基于嵌入式Linux 的移動(dòng)終端的軟件設(shè)計(jì)

 引言

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用程序都是建立在它之上。實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可分為兩種：商用型和免費(fèi)型。商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價(jià)格昂貴。免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，目前主要有 Linux、μC/OS 等。

　　與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，嵌入式 Linux 具有開放源代碼、高可靠性以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)勢(shì)，因此選用了嵌入式 Linux 系統(tǒng)作為移動(dòng)終端的軟件平臺(tái)。

　　2   車輛監(jiān)控系統(tǒng)概述

　　車輛監(jiān)控系統(tǒng)是融全球定位技術(shù)（GPS）、地理信息技術(shù)（GIS）和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）于一體的高科技系統(tǒng)，由移動(dòng)終端、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成[1]。移動(dòng)終端安裝在各個(gè)移動(dòng)車輛上，其上的 GPS 接收器實(shí)時(shí)采集衛(wèi)星定位信息，然后通過串口 1 傳送給 ARM 處理器。ARM 處理器先解算出有用的數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度、速度、狀態(tài)等），然后按照 TCP/UDP 協(xié)議的格式封裝成 TCP/UDP 數(shù)據(jù)包，接著加上 IP 報(bào)頭和報(bào)尾封裝成 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。由于 ARM 處理器與 GPRS 通信模塊之間的通信遵循 PPP（Point to Point Protocol，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議），因而，需要將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)按照 PPP 幀的幀格式封裝成 PPP 幀，然后傳遞給接在串口 2 上的 GPRS 通信模塊。GPRS 通信模塊通過無線鏈路將數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)送到 SGSN（Serving GPRS Support Node，GPRS 業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）。SGSN 進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并按照 GPRS 特有的 GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS 隧道協(xié)議）將數(shù)據(jù)封裝成 GTP 包，然后通過 GPRS 骨干網(wǎng)傳送到相應(yīng)的 GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）。GGSN 也進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，再根據(jù)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的協(xié)議格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行新的封裝，并且根據(jù)其目的 IP 地址選擇路由進(jìn)行傳送，從而最終傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示，并對(duì)被監(jiān)控車輛的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢。同時(shí)，監(jiān)控中心也可以向移動(dòng)終端發(fā)送文本信息和控制命令。

　　由此可見，移動(dòng)終端的核心功能是接收 GPS 信號(hào)、處理 GPS 數(shù)據(jù)以及通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信（包括向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息和接收監(jiān)控中心的指令）。

　　3   移動(dòng)終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    3.1 總體設(shè)計(jì)

　　在移動(dòng)終端上，軟件系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：GPS 信號(hào)接收程序、GPS 數(shù)據(jù)處理程序和 GPRS 通信程序。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺(tái)下，移動(dòng)終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1    移動(dòng)終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  

 圖 2    GPS 信號(hào)接收程序的層次結(jié)構(gòu)

　　3.2 GPS 信號(hào)接收程序

　　對(duì)于移動(dòng)終端，它的第一個(gè)任務(wù)就是接收 GPS 信號(hào)。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺(tái)下，GPS 信號(hào)接收程序的層次結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

　　其中，tty 層、N_TTY 行規(guī)程（Line Discipline）層和低層驅(qū)動(dòng)程序是嵌入式 Linux 系統(tǒng)中串行通信驅(qū)動(dòng)模塊三個(gè)固有的邏輯層，這三層之間有相互調(diào)用的接口函數(shù)。嵌入式 Linux 系統(tǒng)提供了多種行規(guī)程供各類設(shè)備進(jìn)行選擇，如：TTY 行規(guī)程（N_TTY）用于連接終端輸入驅(qū)動(dòng)設(shè)備和終端顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)備，而 PPP 行規(guī)程（N_PPP）用來連接終端驅(qū)動(dòng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。GPS 信號(hào)接收程序使用了 N_TTY 行規(guī)程，GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過 N_TTY 行規(guī)程模塊進(jìn)行規(guī)范處理。低層驅(qū)動(dòng)程序用來直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，而 flip_buffer 是低層驅(qū)動(dòng)程序和 N_TTY 行規(guī)程之間的高速接口，它保存 GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)。

　　在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，內(nèi)核給接在串口 1 上的 GPS 接收器提供了一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn) /dev/ttyS0 以及標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口[2]。這樣，GPS 信號(hào)接收程序?qū)υO(shè)備節(jié)點(diǎn) /dev/ttyS0 的操作就會(huì)被內(nèi)核映射成對(duì) GPS 接收器的操作。當(dāng) GPS 接收器接收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，會(huì)觸發(fā)低層驅(qū)動(dòng)程序事先注冊(cè)到系統(tǒng)中的中斷處理函數(shù)，從而調(diào)用函數(shù) receive_chars( ) 把數(shù)據(jù)填充到 flip_buffer 中，然后調(diào)用函數(shù) tty_flip_buffer_push( ) 將數(shù)據(jù)傳遞給 N_TTY 行規(guī)程模塊。N_TTY 行規(guī)程模塊中的函數(shù) n_tty_receive_buf( ) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理后將其存入 tty 緩沖區(qū)中，供應(yīng)用層的 GPS 信號(hào)接收程序來讀取。

　　當(dāng)應(yīng)用層的 GPS 信號(hào)接收程序開始運(yùn)行時(shí)，它會(huì)向文件系統(tǒng)發(fā)出讀請(qǐng)求，文件系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此請(qǐng)求的對(duì)象為 tty 設(shè)備，于是調(diào)用函數(shù) tty_read( )，接著調(diào)用函數(shù) read_chan( ) 讀取 tty 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

　　3.3 GPS 數(shù)據(jù)處理程序

　　GPS 接收器與嵌入式 Linux 平臺(tái)之間的通信協(xié)議有很多種，這里采用的通信協(xié)議是 NMEA-0183，它規(guī)定了 GPS 數(shù)據(jù)的輸出速率為 4,800 波特，其輸出都是 ASCII 字符，工作模式為 8-N-1。通信協(xié)議 NMEA-0183 中包含的語句有 GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 等，要想知道車輛的位置信息，至少要提取出 GPGGA、GPGLL、GPRMC 中的一種。NMEA-0183 協(xié)議報(bào)文的語句格式如圖 3 所示。

圖 3    NMEA0183 的報(bào)文格式

　　其中，$ 為串頭，表示串的開始；AA 為識(shí)別符；XXX 為語句名；ddd…ddd 為數(shù)據(jù)字段，字母或數(shù)字；* 表示串尾；hh 表示 $ 與 * 之間所有字符代碼的校驗(yàn)和；< CR > 為回車控制符；< LF > 為換行控制符。

　　在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，主要關(guān)心的是時(shí)間、車輛的位置和速度等信息。因此，在移動(dòng)終端上，GPS 數(shù)據(jù)處理程序的主要功能是從 GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)中提取出 GPRMC 定位語句，忽略掉其他信息[3]。此后，移動(dòng)終端上的 GPRS 通信程序負(fù)責(zé)將相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。[!--empirenews.page--]

3.4   GPRS 通信程序

　　3.4.1 撥號(hào)到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的基本原理

　　移動(dòng)終端要想通過 GPRS 通信模塊訪問 Internet，首先得附著在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)上，然后發(fā)起 PDP（Packet Data Protocol，分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文激活過程[4]，如圖 4 所示。只有通過此過程，GPRS 通信模塊才能與 GGSN 建立一條邏輯通路，從而訪問 Internet。

圖 4    PDP 上下文激活過程示意圖

　　3.4.2 移動(dòng)終端上撥號(hào)程序的實(shí)現(xiàn)

　　在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺(tái)下，移動(dòng)終端利用 pppd（包含 chat）撥號(hào)到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)。pppd 是一個(gè)用戶空間的后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程（daemon），而 chat 是 pppd 所帶一個(gè)輔助工具，用來與 GPRS 通信模塊建立會(huì)話。在 PDP 上下文激活過程中，chat 完成了第 ① 步，而 pppd 完成了第 ②、③、④、⑩ 步。pppd 撥號(hào)程序的層次結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖 5 pppd 撥號(hào)程序的層次結(jié)構(gòu)

　　其中，N_PPP 層就是 PPP 協(xié)議層。PPP 協(xié)議模塊不僅提供簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)鏈路層功能，它還提供諸如鑒權(quán)（如PAP/CHAP），數(shù)據(jù)壓縮/解壓（如CCP）和數(shù)據(jù)加密/解密（如ECP）等擴(kuò)展功能。由于 GPRS 通信程序要求透明化地使用這些擴(kuò)展功能，而 PPP 協(xié)議模塊本身無法對(duì)各種策略進(jìn)行選擇，于是 pppd 應(yīng)運(yùn)而生。PPP 協(xié)議模塊中策略性的內(nèi)容都移到了 pppd 中，由 pppd 完成對(duì)鑒權(quán)、壓縮/解壓和加密/解密等擴(kuò)展功能的選用。

　　在運(yùn)行 pppd 的時(shí)候，pppd 首先讀取配置文件中的配置信息，其中包含了設(shè)置 PPP 協(xié)議模塊的參數(shù)、GPRS 通信模塊連接的端口（/dev/ttyS1）以及對(duì) chat 進(jìn)行調(diào)用的語句，等等。隨后 pppd 調(diào)用 chat，chat 也會(huì)讀取相應(yīng)的配置文件（其中包含一些應(yīng)答語句對(duì)和 AT 命令），然后使用默認(rèn)的行規(guī)程 N_TTY 向 GPRS 通信模塊發(fā)送 AT 命令，接著 chat 將控制權(quán)返還給 pppd。pppd 將行規(guī)程切換為 N_PPP，而 pppd 與 PPP 協(xié)議模塊之間采用了設(shè)備文件來進(jìn)行通信，設(shè)備文件名是 /dev/ppp。通過 read 系統(tǒng)調(diào)用，pppd 可以讀取 PPP 協(xié)議模塊的數(shù)據(jù)包（當(dāng)然，PPP 協(xié)議模塊只會(huì)把應(yīng)該由 pppd 處理的數(shù)據(jù)包發(fā)給 pppd）。通過 write 系統(tǒng)調(diào)用，pppd 可以把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包傳遞給 PPP 協(xié)議模塊，而通過 ioctl 系統(tǒng)調(diào)用，pppd 可以設(shè)置 PPP 協(xié)議模塊的參數(shù)，可以建立/關(guān)閉連接。

　　此后，pppd 執(zhí)行了 PDP 上下文激活過程的第 ②、③、④ 步。等 PDP 上下文激活過程的第 ⑤－⑨ 步（與移動(dòng)終端不直接相關(guān)）完成之后，pppd 執(zhí)行第 ⑩ 步，在函數(shù) make_ppp_unit( ) 中調(diào)用 ioctl(PPPIOCNEWUNIT) 創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）。當(dāng) PPP 協(xié)議模塊在處理 PPPIOCNEWUNIT 時(shí)，調(diào)用函數(shù) register_netdev( ) 向內(nèi)核注冊(cè) PPP 網(wǎng)絡(luò)接口，該網(wǎng)絡(luò)接口的傳輸函數(shù)指向函數(shù) ppp_start_xmit( )。值得注意的一點(diǎn)是，如果關(guān)閉進(jìn)程 pppd，行規(guī)程會(huì)由 N_PPP 切換回默認(rèn)的 N_TTY，因此，在移動(dòng)終端與監(jiān)控中心通信的過程中不能關(guān)閉 pppd 進(jìn)程。

　　至此，移動(dòng)終端完成了向 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的撥號(hào)，這樣它就擁有了一個(gè)可以用于與監(jiān)控中心進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）。

　　3.4.3 移動(dòng)終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互

　　前面，移動(dòng)終端已經(jīng)與監(jiān)控中心建立了網(wǎng)絡(luò)鏈接。接下來，移動(dòng)終端就可以與監(jiān)控中心進(jìn)行通信了。GPRS 通信程序的層次結(jié)構(gòu)如圖 1 的右半部分所示。

　　在移動(dòng)終端向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息的過程中，移動(dòng)終端上的 GPRS 通信程序通過 socket 接口發(fā)送 TCP/IP 數(shù)據(jù)包，內(nèi)核根據(jù) IP 地址和路由表，找到 PPP 網(wǎng)絡(luò)接口，然后調(diào)用函數(shù) ppp_start_xmit( )，此時(shí)控制權(quán)就轉(zhuǎn)移到了 PPP 協(xié)議模塊。函數(shù) ppp_start_xmit( ) 調(diào)用函數(shù) ppp_xmit_process( ) 去發(fā)送隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)包，而函數(shù) ppp_xmit_process( ) 會(huì)進(jìn)一步調(diào)用函數(shù) ppp_send_frame( ) 去發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)包。函數(shù) ppp_send_frame( ) 根據(jù)前面 pppd 對(duì) PPP 協(xié)議模塊的設(shè)置調(diào)用壓縮等擴(kuò)展功能之后，又經(jīng)函數(shù) ppp_push( ) 調(diào)用函數(shù) pch->chan->ops->start_xmit( ) 發(fā)送數(shù)據(jù)包。函數(shù) pch->chan->ops->start_xmit( ) 是具體的傳輸方式，對(duì)于串口發(fā)送方式，則是 ppp_async.c:ppp_asynctty_open 中注冊(cè)的函數(shù) ppp_async_send( )，函數(shù) ppp_async_send( ) 經(jīng)函數(shù) ppp_async_push( ) 調(diào)用函數(shù) tty->driver->write( )（定義在低層驅(qū)動(dòng)程序中）把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口 2（GPRS 通信模塊接在串口 2 上）。

　　ppp_async.c 在初始化時(shí)（ppp_async_init），調(diào)用函數(shù) tty_register_ldisc( ) 向 tty 注冊(cè)了行規(guī)程 N_PPP 的處理接口，也就是一組回調(diào)函數(shù)。在移動(dòng)終端接收監(jiān)控中心指令的過程中，當(dāng) GPRS 通信模塊收到數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)回調(diào) N_PPP 行規(guī)程中的函數(shù) ppp_asynctty_receive( ) 來接收數(shù)據(jù)。函數(shù) ppp_asynctty_receive( ) 調(diào)用函數(shù) ppp_async_input( ) 把數(shù)據(jù) buffer 轉(zhuǎn)換成 sk_buff，并放入接收隊(duì)列 ap->rqueue 中。ppp_async 另外有一個(gè) tasklet（ppp_async_process）專門處理接收隊(duì)列 ap->rqueue 中的數(shù)據(jù)包，ppp_async_process 一直掛在接收隊(duì)列 ap->rqueue 上，一旦被喚醒，它就調(diào)用函數(shù) ppp_input( ) 讓 PPP 協(xié)議模塊處理該數(shù)據(jù)包。在函數(shù) ppp_input( ) 中，數(shù)據(jù)被分成兩路，一路是協(xié)議控制數(shù)據(jù)包，放入隊(duì)列 pch->file.rqb 中，交給 pppd 處理。另外一路是用戶數(shù)據(jù)包，經(jīng)函數(shù) ppp_do_recv( )、ppp_receive_frame( ) 進(jìn)行 PPP 協(xié)議相關(guān)的處理后，再由函數(shù) netif_rx( ) 提交給上層的 TCP/IP 協(xié)議模塊進(jìn)行處理，最后經(jīng) socket 接口傳遞給應(yīng)用層的 GPRS 通信程序。

　　4   總結(jié)

　　近幾年，智能交通系統(tǒng)（包括車輛監(jiān)控系統(tǒng)）發(fā)展非常迅速，因此，移動(dòng)終端將會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用前景。隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，更加豐富的功能將會(huì)被集成到移動(dòng)終端上，而嵌入式 Linux 系統(tǒng)憑借其自身的優(yōu)勢(shì)將會(huì)被越來越多地應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本方案充分利用了嵌入式 Linux 平臺(tái)所提供的系統(tǒng)功能，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開發(fā)，并且具有良好的可擴(kuò)展性。在詳細(xì)介紹 GPS 信號(hào)的接收過程并給出一個(gè)簡(jiǎn)潔的 GPS 數(shù)據(jù)處理辦法后，本文提供了一種切實(shí)可行的撥號(hào)到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的方法，從而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端跨越 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與 Internet 上監(jiān)控中心的通信。