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基于ARM处理器实现GPS数据信号的接收与解码详细解析

归档日期:05-05       文本归类:读入数据      文章编辑:爱尚语录

  GPS即全球定位系统,由美国从上世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位的能力。近年来随着GPS的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断展开,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。如何设计一个带有GPS功能的移动设备,实现对GPS卫星数据的接收和解码,已经是现在CPS应用的热点。

  为适应大多数Windows用户的使用习惯,我们设定移动设备运行环境为嵌入式操作系统Windows CE 5.0(简称WinCE 5.0),开发过程在Windows XP操作系统下进行。开发软件为Visual Studio 2005(简称VS2005),编程语言为C++。VS2005是Windows操作系统下的一套完整的开发工具,用于生成ASP Web应用程序、XML Web services、桌面应用程序和移动应用程序。通过使用这些工具和.NETFramework精简版(.NET Framework的子集),可以在个人数字助理(PDA)、移动电话和其他资源受约束的设备中,创建、生成、调试和部署在.NET Framework精简版上运行的应用程序。

  由于设定移动设备使用的运行环境为WINCE 5.0,过程中需要处理大量的数据,所以对开发板要求较高。目前WinCE 5.0支持的处理器主要有ARM、 X86、PowerPC、MIPS等,其中ARM是近年来在嵌入式系统中很有影响力的微处理器架构,在同等处理器主频下,ARM内核的芯片面积最小,功耗最低,价格也最低廉,在性能、技术指标、软件支持工具、内置调试工具和开发资料等方面都有优势。考虑到本系统移动终端的体积、功耗、成本等因素,最后决定选用ARM内核的处理器,开发板为光嵌公司的GEC2440,主要参数如表l所示。

  GPS接收模块负责接收GPS射频信号,将信号下变频和解调,输出标准的串口信号供处理器进行下一步处理。本设计中用到的GPS接收模块为Levave公司的GPS-R36-AT模块,性能参数如表2所示。该接收模块主要包含基带芯片和射频芯片,采用了SIRF III模块,整合片状陶瓷芯片,无需外加天线,接收C/A码卫星信号,输出的信号为NMEA0183协议数据,通过串口与主设备进行通信。

  设计主要依照GPS数据信号的流向来进行。GPS数据信号通过串口读入到开发板主程序,然后经过对数据信号进行解码获得当前位置的经纬度信息,再在经纬度数据库中查询获得当前位置的地名,整个过程由触摸屏进行显示,并通过触摸屏完成人机交互。

  Microsoft eMbedded Tools封装了Windows API函数,便于Windows CE应用程序的开发。在Windows CE中,所有的设备都被看成是文件。串口通信可以像访问普通文件那样通过API通信函数来实现,系统的虚拟驱动程序负责执行特定的工作。在Windows CE下串行端口被视为用于打开、关闭、读写串行端口的常规可安装的流设备,是串行设备接口的常规I/O驱动程序调用和与通信相关的具体函数的结合。 Windows CE的通信函数和其它大多数Windows的通信函数相似,值得注意的是,Windows CE不支持直接对串行端口的寄存器进行编程。

  串口设置主要是用DCB构配置端口设置,包括波特率、停止位、数据位长度、校验位、流量控制和超时值等等。首先打开串行端口,用GetCommState函数获得当前打开的串口配置,然后根据需要修改DCB成员,最后用SetCommState函数设置新的串口配置。

  对串口来说,必须设置超时值,否则程序可能陷入到一个循环来等待来自串口的字符。这对采用WindowsCE的设备来说,将大大减少设备电池的使用时间,所以超时值是必须配置的。另外一种解决办法就是采用多线程。通常,配置超时值和配置串口类似。首先用GetCommTi-meouts函数获得当前串口的超时值,然后修改COM2MTIMEOUTS成员,最后用SetCommTimeouts函数设定超时值。

  利用ReadFile和WriteFile函数读写串口。需要注意的是Windows CE不支持重叠I/O,所以如果在主线程进行大量读写串口操作时,有可能使整个程序陷入缓慢的串口等待中去,因此一般都采用多线程来进行读写串口操作。

  GPS数据处理模块的设计方案如图1所示。GPS接收模块通过串口2将定位数据(NMEA0183 Ver2.0)传给开发板,然后应用程序对数据进行处理。在VS2005中,直接利用串口通信方法将定位数据读入,接着进行定位数据的分类,并提取出所需要的信息,同时将这些有用的信息传给主应用程序,主应用程序再将GPS接收模块的控制信息整理成NEMA0183 VER2.0语句。

  GPS接收到位置信号后,系统将对GPS的定位信息进行分解并提取出有用数据。GPS信号接收和处理的过程是:通过串口2将GPS输出的数据传递给开发板,开发板主程序获得目标当前的位置(经纬度坐标),将接收机获得的GPS数据进行分解,从中得到目标当前的位置和格林威治时间(该时间加上8小时即为我国标准时间),再将当前位置在经纬度数据库查询,获得当前的具体地点名。

  经纬度随着开发板的移动是不断变化的,在控件显示时要设定一个TIMER来更新值,本程序设置的是1s,如果在实际应用中移动速度非常快的话可以把TIMER更新值设得更小。

  系统采用三星TFT 显示屏,分辨率为420×272。人机界面基本功能包括串口选择控件、波特率选择控件、经纬度显示框、地点显示框、“搜星”按钮、“地点查询”按钮、文本框等,具体交互界面设计如图2所示。串口和波特率两个控件为串口选择和波特率的选择,其中串口选择控件提供串口l和串口2进行选择;波特率控件提供有三种设置,分别为4800、9600、19200。“搜星”按钮为打开对应串口,开始从GPS接收模块接收数据。“地点查询”按钮用来显示当地的实际地点名,当搜到星后,按这个按钮,通过查询经纬度数据库,就可以查到对应地名。最下面的文本框显示原始的数据流。

  WinCE 5.0操作系统的移植主要是基于硬件平台进行BSP开发。BSP是基于WinCE 5.0平台系统的主要部分,它主要由一些源文件和二进制文件组成,又称主板支持软件包,它是一个主要由包含启动程序(bootloader)、OEM适配层程序(OAL)相关硬件设备的驱动程序的软件包,另外还可以把上层的应用也放到BSP中。在BSP内部,通过OAL链接到系统核心,而驱动程序和系统配置文件是与OAL层相互关联来完成驱动设备和配置系统的功能。在BSP外部,我们可以看到一个建立在硬件平台上的主板支持包。在开发过程中可以利用开发板运营商提供的BSP包进行操作系统的定制,定制完成后固化到Nandflash中。

  因为开发板的串口2直接与GPS接收模块的串口相连,所以串口设置选择串口2。波特率应与GPS接收模块匹配,设置为4800。GPS模块为上电即启动,并且不能关闭,所以点击“搜星”按钮即可接收数据。启动“搜星”按钮后1min左右,就能显示正确的经纬度。点击“地点查询”按钮,能正确显示地点信息。最下面的文本框可以显示原始的数据流。测试时实拍的照片如图2所示。

  文章以VS2005为软件平台,利用基于ARM处理器的WinCE 5.0嵌入式开发平台和GPS接收模块,通过合理使用串口通信,实现了GPS数据信号的接收与解码,并利用触摸屏进行显示,已基本具备GPS移动设备的雏形。

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