0 引言
GPS即全球定位系統(tǒng)，由美國從上世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位的能力。近年來隨著GPS的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷展開，目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。如何設計一個帶有GPS功能的移動設備，實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收和解碼，已經(jīng)是現(xiàn)在CPS應用的熱點。
1 開發(fā)平臺
1．1 軟件平臺
為適應大多數(shù)Windows用戶的使用習慣，我們設定移動設備運行環(huán)境為嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5．0(簡稱WinCE 5．0)，開發(fā)過程在Windows XP操作系統(tǒng)下進行。開發(fā)軟件為Visual Studio 2005(簡稱VS2005)，編程語言為C++。VS2005是Windows操作系統(tǒng)下的一套完整的開發(fā)工具，用于生成ASP Web應用程序、XML Web services、桌面應用程序和移動應用程序。通過使用這些工具和．NETFramework精簡版(．NET Framework的子集)，可以在個人數(shù)字助理(PDA)、移動電話和其他資源受約束的設備中，創(chuàng)建、生成、調試和部署在．NET Framework精簡版上運行的應用程序。
1．2 硬件平臺
1．2．1 嵌入式開發(fā)板
由于設定移動設備使用的運行環(huán)境為WINCE 5．0，過程中需要處理大量的數(shù)據(jù)，所以對開發(fā)板要求較高。目前WinCE 5．0支持的處理器主要有ARM、X86、PowerPC、MIPS等，其中ARM是近年來在嵌入式系統(tǒng)中很有影響力的微處理器架構，在同等處理器主頻下，ARM內(nèi)核的芯片面積最小，功耗最低，價格也最低廉，在性能、技術指標、軟件支持工具、內(nèi)置調試工具和開發(fā)資料等方面都有優(yōu)勢?？紤]到本系統(tǒng)移動終端的體積、功耗、成本等因素，最后決定選用ARM內(nèi)核的處理器，開發(fā)板為光嵌公司的GEC2440，主要參數(shù)如表l所示。
1．2．2 GPS接收模塊
GPS接收模塊負責接收GPS射頻信號，將信號下變頻和解調，輸出標準的串口信號供處理器進行下一步處理。本設計中用到的GPS接收模塊為Levave公司的GPS-R36-AT模塊，性能參數(shù)如表2所示。該接收模塊主要包含基帶芯片和射頻芯片，采用了SIRF III模塊，整合片狀陶瓷芯片，無需外加天線，接收C／A碼衛(wèi)星信號，輸出的信號為NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù)，通過串口與主設備進行通信。[!--empirenews.page--]
2 整體設計
設計主要依照GPS數(shù)據(jù)信號的流向來進行。GPS數(shù)據(jù)信號通過串口讀入到開發(fā)板主程序，然后經(jīng)過對數(shù)據(jù)信號進行解碼獲得當前位置的經(jīng)緯度信息，再在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫中查詢獲得當前位置的地名，整個過程由觸摸屏進行顯示，并通過觸摸屏完成人機交互。
2．1 串口驅動
Microsoft eMbedded Tools封裝了Windows API函數(shù)，便于Windows CE應用程序的開發(fā)。在Windows CE中，所有的設備都被看成是文件。串口通信可以像訪問普通文件那樣通過API通信函數(shù)來實現(xiàn)，系統(tǒng)的虛擬驅動程序負責執(zhí)行特定的工作。在Windows CE下串行端口被視為用于打開、關閉、讀寫串行端口的常規(guī)可安裝的流設備，是串行設備接口的常規(guī)I／O驅動程序調用和與通信相關的具體函數(shù)的結合。Windows CE的通信函數(shù)和其它大多數(shù)Windows的通信函數(shù)相似，值得注意的是，Windows CE不支持直接對串行端口的寄存器進行編程。
2．1．1 打開和關閉串口
CreateFile函數(shù)用于打開串行口。m_hDSComm=CreateFile(_T("COM2："))，GENER2IC_READ|GENER IC_WR ITE，0，NULL，OPEN_EXISTIN-G，0,NULL)。注意COM2后面要有一個冒號。第三個參數(shù)dwShareMode也必須為O，通信端口不能像文件一樣被共享。最后一個參數(shù)dwFlagsAnd-Attributes必須為0，因為Windows CE只支持非重疊I／O。這個函數(shù)的返回值是已打開的串行端口的句柄或者是INVALLD_HANDLE_VALUE。關閉串口可以調用CloseHandle(m_hDSComm)。
2．1．2 串口參數(shù)設置
串口設置主要是用DCB構配置端口設置，包括波特率、停止位、數(shù)據(jù)位長度、校驗位、流量控制和超時值等等。首先打開串行端口，用GetCommState函數(shù)獲得當前打開的串口配置，然后根據(jù)需要修改DCB成員，最后用SetCommState函數(shù)設置新的串口配置。
2．1．3 設置緩沖區(qū)大小和超時
對串口來說，必須設置超時值，否則程序可能陷入到一個循環(huán)來等待來自串口的字符。這對采用WindowsCE的設備來說，將大大減少設備電池的使用時間，所以超時值是必須配置的。另外一種解決辦法就是采用多線程。通常，配置超時值和配置串口類似。首先用GetCommTi-meouts函數(shù)獲得當前串口的超時值，然后修改COM2MTIMEOUTS成員，最后用SetCommTimeouts函數(shù)設定超時值。
2．1．4 讀寫串口
利用ReadFile和WriteFile函數(shù)讀寫串口。需要注意的是Windows CE不支持重疊I／O，所以如果在主線程進行大量讀寫串口操作時，有可能使整個程序陷入緩慢的串口等待中去，因此一般都采用多線程來進行讀寫串口操作。
2．2 GPS數(shù)據(jù)處理
GPS數(shù)據(jù)處理模塊的設計方案如圖1所示。GPS接收模塊通過串口2將定位數(shù)據(jù)(NMEA0183 Ver2．0)傳給開發(fā)板，然后應用程序對數(shù)據(jù)進行處理。在VS2005中，直接利用串口通信方法將定位數(shù)據(jù)讀入，接著進行定位數(shù)據(jù)的分類，并提取出所需要的信息，同時將這些有用的信息傳給主應用程序，主應用程序再將GPS接收模塊的控制信息整理成NEMA0183 VER2．0語句。
圖1 GPS數(shù)據(jù)處理模塊設計方案示意圖
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2．3 信號接收與處理
GPS接收到位置信號后，系統(tǒng)將對GPS的定位信息進行分解并提取出有用數(shù)據(jù)。GPS信號接收和處理的過程是：通過串口2將GPS輸出的數(shù)據(jù)傳遞給開發(fā)板，開發(fā)板主程序獲得目標當前的位置(經(jīng)緯度坐標)，將接收機獲得的GPS數(shù)據(jù)進行分解，從中得到目標當前的位置和格林威治時間(該時間加上8小時即為我國標準時間)，再將當前位置在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫查詢，獲得當前的具體地點名。
經(jīng)緯度隨著開發(fā)板的移動是不斷變化的，在控件顯示時要設定一個TIMER來更新值，本程序設置的是1s，如果在實際應用中移動速度非?？斓脑捒梢园裈IMER更新值設得更小。
2．4 人機界面設計
系統(tǒng)采用三星TFT顯示屏，分辨率為420×272。人機界面基本功能包括串口選擇控件、波特率選擇控件、經(jīng)緯度顯示框、地點顯示框、“搜星”按鈕、“地點查詢”按鈕、文本框等，具體交互界面設計如圖2所示。串口和波特率兩個控件為串口選擇和波特率的選擇，其中串口選擇控件提供串口l和串口2進行選擇；波特率控件提供有三種設置，分別為4800、9600、19200。“搜星”按鈕為打開對應串口，開始從GPS接收模塊接收數(shù)據(jù)。“地點查詢”按鈕用來顯示當?shù)氐膶嶋H地點名，當搜到星后，按這個按鈕，通過查詢經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫，就可以查到對應地名。最下面的文本框顯示原始的數(shù)據(jù)流。
3 操作系統(tǒng)移植
WinCE 5．0操作系統(tǒng)的移植主要是基于硬件平臺進行BSP開發(fā)。BSP是基于WinCE 5．0平臺系統(tǒng)的主要部分，它主要由一些源文件和二進制文件組成，又稱主板支持軟件包，它是一個主要由包含啟動程序(bootloader)、OEM適配層程序(OAL)相關硬件設備的驅動程序的軟件包，另外還可以把上層的應用也放到BSP中。在BSP內(nèi)部，通過OAL鏈接到系統(tǒng)核心，而驅動程序和系統(tǒng)配置文件是與OAL層相互關聯(lián)來完成驅動設備和配置系統(tǒng)的功能。在BSP外部，我們可以看到一個建立在硬件平臺上的主板支持包。在開發(fā)過程中可以利用開發(fā)板運營商提供的BSP包進行操作系統(tǒng)的定制，定制完成后固化到Nandflash中。
4 測試
因為開發(fā)板的串口2直接與GPS接收模塊的串口相連，所以串口設置選擇串口2。波特率應與GPS接收模塊匹配，設置為4800。GPS模塊為上電即啟動，并且不能關閉，所以點擊“搜星”按鈕即可接收數(shù)據(jù)。啟動“搜星”按鈕后1min左右，就能顯示正確的經(jīng)緯度。點擊“地點查詢”按鈕，能正確顯示地點信息。最下面的文本框可以顯示原始的數(shù)據(jù)流。測試時實拍的照片如圖2所示。
5 總結
文章以VS2005為軟件平臺，利用基于ARM處理器的WinCE 5．0嵌入式開發(fā)平臺和GPS接收模塊，通過合理使用串口通信，實現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)信號的接收與解碼，并利用觸摸屏進行顯示，已基本具備GPS移動設備的雛形。
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