GPS模块与ARM-Linux平台数据传送研究

　　本文主要研究GPS模块与ARM-Linux平台之间采用异步串行传送方式进行数据传送的问题，利用多线程编程技术实现GPS信号采集与处理，并介绍了一种WGS坐标向地方坐标的转换方法。与GPS通信可选的协议有很多种，目前普遍采用的是NMEA-0183通信协议。

　　1 NMEA-0183通信协议

　　NMEA-0183协议[1]是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的海事无线电技术委员会(BTCM)标准，由美国国家海洋电子协会NMEA(National Marine Electronics Association)制定的通信协议，其中规定了海用和陆用GPS接收设备输出的定位位置数据、时间、卫星状态、接收机状态等信息。除NMEA-0183协议之外，还有差分用的RTCMSC-104格式，各个厂商互不兼容的二进制格式等，但以NMEA-0183使用最广泛。为实现ARM-LINUX平台与GPS之间的通信，应清楚协议规定的GPS输出的数据格式和报文。NMEA-0183规定的格式如下：

　　波特率：4 800 b/s

　　数据位：8 bit

　　奇偶校验：无

　　开始位：1 bit

　　停止位：1 bit

　　报文格式：报文的语句串(十进制ASCII码)格式全部信息如图1。

　　图1中具体内容：$为串头，表示串开始;GP为交谈识别符。XXX为语句名，NMEA规定的常用语句有以下6种：GGA，卫星定位信息;GLL，地理位置-经度和纬度;GSA，GNSS DOP偏差信息，说明卫星定位的信号的优劣情况;GSV，GNSS天空范围内的卫星;RMC，最基本的GNSS信息，指能够达到定位目的的基本信息等语句。ddd为数据字段，字母或数字，“，”为域分隔符;*表示串尾;hh表示$与*之间所有字符代码的校验和;为回车控制符;为换行控制符。

　　在实际的GPS应用中，并不会用到NMEA的全部信息，而是根据具体的需要，从中选取有用的信息，忽略其余的信息内容。下面以GPRMC语句为例来介绍。该语句包含时间、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以满足一般的导航需求。GPRMC语句的结构为：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，*hh。

　　数据区说明如下：

　　(1)UTC时间，hhmmss.sss(时分秒.毫秒)格式;

　　(2)定位状态，A=有效定位，V=无效定位;

　　(3)纬度ddmm.mmmm (度分)格式(前面的0也将被传输);

　　(4)纬度半球N(北半球)或S(南半球);

　　(5)经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输);

　　(6)经度半球E(东经)或W(西经);

　　(7)地面速率(000.0～999.9节，前面的0也将被传输);

　　(8)地面航向(000.0～359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输);

　　(9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;

　　(10)磁偏角(000.0～180.0度，前面的0也将被传输);

　　(11)磁偏角方向，E(东)或W(西)。

　　2 目标平台

　　本文中使用的是以SAMSUNG公司的ARM9系列中的16/32位RISC处理器S3C2410A芯片为核心的目标平台。S3C2410A包含一个16/32位的RISC(ARM920T)CPU内核、独立的16 KB的指令和16 KB数据缓存(cache)、用于虚拟内存管理的MMU单元、LCD控制器(STN&TFT)、非线性(NAND)Flash、系统管理器(包括片选逻辑控制和SDRAM控制器)及3个通道的异步串口(UART)。目标板资源包括S3C2410的微处理器，主频200 MHz;16 MB的Flash;64 MB的SDRAM;RS-232C UART接口;LCD液晶显示屏。

　　在目标板上选配的GPS模块是HIMARK公司的GPS模块，此模块是符合民用标准的GPS接收器，信号接收性能好，功耗较小，整体工作比较稳定。整体硬件设计框图如图2所示。

3 交叉编译环境的建立

　　基于嵌入式Linux操作系统的应用开发模式通常都是宿主机+目标机[2]。目标机用于运行操作系统和系统应用软件，而目标板所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试则需要通过宿主机(资源丰富处理能力强的PC)来完成，称之为交叉编译。双方之间一般通过串口、并口或以太网接口建立连接关系。

　　(1)配置minicom：在宿主机Redhat Linux 9.0的X windows界面下新建终端，在终端命令提示符后输入minicom-s，回车，然后按照提示设置波特率115200，8位数据，1位停止位，无流控，保存退出。

　　(2)TFTP服务的配置：在终端中运行setup->system service->tftp增加TFTP服务，并去掉ipchains和iptables 两项，然后在Firewall configuration，选中no firewall，保存退出，执行service xinetd restart启动TFTP服务。

　　(3)NFS服务器的配置：在终端中运行setup->system service->NFS，增加NFS服务，然后编辑文件exports，添加与目标机共享的目录，并设置目标机对目录的访问权限，重新启动NFS服务。

　　(4)Linux内核移植：通过并口，宿主机向目标开发板的Flash烧写引导程序ppcboot，烧写完毕后通过TFTP服务把经过裁剪的Linux内核镜像文件以及根文件系统下载到目标板的RAM中，然后由ppcboot完成内核及根文件系统从内存到Flash的烧写。最后需要在宿主机安装主编译器Arm-linux-gcc，用来交叉编译应用程序。

　　4 GPS信号的采集和处理

　　为实现ARM-Linux平台下GPS信号的采集与处理，涉及到Linux下串口编程技术，首先给出Linux串口通信的原理，然后利用多线程编程技术来完成GPS数据采集与NMEA数据格式的解析，因解析后得到的GPS定位坐标属于WGS84坐标，需转换到相应的54、80坐标或地方坐标供用户标图定位所用，因此介绍了一种坐标转换方法。

　　4.1 GPS数据采集与处理

　　大多数GPS接收机与各种处理器平台进行数据交换时，都采用异步串行传送方式，提供一个符合RS-232C电气标准的数据接口。

　　在Linux操作系统中，所有设备以设备文件的形式存储在目录/dev/下，串口设备文件为/dev/ttyS*，在Linux中，若要设置串口的参数，如改变串口的波特率、字符大小等，可通过POSIX标准终端接口[3]，该接口被称为termios，在系统头文件中定义。它包括一个数据结构和一系列操纵这些数据结构的函数组成。有关串口的所有参数配置都保存在接口termios的结构struct termios中，该结构定义如下：

　　struct termios

　　{

　　tcflag_t c_iflag; /*输人模式标志*/

　　tcflag_t c_oflag; /*输出模式标志*/

　　tcflag_t c_cflag; /*控制模式标志*/

　　tcflag_t c_lflag; /*本地模式标志*/

　　cc_t c_cc[NCCS];/*特殊控制字符*/

　　}

　　其中的c_iflag成员是用来控制输入处理选项的，它影响到终端驱动程序将输入发送给程序前是否对其进行处理，及怎样对其进行处理。c_oflag成员是用来控制输出数据的处理，并决定在发送输出数据到显示屏和其他输出设备之前，终端驱动程序是否以及如何来处理它们。c_cflag用于存放各种决定终端设备硬件特性的控制标志，如串口的波特率、奇偶校验、停止位、数据位等。存放在c_lflag 中的本地模式标志用来操纵串口如何处理输入字符，比如是否将输入字符显示到显示屏上，一般可通过此成员来设置串口为正规模式或是非正规模式。c_cc数组成员用来定义支持的特殊控制字符以及一些timeout参数。

　　除了上面的这个包含串口参数配置的数据结构之外，termios中还包含许多控制串口特性的函数。其中重要的几个函数如：tegetattr( )、tesetattr( )、cfsetispeed( )、cfsetospeed( )、tcflush( )。tegetattr( )用来初始化一个termios数据结构，之后可使用其他的函数来操纵由tegetattr( )返回的数据结构。完成这些操作后，使用tesetattr( )来更新串口的设置。cfsetispeed( )用来设置串口的输入速度。cfsetospeed( )用来设置串口的输出速度。tcflush( )用来清除所有队列在串口的输入与输出。

　　在Linux下采用多线程编程技术可大大节省系统的开销，方便各线程之间通信，提高应用程序的响应，改善程序结构，从而可以提高嵌入式系统的性能。本文就是利用Linux下多线程编程来实现GPS数据的采集和处理，在GPS模块的初始化GPS_Initial函数中创建接收线程GPS_Thread_Port_Svc，在接收线程中调用GPS信息语句的解析函数GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data)，进一步调用语句字符串解析函数

　　GPS_Parse_Data_Line(char*str_gprs_data_line，GPS_DATA_TYPE*GPS_DATA)。在GPS语句的处理过程中，需对所读取的语句进行鉴别区分，只选取其中要用的信息进行处理而忽略其余的信息，这就要根据NMEA-0183协议中规定的语句格式来进行解析。图3给出了GPS数据处理流程。

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下面是程序实现的关键函数部分代码。

　　/*包含必要的头文件*/

　　#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’);/*打开串口，并设置通信属性，如波特率，数据位，有无奇偶校验，停止位等*/

　　ret_thread=pthread_create(&pthr_id，NULL，GPS_

　　Thread_Port_Svc，NULL);/*创建接收线程*/

　　…

　　}

　　void*GPS_Thread_Port_Svc(void*pData)

　　{/*接收线程函数*/

　　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));/*读串口，接收数据*/

　　GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data);

　　/*调用解析语句函数，*/

　　…}

　　在GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data)函数中每接收一个GPS语句，调用一次字符串解析函数。

　　GPS_Parse_Data_Line(char*str_gprs_data_line，GPS_DATA_TYPE*GPS_DATA){

　　char*temptr;

　　temptr=str_gprs_data_line;

　　/*字符串赋给临时指针，然后对其解析*/

　　if(strncmp(temptr，RMC_DATA_L，strlen(RMC_DATA_L))==0) {/*解析RMC语句串*/

　　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信息处理的部分代码。经过交叉编译调试下载至目标平台上，运行后可得到本地地理位置信息。实验所得数据为：时间10:28:35;纬度：北纬30°46’;经度：东经103°57’。用户也可以根据需要选择提取GPS的其他语句，只需编写解析相应语句字符串的代码即可。

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4.2 GPS坐标的转换

　　上述所得的结果属于WGS84坐标，而在工程上实用的大多是国家坐标系，因此GPS数据采集结果的使用就存在与国家坐标系间的坐标转换问题。一般要通过两步转换：首先将上述实测经纬度坐标即WGS84大地坐标(L，B)转换为对应于WGS84椭球的高斯平面坐标(X84，Y84)，然后再经过平面坐标转换，将高斯平面坐标(X84，Y84)强制附合到本地高斯平面坐标系统[4]。

　　(1)高斯投影换算

　　将GPS采集所得出的大地坐标(L，B)转换为高斯平面坐标(X84，Y84)。有关的推导过程较复杂，本文只给出结果：

　　由上述原理利用EXCEL就可以算出对应的高斯平面坐标。

　　(2)平面坐标转换

　　平面坐标转换的目的就是将高斯投影换算得出平面坐标(X84，Y84)转换为当地国家坐标系的平面坐标。下面介绍一种平均转轴相似转换法，以转换为北京54坐标系下的平面坐标(X54，Y54)为例，说明该方法实现过程。

　　首先，根据公共点分别在WGS84和北京54系中的高斯平面坐标，求出该点在两个坐标系中同一边的方位角之差?驻?琢和长度比例系数?资，然后按下式计算任一点在北京54系中的平面坐标。

　　将得到的X54，Y54坐标可应用于GIS系统标图，实现导航定位。

　　基于NMEA-0183通信协议，在Linux下通过多线程编程实现了GPS基本定位信息的采集与处理，所得数据满足精度要求，为导航定位系统或GIS系统提供了数据基础。