套接口地址結構賦值;用Connect()函數使本地套接口向服務器端套接口發出建立連接請求,經3次握手建立TCP連接;若連接建立成功,則用Send()和Recv()函數與服務器通信;通信結束,用Close()關閉套接口。

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

3.4 GPS串口通信程序

GPS串口通信程序是對采集到的GPS數據和車輛狀態數據進行解析;對時間、經度、緯度、速度及超速報警等數據解析,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接收數據采用NMEA0183格式,串行通信參數為8位數據位,無奇偶校驗;1位停止位,無數據流控制。波特率設為115 200 b/s。判斷幀起始是否為$GPGGA,如果是,按位讀取GPS數據,從中提取UTC時間、經度、緯度、速度,并按定義好的幀格式順序傳送至ARM,再由CDMA模塊轉發至監控中心服務器。

圖3 客戶機和服務器TCP應用程序流程

圖4 GPS模塊的工作流程

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調用完成打開、關閉、讀取和寫入設備等操作。系統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(0～255);次設備號用來區分同一個驅動程序控制的不同設備。

圖5GPS數據采集、接收的調試界面

4 實驗與結果

運行嵌入式目標板的客戶端程序采集GPS數據并發送,在上位機上運行服務器端就能接收到GPS數據。如圖5所示為GPS數據采集、接收的調試界面的數據,比較監控中心服務器接收到的GPS數據與終端采集到GPS數據相一致,實現了終端與監控中心無線、實時數據傳輸。本終端運行穩定、系統響應時間小于等于3 s,網絡良好情況下數據傳輸速率達115 200 b/s。

5 結 語

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

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