一種GPS移動設(shè)備的設(shè)計和實現(xiàn)

　GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，而其中文簡稱為"球位系".GPS是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) .其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、 全天候和全球性的導航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰(zhàn)略的重要組成。在機械領(lǐng)域GPS則有另外一種含義：產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（Geometrical Product Specifications）-簡稱GPS.由于GPS技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動測量的特點，作為先進的測量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和社會發(fā)展的各個應(yīng)用領(lǐng)域。如何設(shè)計一個帶有GPS功能的移動設(shè)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(yīng)用的熱點。

　　1 開發(fā)平臺

　　1．1 軟件平臺

　　為適應(yīng)大多數(shù)Windows用戶的使用習慣，我們設(shè)定移動設(shè)備運行環(huán)境為嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 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，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(yīng)用程序、XML Web services、桌面應(yīng)用程序和移動應(yīng)用程序。通過使用這些工具和．NETFramework精簡版，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(shè)備中，創(chuàng)建、生成、調(diào)試和部署在．NET Framework精簡版上運行的應(yīng)用程序。

　　WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動計算平臺的基礎(chǔ)，它是一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，它是精簡的Windows 95,Windows CE的圖形用戶界面相當出色。Windows CE 被設(shè)計成針對小型設(shè)備（它是典型的擁有有限內(nèi)存的無磁盤系統(tǒng)）的通用操作系統(tǒng)，Windows CE 可以通過設(shè)計一層位于內(nèi)核和硬件之間代碼來用設(shè)定硬件平臺，這即是眾所周知的硬件抽象層（HAL）（在以前解釋時，這被稱為 OEMC （原始設(shè)備制造）適應(yīng)層，即 OAL; 內(nèi)核壓縮層，即 KAL. 以免與微軟的 Windows NT 操作系統(tǒng) HAL 混淆） .

　　1．2 硬件平臺

　　1．2．1 嵌入式開發(fā)板

　　由于設(shè)定移動設(shè)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(gòu)?？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。

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　　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(diào)，輸出標準的串口信號供處理器進行下一步處理。本設(shè)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(shè)備進行通信。

　　2 整體設(shè)計

　　設(shè)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(qū)動

　　Microsoft eMbedded Tools封裝了Windows API函數(shù)，便于Windows CE應(yīng)用程序的開發(fā)。在Windows CE中，所有的設(shè)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(qū)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(guān)閉、讀寫串行端口的常規(guī)可安裝的流設(shè)備，是串行設(shè)備接口的常規(guī)I／O驅(qū)動程序調(diào)用和與通信相關(guān)的具體函數(shù)的結(jié)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(guān)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(guān)閉串口可以調(diào)用CloseHandle(m_hDSComm)。[!--empirenews.page--]

　　2．1．2 串口參數(shù)設(shè)置

　　串口設(shè)置主要是用DCB構(gòu)配置端口設(shè)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(shè)置新的串口配置。

　　2．1．3 設(shè)置緩沖區(qū)大小和超時

　　對串口來說，必須設(shè)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(shè)備來說，將大大減少設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)用程序?qū)?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(yīng)用程序，主應(yīng)用程序再將GPS接收模塊的控制信息整理成NEMA0183 VER2．0語句。

　　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(shè)定一個TIMER來更新值，本程序設(shè)置的是1s，如果在實際應(yīng)用中移動速度非?？斓脑捒梢园裈IMER更新值設(shè)得更小。[!--empirenews.page--]

　　2．4 人機界面設(shè)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(shè)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(shè)置，分別為4800、9600、19200。“搜星”按鈕為打開對應(yīng)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(yīng)地名。最下面的文本框顯示原始的數(shù)據(jù)流。

　　人機界面（Human–Machine Interaction,簡稱HMI），是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。是指人和機器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱界面所說人機結(jié)合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機器的硬接觸和軟觸，此結(jié)合面不僅包括點線面的直接接觸，還包括遠距離的信息傳遞與控制的作用空間。人機結(jié)合面是人機系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學的分支學科安全人機工程學去研究和提出解決的依據(jù)，并過安全工程設(shè)備工程學，安全管理工程學以及安全系統(tǒng)工程學去研究具體的解決方法手段措施安全人機學。

　　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(guān)硬件設(shè)備的驅(qū)動程序的軟件包，另外還可以把上層的應(yīng)用也放到BSP中。在BSP內(nèi)部，通過OAL鏈接到系統(tǒng)核心，而驅(qū)動程序和系統(tǒng)配置文件是與OAL層相互關(guān)聯(lián)來完成驅(qū)動設(shè)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(shè)置選擇串口2。波特率應(yīng)與GPS接收模塊匹配，設(shè)置為4800。GPS模塊為上電即啟動，并且不能關(guān)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(jié)

　　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(shè)備的雛形。