基于uClinux的GPSOne/GPS雙定位信息接收

摘要 闡述uClinux串口編程的基本方法;簡要介紹操作系統(tǒng)的幾種I/O模型，特別對基于select的I/O復用模型在監(jiān)聽多個設(shè)備時的適用性進行較詳細的分析;比較多個串口下使用輪詢方法和使用select機制處理的差別;結(jié)合GPSOne與GPS雙定位導航系統(tǒng)的實例，給出雙串口定位信息接收的軟件實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞 GPSGPSOneselectI/O復用串口 　　GPS是當前在導航系統(tǒng)中應用最廣泛的定位技術(shù)之一,但GPS也有其自身的不足。例如，當GPS終端在建筑密集的地方或在高架橋底下等惡劣的地理位置時，定位信號比較容易丟失，往往難以獲取有效的定位信息。由美國高通公司開發(fā)的GPSOne定位模塊，提供的定位信號是基于網(wǎng)絡(luò)與蜂窩的定位技術(shù)。即使在衛(wèi)星信號不好的情況下，只要存在聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)信號，利用蜂窩定位技術(shù)，就可以較容易地獲得定位信號。此信號可作為GPS信號丟失情況下的一種補償信號。 　　GPSOne是傳統(tǒng)GPS定位技術(shù)與CDMA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)巧妙結(jié)合的混合型定位技術(shù)，即GPSOne=AGPS+AFLT+CellID。它是第一種可以在室內(nèi)穩(wěn)定工作的基于GPS技術(shù)的解決方案，是唯一商用的GPS定位解決方案，同時也是目前世界上最經(jīng)濟有效的集成型無線GPS解決方案。利用 GPSOne能夠彌補GPS自身不足的這一特點，本導航系統(tǒng)的定位信息獲取模塊采用GPS和GPSOne雙定位方案，以實現(xiàn)更精確、可靠的定位。該定位信息獲取模塊的硬件架構(gòu)是ARM+GPS+GPSOne;CPU采用Philips公司LP系列的LPC2210的ARM7芯片，操作系統(tǒng)采用 uClinux。本系統(tǒng)獲取定位信息的關(guān)鍵，在于編寫好串口通信程序，從而更好地實時接收和處理當前的位置信息。由于系統(tǒng)功能較為復雜，需要實現(xiàn)GUI界面交互、定位、報警、數(shù)據(jù)庫查詢、語音提示等多項功能，故對串口數(shù)據(jù)的接收，利用I/O復用機制進行處理更利于系統(tǒng)實現(xiàn)和管理。 1 uClinux串口編程操作方法 　　在Linux中，設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。uClinux用設(shè)備文件表示大部分I/O設(shè)備。文件系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的接口來訪問一般意義上的文件和設(shè)備文件。 　　系統(tǒng)串口COM1與COM2，分別對應uClinux系統(tǒng)的/dev/ttyS0、/dev/ttyS1兩個串口設(shè)備文件。串口屬于字符型設(shè)備，對串口的編程也就是對相應文件進行讀/寫、控制等操作。串口編程的基本步驟是：先打開串口，設(shè)置串口屬性，然后進行收發(fā)數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉串口。 (1) 打開串口　　通過使用標準的文件打開函數(shù)open，達到訪問串口設(shè)備驅(qū)動的目的。例如，以讀寫的方式打開串口1，可用下面的方法實現(xiàn)：　　fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR); (2) 設(shè)置串口屬性　　主要是設(shè)定結(jié)構(gòu)體termios各成員的值。基本設(shè)置包括：波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位、輸入和輸出模式等。一般在設(shè)置時，先獲取系統(tǒng)已有的串口屬性，并在它的基礎(chǔ)上進行修改。另外，設(shè)置時要用到系統(tǒng)預定義的宏?！　?結(jié)合實例的說明略。——編者注) (3) 收發(fā)數(shù)據(jù)　　uClinux下串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通過使用文件操作中的read和write的方法來實現(xiàn)。例如： 　　write(fd, buffer ,Length); 　　read(fd, buffer ,Length); (4) 關(guān)閉串口　　關(guān)閉串口只須關(guān)閉已打開的串口文件描述符，如close(fd) ; 2 常用的幾種I/O模型 　　通常在操作I/O時，會用到下面幾種模型之一：阻塞型I/O、非阻塞型I/O和復用型I/O。下面以讀取串口數(shù)據(jù)為例，簡要說明它們的基本工作原理和特點。 2.1 阻塞型I/O 　　顧名思義，它以阻塞方式操作I/O，如圖1所示。若一個進程以阻塞方式調(diào)用read函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)，則該進程會一直睡眠在read系統(tǒng)調(diào)用上。此時系統(tǒng)內(nèi)核會一直等待數(shù)據(jù)，直到串口有數(shù)據(jù)到達為止。當串口數(shù)據(jù)準備好后，內(nèi)核就把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝至用戶空間;而當數(shù)據(jù)拷貝完成后，才喚醒串口讀取進程，通知它讀取數(shù)據(jù)報。

圖1 阻塞I/O模型 2.2 非阻塞I/O 　　圖2中，在非阻塞I/O模型下，I/O操作是即時完成的。當進程調(diào)用read函數(shù)時，設(shè)置了O_NONBLOCK標志，那么即使串口沒有數(shù)據(jù)可讀，read函數(shù)也會立即返回。此時其返回值為EAGAIN，表明串口數(shù)據(jù)未就緒。如果串口有數(shù)據(jù)可讀，則read函數(shù)會讀取該數(shù)據(jù)，并返回所讀數(shù)據(jù)的長度。通常輪詢I/O的方法就是采用這種模型來讀取串口數(shù)據(jù)的，此時進程必須通過反復調(diào)用來檢測是否有數(shù)據(jù)可讀。如果輪詢頻率過低，則容易丟失數(shù)據(jù);輪詢頻率過高，則占用太多處理器的處理周期。

圖2 非阻塞I/O模型 2.3 I/O復用 　　上述兩種I/O模型，是最常用的兩種操作I/O的方式;但在面向較復雜、需要處理多個I/O的系統(tǒng)時，這兩種模型存在著不足之處。例如：在應用進程中需要對多個I/O設(shè)備進行監(jiān)聽，當某個設(shè)備可讀或可寫時，進程能馬上得知，并進行相關(guān)處理。這時若采用阻塞方式操作I/O，則進程會阻塞在某個設(shè)備的I /O讀寫操作上而不能適用于這種情況;若采用非阻塞方式，則往往需要定時或循環(huán)地探測所有設(shè)備，才作相應處理，這種作法相當耗費系統(tǒng)中央處理器的執(zhí)行周期。可見，上述的兩個I/O模型都不能滿足這類應用，故此需要引入一種特別的I/O處理機制，即I/O復用。 　　所謂I/O復用，是指當一個或多個I/O條件(可讀、能寫或出現(xiàn)異常)滿足時，進程能立即知道，從而正確并高效地對它們進行處理。 　　在uClinux下，系統(tǒng)提供select函數(shù)和poll函數(shù)，用來支持I/O復用的實現(xiàn)。如圖3所示，若使用select的系統(tǒng)調(diào)用來查詢是否有數(shù)據(jù)可讀時，進程是在等待多個I/O描述接口的任一個變?yōu)榭勺x，但此期間并不阻塞進程。當有數(shù)據(jù)報已準備好時，返回可讀條件，并通知進程再次進行系統(tǒng)調(diào)用準備讀取相應的I/O數(shù)據(jù)。此時內(nèi)核就開始拷貝準備好的數(shù)據(jù)至用戶空間，并返回指示進程處理數(shù)據(jù)報。

圖3 I/O復用模型 　　與上面提及的兩種I/O模型不同的是：在這個處理過程中，使用了兩次系統(tǒng)調(diào)用來達到讀取數(shù)據(jù)的目的。雖然兩次系統(tǒng)調(diào)用的開銷似乎更大，但它的最大好處在于能同時等待多個描述符準備好。因此select調(diào)用功能更多地是借助了內(nèi)核來監(jiān)聽I/O設(shè)備描述符的。下面具體介紹select函數(shù)的功能及應用。 3 uClinux中基于select的I/O復用機制和工作原理 　　在系統(tǒng)存在多個輸入或輸出流但不希望其中任一個流被阻塞的場合，經(jīng)常使用復用I/O的方法解決。uClinux中，用戶程序多使用select機制實現(xiàn)I/O復用控制，select函數(shù)允許進程對一個或多個設(shè)備文件進行非阻塞的讀或?qū)懖僮鳌? 　　select的函數(shù)定義于中，原型如下： 　　int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 　　該函數(shù)允許進程指示內(nèi)核等待多個事件中的任一個發(fā)生，并僅在一個或多個事件發(fā)生或經(jīng)過某指定的時間后才喚醒進程。該函數(shù)的第1個參數(shù)n表示文件描述符集合中最大值再加1;第2個參數(shù)readfds，表示可讀的文件描述符集合，用于查看是否有可讀取數(shù)據(jù);第3個參數(shù)writefds表示可寫的文件描述符集合，用于查看是否能寫入數(shù)據(jù);第4個參數(shù)exceptfds用于異?？刂?最后一個參數(shù)timeout決定了select將會阻塞多久才把控制權(quán)移交給調(diào)用它的進程。調(diào)用select之前，必須對此參數(shù)進行初始化。若timeout值為0，則select直接返回0。此時I/O操作沒有等待就立即返回，相當于一種非阻塞I/O的調(diào)用。 　　在應用中，通常先調(diào)用select查看哪個I/O設(shè)備可讀/寫。如果沒有可讀/寫的設(shè)備，并且沒有設(shè)置超時返回功能，那么進程將阻塞在select調(diào)用上;如果有，則select函數(shù)返回，緊接著可通過測試參數(shù)readfds和writefds來確定哪個I/O設(shè)備可讀或能寫，而后以非阻塞方式操作該 I/O設(shè)備，從而實現(xiàn)期望功能。 　　在實現(xiàn)select應用的過程中，還會使用到這些select相關(guān)接口： 　　void FD_ZERO(fd_set *fdset); 　　void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); 　　void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); 　　int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); 　　其中，fd_set表示設(shè)備文件描述符集合，fd表示設(shè)備文件描述符。FD_ZERO函數(shù)用于清除設(shè)備文件描述符集合所有元素;FD_SET函數(shù)用于把某個文件描述符添加至文件描述符集合;FD_CLR函數(shù)用于從文件描述符集合中刪除某個文件描述符;而FD_ISSET用于檢測設(shè)備文件描述符集合的某個文件描述符是否有效，有效則表示該位對應的設(shè)備有數(shù)據(jù)可讀或可寫。 4 輪詢檢測方法與select方法的比較 4.1 輪詢檢測方法 　　輪詢檢測方法是指對串口進行非阻塞的讀寫操作。當操作未成功時，讓進程或線程掛起一段時間，然后再使用非阻塞調(diào)用來重新查詢串口是否有可讀/寫數(shù)據(jù)。用此方法，相當于系統(tǒng)不斷地對接收或者發(fā)送操作的執(zhí)行結(jié)果進行探測，直到把數(shù)據(jù)發(fā)出去或者接收完成定量的數(shù)據(jù)，才退出此輪詢循環(huán)。而對于接收與發(fā)送不確定哪個時刻會到達的情況，即隨機性比較高的讀/寫操作，采用輪詢方法會造成CPU資源浪費。如果輪詢頻率過低，則會使系統(tǒng)少接收一部分數(shù)據(jù)或接收過慢;反之，則接收方會因為等待太久而不能接收更多新的數(shù)據(jù)。輪詢頻率過高的情況，會讓CPU過度頻繁地查詢串口狀態(tài)，造成過多的耗用CPU執(zhí)行周期，降低其利用率。 4.2 select機制能充分利用系統(tǒng)時間的原因 　　與頻繁調(diào)用非阻塞讀寫函數(shù)來輪詢監(jiān)聽I/O的方法相比， select調(diào)用允許用戶把進程本身掛起來，同時使系統(tǒng)內(nèi)核監(jiān)聽所要求的一組文件描述符的任何活動。只要確認在任何被監(jiān)控的文件描述符上出現(xiàn)活動，select調(diào)用將返回指示該設(shè)備文件已經(jīng)準備好的信息。這樣就使進程能相對實時地監(jiān)測到I/O設(shè)備上隨機的變化，而不必由進程本身去探測輸入數(shù)據(jù)是否準備好。 5 利用select I/O的機制實現(xiàn)GPS與GPSOne數(shù)據(jù)的接收 　　本文提出的基于GPS與GPSOne信號的雙定位的解決方案，即對系統(tǒng)兩個串口定位信號的監(jiān)聽與處理，充分利用uClinux下基于Select的 I/O復用機制，更利于較復雜系統(tǒng)的控制和管理。 　　方案實現(xiàn)的程序流程如圖4所示。

圖4 雙定位信息獲取的程序流程 　　以下代碼為使用Select I/O機制接收GPS信息和GPSOne信息的軟件實現(xiàn)： 　　int Maxfd = fd_gps>fd_gpsOne? fd_gps: fd_gpsOne;//得到串口描述符中較大的一個　　struct timeval tv;//定義超時控制結(jié)構(gòu)　　fd_set fds; //文件描述符集合變量　　tv.tv_sec = 5;//設(shè)定超時值 5 s 　　tv.tv_usec = 0; 　　while(1){//通過GPSOne串口，發(fā)送GPSOne定位請求　　　　Rt = send_port (fd_gpsone, "AT+GPSSTRTr", strlen("AT+GPSSTRTr"); 　　　　if (Rt) == -1) 　　　　　　printf("Error happened!"); 　　　　FD_ZERO (%26;amp;fds);//初始化文件描述符集合　　　　FD_SET(*fd_gps, %26;amp;fds);//設(shè)置文件描述符集合的相應位　　　　FD_SET(fd_gpsOne, %26;amp;fds);//使用select，讓內(nèi)核開始監(jiān)聽GPSOne和GPS串口設(shè)備　　　　fd_sel = select((Maxfd)+1, %26;amp;fds_gps, NULL, NULL, %26;amp;tv); 　　　　if (fd_sel < 0){ 　　　　　　printf("Error happened while receiving gps data.n");} 　　　　else if (FD_ISSET(*fd_gps, %26;amp;fds)){//若GPS串口設(shè)備有數(shù)據(jù)可讀　　　　　　recv_len = recv_port(fd_gps, buf, 254); 　　　　　　if (recv_len > 0){ 　　　　　　　　memcpy (gps_info, buf, recv_len);//信息保存到　　　　　　　　gps_info數(shù)組中g(shù)ps_info_process(gps_info);//解析定位信息處理　　　　　　} 　　　　} 　　　　else if (FD_ISSET(*fd_gpsOne, %26;amp;fds)){//若GPSOne串口設(shè)備有數(shù)據(jù)可讀　　　　　　recv_len = recv_port(*fd_gpsOne, buf, 254); 　　　　　　if (recv_len > 0){memcpy (gpsOne_info, buf, recv_len); //信息保存到gpsOne_info數(shù)組中　　　　　　gpsOne_info_process(gpsOne_info);//解析定位信息處理　　　　　　} 　　　　} 　　　　sleep(1); 　　} 6 設(shè)計總結(jié) 　　本文詳細說明了串口編程的基本方法和步驟，并提出一種基于select的I/O復用機制處理多個串口信息的方案，同時給出這種方案的具體實現(xiàn)。此方案具有較高的可靠性，保證了多個串口的信息可以很好地被接收和處理，而且不相互干擾，利于系統(tǒng)更好地管理多個文件設(shè)備。特別是在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中，select利用內(nèi)核同時監(jiān)聽多個設(shè)備描述符機制，可以被廣泛地應用于嵌入式系統(tǒng)多路I/O采集的設(shè)計中。 參考文獻 [1] Kurt Wall. GNU/Linux編程指南[M].張輝，譯. 北京：清華大學出版社,2005. [2] Richard Stevens W. UNIX網(wǎng)絡(luò)編程[M]. 第2版. 第1卷%26;#183;套接口API和X/Open傳輸接口API.北京：清華大學出版社,1998：121131. [3] 馬忠梅,李善平,康慨,等. ARM%26;amp;Linux嵌入式系統(tǒng)教程[M].北京：北京航空航天大學出版社,2005:255261. [4] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實驗教程(2).廣州：廣州周立功單片機發(fā)展有限公司,2005:213219. [5] 鄧滔，徐勇. GPS與嵌入式Linux平臺串行通信研究[J]. 工業(yè)控制計算機,2005,18(1).