基于ARM的嵌入式車載GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 前言

車載定位系統(tǒng)作為車載信息系統(tǒng)的重要部分，利用GPS等裝置，以一定精度實(shí)現(xiàn)車輛定位，包含位置、速度和行車方向等車輛姿態(tài)信息。繼一些國家之后，我國一些科研院所和高校也開始研究自己的車載定位系統(tǒng)，市場空前的繁榮。但是傳統(tǒng)系統(tǒng)功能單一、集成度不高。隨著ARM處理器在全球范圍的流行，32位的RISC嵌入式處理器已經(jīng)成為嵌入式應(yīng)用和設(shè)計(jì)的主流。同時(shí)嵌入式Linux是一個(gè)非常好的免費(fèi)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等特點(diǎn)。因此，本文提供了一套具有先進(jìn)性及工程實(shí)用性的車載定位系統(tǒng)整體解決方案，使得系統(tǒng)的性能、集成度和可擴(kuò)展性大大提高。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)

本文車載信息系統(tǒng)由以下幾部分組成：主控制部分、定位部分、通信部分、數(shù)據(jù)采集部分、顯示部分，如圖1所示。

主控制部分采用了三星公司基于ARM920T的S3C2410和Linux的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。其主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、存儲(chǔ)模塊電路、JTAG接口電路、串行口電路、LCD接口、SPI接口以及按鍵電路的設(shè)計(jì)。主控模塊通過串行口、SPI接口、LCD接口與擴(kuò)展模塊相連接構(gòu)成整個(gè)硬件系統(tǒng)。

1.2 GPS模塊的硬件設(shè)計(jì)與制作

定位部分采用了自行設(shè)計(jì)和制作了基于瑞士U-BLOX公司LEA-4S芯片的GPS接收模塊。在此給出了GPS接收模塊的整體設(shè)計(jì)，如圖2所示。

u-blox的GPS部分分為兩部分。采取數(shù)字/模擬分開設(shè)計(jì)的方法，有效提高了模塊的抗干擾能力。在硬件的設(shè)計(jì)制作過程中。也是分為兩步，即模塊部分和數(shù)字部分。模擬部分主要由天線接入端及天線供電部分/檢測(cè)電路構(gòu)成。

天線選用3v供電的有源天線，增益27dB左右，噪聲系數(shù)1.5dB左右。天線接入模塊較為復(fù)雜，從GPS有源天線接收的信號(hào)頻率高選1.575C,屬于微渡范圍。PCB設(shè)計(jì)需要滿足天線座到模塊RF_IN端的阻抗匹配為50Ω。

模塊供電電源穩(wěn)壓電路為5v轉(zhuǎn)3v的五腳LDO,對(duì)電壓穩(wěn)定精度較高，要求輸出紋波在50mV以下，電流為150mA左右，這里選用精工的SOT-23-5封裝的LDO S-11123.0V,能滿足電源供應(yīng)的要求。后備3V可充電微型鋰電池則為數(shù)據(jù)保存作用。

選擇電路為波特率的選擇及速率選擇?；蚴菃?dòng)速度之類的選擇，一般可以用默認(rèn)值。

數(shù)字部分硬件相對(duì)簡單，LEA-4S為兩路TTL電平輸出，分別為9600/11520波特率，分別支持國際通用GPS協(xié)議NMEA及u-blox公司的UBX二進(jìn)制格式。在本設(shè)計(jì)中，通過串口O提取ASCII碼，串口數(shù)據(jù)通過MAX232電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。另外，將GPS模塊的發(fā)送端和接收端經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與審口DB9交叉相連。

2軟件平臺(tái)的搭建

系統(tǒng)的軟件平臺(tái)的搭建其實(shí)就是嵌入式linux操作系統(tǒng)的移植移植工作，主要包括4步：建立交叉編譯環(huán)境，移植引導(dǎo)程序，編譯內(nèi)核，生成根文件系統(tǒng)。

交叉編譯工具主要由gcc,binutils和glibc這幾部分組成。由于重新建立一個(gè)交叉編譯工具鏈比較復(fù)雜也沒有任何意義，所以本文使用已經(jīng)做好的工具鏈。因此建立交叉編譯環(huán)境的過程實(shí)際就是對(duì)工具包c(diǎn)ross-3.3.2.tar.bz2解包的過程。

本文移植的Bootloader是韓國Mizi公司開發(fā)的vivi.首先在根目錄下創(chuàng)建一個(gè)armsys2410目錄，對(duì)vivi_armsys.tgz執(zhí)行解壓命令。解壓完成后進(jìn)人vivi_armsys.執(zhí)行命令makememmonfig,然后選擇"Load on Alternate Configuration File"菜單，再寫入arch/def-co-igs/smdk2410,進(jìn)行vivi的裁剪。執(zhí)行make命令進(jìn)行編譯，在vivi_armsys目錄下生成vivi二進(jìn)制文件。最后將其燒寫到Flash.

內(nèi)核的編譯通過命令make menueorffig進(jìn)行內(nèi)核的配置;通過命令make dep建立依賴關(guān)系;通過命令make zlmage建立內(nèi)核。得到Linux內(nèi)核壓縮映像zhnage.最后通過vivi命令提示模式下使用下載命令，將壓縮映像文件zlmge裝載到flash存儲(chǔ)器中。

Linux支持多種文件系統(tǒng)。cramfs是Linus Torvalds撰寫的只具備最基本特性的文件系統(tǒng)。本文使用mkcramfs工具對(duì)主機(jī)里已有cramfs文件系統(tǒng)進(jìn)行制作和壓縮。最后也要燒寫到flash的相應(yīng)部分。

3 GPS模塊驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

Linux將設(shè)備分為最基本的兩大類，字符設(shè)備和塊設(shè)備。字符設(shè)備是單個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行順序讀寫操作，通常不使用緩沖技術(shù);而塊設(shè)備則是以固定大小的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行存儲(chǔ)和讀的。

GPS模塊驅(qū)動(dòng)程序是在UART驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上加入對(duì)GPS模塊初始化和對(duì)GPS模塊輸出數(shù)據(jù)處理的部分，構(gòu)建一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)模塊，在導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航工作模式時(shí)掛接到系統(tǒng)內(nèi)核中，實(shí)現(xiàn)GPS功能。

3.1 初始化/清除模塊

在初始化程序段中要完成對(duì)GPS設(shè)備的注冊(cè)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建和對(duì)串口相關(guān)寄存器的初始化。部分代碼如下：

3.2 兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

模塊驅(qū)動(dòng)的最終目的就是取得GPS信息，因此規(guī)范GPS數(shù)據(jù)是對(duì)數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和速率都是有益的。

struct GPS_DATA{

unsigned int hour;//小時(shí)，24小時(shí)制

unsigned int minute;//分

unsigned long Second;//秒，精度小數(shù)點(diǎn)后三位

unsigned long latitude;//緯度

unsigned char southornorth;//緯度屬于南北的標(biāo)志碼

unsigned long longitude;//經(jīng)度

unsigned char eastorwest;//經(jīng)度屬于東西的標(biāo)志碼

};//其中包括了在導(dǎo)航系統(tǒng)中所需的幾個(gè)重要數(shù)據(jù)。

另外還有對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊文件操作結(jié)構(gòu)的定義。即：

static struct file_operations gps_fops={ead:gps_read,

rite:gps_write,

octl:gps_ioctl,

open:gps_open,

elease:gps_release,

};//定義了設(shè)備操作映射函數(shù)結(jié)構(gòu)。

3.3 驅(qū)動(dòng)程序的模塊操作

在導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入GPS導(dǎo)航模式時(shí)，系統(tǒng)首先是將GPS模塊注冊(cè)到操作系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)初始化過程，再通過gps_open函數(shù)打開設(shè)備，此過程中完成對(duì)中斷、緩沖區(qū)以及定時(shí)器等資源的申請(qǐng)，為GPS數(shù)據(jù)讀取做準(zhǔn)備。通過gps_write()向模塊寫命令字來是自主地選擇工作模式，gps_ioctl()則是選擇串口傳輸模式，使之與GPS模塊傳輸模式相匹配。之后的應(yīng)用程序?qū)?chuàng)立一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程為進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)的讀取gps_read()，該進(jìn)程沒有數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)程會(huì)一直處于睡眠等待數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)來，進(jìn)入中斷處理模塊，完成數(shù)據(jù)的分析，生成GPS_DATA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，供導(dǎo)航使用。這個(gè)進(jìn)程是隨著導(dǎo)航模式的切換而終止的，此時(shí)除了關(guān)閉進(jìn)程外，還需要用gps_release()釋放申請(qǐng)的所有資源，并關(guān)閉設(shè)備。

3.4應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

GPS模塊通過串口輸出NMEAO183語句，而應(yīng)用程序主要完成對(duì)GPS數(shù)據(jù)的采集與解析。NMEA0183輸出語句多達(dá)十余種，任意一種定位語句都包含一定的定位數(shù)據(jù)，由于以"$GPRMC"開頭的語句包含了本系統(tǒng)所需的所有定位信息，本系統(tǒng)只需研究該類型。該類型定位數(shù)據(jù)的各個(gè)符號(hào)位的含義如下所示。

應(yīng)用程序的整體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

從圖3可以看出，系統(tǒng)開始運(yùn)行后首先對(duì)串口的初始化就是對(duì)GPS模塊韌始化，包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位等，然后開始接收GPS數(shù)據(jù)。即從串口讀數(shù)據(jù)。井將讀到的數(shù)據(jù)保存到BUF中;接著進(jìn)入數(shù)據(jù)的解析和提取階段。通過BUF等不等于"c"判斷是苦為$GPRMC;若是，則開始提取經(jīng)緯度、時(shí)間等信息并存入結(jié)構(gòu)體GPS_DATA中。最后通過LCD顯示出來。

4 結(jié)束語

本文給出了基于ARM9和嵌入式操作系統(tǒng)Linux下，GPS定位系統(tǒng)的整體解決方案。包括了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，GPS模塊制作方案，開發(fā)平臺(tái)搭建以及GPS驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。較市場上的車載定位系統(tǒng)相比，本設(shè)計(jì)在功能性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性上都有所提高。由本系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，車載定位系統(tǒng)的下一步工作將可以專注于應(yīng)用程序的編寫，包括提高GPS定位精度的算法，以及開發(fā)更加友好的人機(jī)交互界面。