1、 基于 ARM 的嵌入式車載 GPS 定位系統(tǒng)設計鹿存波,鄧飛賀,趙龍章(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院,江蘇南京 210009摘要:介紹了嵌入式 GPS 定位系統(tǒng)的整體設計方案,著重對基于 ARM9和嵌入式 Linux 的系統(tǒng)進行硬件設計和內(nèi)核移植,同 時介紹了 GPS 接收模塊的制作方案 。 最后對 GPS 驅(qū)動程序及應用程序進行了設計 。關(guān)鍵詞:GPS ; ARM ; 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)Design of Embedded Vehicle GPS Location System Based on ARMLU Cunbo , DENG Feihe , ZHAO Longzhan

2、g(College of Automation and Electric Engineering , Nanjing University of Techonology , Nanjing Jiangsu 210009, China Abstract :The whole design of embedded GPS system is introducedThe paper mainly designed the hardware and makes Linux kernel transplantedAnd it particularly implemented the execution

3、of GPS moduleFinally , the paper designed the GPS driver and the application programKeywords :GPS ; ARM ; Embedded Linux OS0引言車載定位系統(tǒng)作為車載信息系統(tǒng)的重要部分,利用 GPS 等裝置,以一定精度實現(xiàn)車輛定位,包含位置 、 速度和行車方向 等車輛姿態(tài)信息 。 繼一些國家之后,我國一些科研院所和高校 也開始研究自己的車載定位系統(tǒng),市場空前地繁榮 。 但是傳統(tǒng) 系統(tǒng)功能單一 、 集成度不高 。 隨著 ARM 處理器在全球范圍的 流行, 32位的 RISC 嵌入式處理器已經(jīng)

4、成為嵌入式應用和設計 的主流 。 同時嵌入式 Linux 是一個非常好的免費的操作系統(tǒng)內(nèi) 核,具有穩(wěn)定 、 良好的移植性,優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能,完備的各種 文件系統(tǒng)的支持以及標準豐富的 API 等特點 。 因此,本文提供 了一套具有先進性及工程實用性的車載定位系統(tǒng)整體解決方 案,使得系統(tǒng)的性能 、 集成度和可擴展性大大提高 。1系統(tǒng)的硬件設計1. 1系統(tǒng)的整體硬件設計本文車載信息系統(tǒng)由主控制 、 定位 、 通信 、 數(shù)據(jù)采集 、 顯示等幾部分組成,如圖 1所示 。圖 1車載定位系統(tǒng)總體硬件設計方案主控制部分采用了三星公司基于 ARM920T 的 S3C2410和 Linux 的嵌入式系統(tǒng)平臺,完成整

5、個系統(tǒng)的控制 。 其主要包括電源電路 、 時鐘電路 、 復位電路 、 存儲模塊電路 、 JTAG 接口 電路 、 串行口電路 、 LCD 接口 、 SPI 接口以及按鍵電路的設計 。 主控模塊通過串行口 、 SPI 接口 、 LCD 接口與擴展模塊相連接 構(gòu)成整個硬件系統(tǒng) 。1. 2GPS 模塊的硬件設計與制作定位部分采用了自行設計和制作的基于瑞士 U-BLOX 公司 LEA-4S 芯片的 GPS 接收模塊 。 在此給出了 GPS 接收模塊的整 體設計,如圖 2所示 。圖 2GPS 接收模塊的整體設計u-blox 的 GPS 部分分為兩部分,采取數(shù)字 /模擬分開設計 的方法,有效提高了模塊的抗

6、干擾能力 。 在硬件的設計制作過程中,也是分為兩步,即模塊部分和數(shù)字部分 。 模擬部分主要 由天線接入端及天線供電部分 /檢測電路構(gòu)成 。天線選用 3V 供電的有源天線,增益 27dB 左右,噪聲系數(shù) 1. 5dB 左右 。 天線接入模塊較為復雜,從 GPS 有源天線天線接收的信號頻率高達 1. 575G ,屬于微波范圍 。 PCB 設計需要滿足 天線座到模塊 RF_IN 端的阻抗匹配為 50。模塊供電電源穩(wěn)壓電路為 5V 轉(zhuǎn) 3V 的五腳 LDO ,對電壓穩(wěn) 定精度較高,要求輸出紋波在 50mV 以下,電流為 150mA 左車載導航儀右,這里選用精工的 SOT-23-5封裝的 LDO S-1

7、1123. 0V ,能滿 足電源供應的要求 。 后備 3V 可充電微型鋰電池則為數(shù)據(jù)保存 作用 。選擇電路為波特率的選擇及速率選擇,或是啟動速度之類 的選擇,一般可以用默認值 。數(shù)字部分硬件相對簡單, LEA-4S 為兩路 TTL 電平輸出, 分別為 9600/11520波 特 率, 分 別 支 持 國 際 通 用 GPS 協(xié) 議 NMEA 及 u-blox 公司的 UBX 二進制格式 。 在本設計中,通過串 口 O 提取 ASCII 碼,串口數(shù)據(jù)通過 MAX232電平轉(zhuǎn)換為 RS232電平 。 另外,將 GPS 模塊的發(fā)送端和接收端經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與串 口 DB9交叉相連 。2軟件平臺的搭建系統(tǒng)

8、的軟件平臺的搭建其實就是嵌入式 linux 操作系統(tǒng)的 移植工作,主要包括 4步:建立交叉編譯環(huán)境; 移植引導程 序; 編譯內(nèi)核; 生成根文件系統(tǒng) 。交叉編譯工具主要由 gcc 、 binutils 和 glibc 這幾部分組成 。 由于重新建立一個交叉編譯工具鏈比較復雜也沒有任何意義, 所以本文使用已經(jīng)做好的工具鏈 。 因此建立交叉編譯環(huán)境的過 程實際就是對工具包 cross 3. 3. 2. tar. bz2解包的過程 。本文移植的 Bootloader 是韓國 Mizi 公司開發(fā)的 vivi 。 首先 在根目錄下創(chuàng)建一個 armsys2410目錄,對 vivi_armsystgz 執(zhí) 行

9、解壓命 令 。 解 壓 完 成 后 進 入 vivi _armsys 。 執(zhí) 行 命 令 make menuconfig ,然后選擇 “ Load on Alternate Configuration File ” 菜 單,再寫入 arch /def-configs /smdk2410,進行 vivi 的裁剪 。 執(zhí)行 make 命令進行編譯,在 vivi_armsys 目錄下生成 vivi 二進制文 件 。 最后將其燒寫到 Flash 。內(nèi)核的編譯通過命令 make menuconfig 進行內(nèi)核的配置; 通 過命令 make dep 建立依賴關(guān)系; 通過命令 make zImage 建立內(nèi)

10、 核 。 得到 Linux 內(nèi)核壓縮映像 zImage 。 最后通過 vivi 命令提示 模式下使用下載命令,將壓縮映像文件 zImage 裝載到 flash 存 儲器中 。Linux 支持多種文件系統(tǒng) 。 cramfs 是 Linus Torvalds 撰寫的 只具備最基本特性的文件系統(tǒng) 。 本文使用 mkcramfs 工具對主機 里已有 cramfs 文件系統(tǒng)進行制作和壓縮 。 最后也要燒寫到 flash 的相應部分 。3GPS 模塊驅(qū)動程序的開發(fā)Linux 將設備分為最基本的兩大類,字符設備和塊設備 。 字符設備是單個字節(jié)為單位進行順序讀寫操作,通常不使用緩 沖技術(shù); 而塊設備則是以固定

11、大小的數(shù)據(jù)塊進行存儲和讀的 。 GPS 模塊驅(qū)動程序是在 UART 驅(qū)動程序的基礎上加入對 GPS 模塊初始化和對 GPS 模塊輸出數(shù)據(jù)處理的部分,構(gòu)建一個 獨立的驅(qū)動模塊,在導航系統(tǒng)進實時導航工作模式時掛接到系 統(tǒng)內(nèi)核中,實現(xiàn) GPS 功能 。3. 1初始化 /清除模塊在初始化程序段中要完成對 GPS 設備的注冊,設備節(jié)點的 創(chuàng)建和對串口相關(guān)寄存器的初始化 。 部分代碼如下:if (register_chrdev(GPS_MAJOR, GPS_NAME, gps_fops 0/注冊 GPS 字符設備printk (KERN _INFO ” registering of “ GPS ” is

12、failed n ” ;return ret ;devfs_GPS_dir=devfs_mk_dir(NULL , “ GPS ” , NULL ; devfs_handle=devfs_register(devfs_GPS_dir, “ GPS ” DEVFS _FL_DEFAULT, GPS_MAJOR, 0, S_IFCHR|S_IRUSR|S_IWUSR, GPS_fops, NULL ;printk (“ GPS suecessfully initialized n” ;*UCON0=OxO211; /串口工作模式定義*UBDRO =OxOO17; /波特率的選擇相反, 清除模塊函數(shù)

13、 GPS_Cleanup(, 完成注銷字符設備 。 devfs_unregister_chrdev(GPS_MAJOR, GPS_NAME;printk (“ GPSmoduleremoved n” ;3. 2兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義模塊驅(qū)動的最終目的就是取得 GPS 信息,因此規(guī)范 GPS 數(shù) 據(jù)是對數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和速率都是有益的 。struct GPS_DATAunsigned int hour ; /小時, 24小時制unsigned int minute ; /分unsigned long Second ; /秒, 精度小數(shù)點后三 位unsigned long latitude ; /緯度u

14、nsigned char southornorth ; /緯度屬于南北的 標志碼unsigned long longitude ; /經(jīng)度unsigned char eastorwest ; /經(jīng)度屬于東西的標 志碼; /其中包括了在導航系統(tǒng)中所需的幾個重 要數(shù)據(jù) 。另外還有對驅(qū)動模塊文件操作結(jié)構(gòu)的定義 。 即:static struct file_operationsgps_fops=ead :gps_read,rite :gps_write,octl :gps_ioctl,open :gps_open ,elease :gps_release,; /定義了設備操作映射 函數(shù)結(jié)構(gòu) 。3. 3

15、驅(qū)動程序的模塊操作在導航系統(tǒng)進入 GPS 導航模式時,系統(tǒng)首先是將 GPS 模塊 注冊到操作系統(tǒng)中,實現(xiàn)初始化過程,再通過 gps_open 函數(shù) 車載導航儀 打開設備,此過程中完成對中斷 、 緩沖區(qū)以及定時器等資源的 申請,為 GPS 數(shù)據(jù)讀取做準備 。 通過 gps_write ( 向模塊寫 命令字來是自主地選擇工作模式, gps_ioctl ( 則是選擇串口 傳輸模式,使之與 GPS 模塊傳輸模式相匹配 。 之后的應用程序 將創(chuàng)立一個獨立的進程來進行 GPS 數(shù)據(jù)的讀取 gps_read (, 該進程沒有數(shù)據(jù)時進程一直處于睡眠狀態(tài)等待數(shù)據(jù),有數(shù)據(jù) 來,進入中斷處理模塊,完成數(shù)據(jù)的分析,生

16、成 GPS_DATA 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),供導航使用 。 這個進程是隨著導航模式的切換而終 止的,此時除了關(guān)閉進程外,還需調(diào)用 gps_release ( 釋放 申請的所有資源,并關(guān)閉設備 。3. 4應用程序的實現(xiàn)GPS 模塊通過串口輸出 NMEAO183語句,而應用程序主要 完成對 GPS 數(shù)據(jù)的采集與解析 。 NMEA0183輸出語句多達十余 種,任意一種定位語句都包含一定的定位數(shù)據(jù),由于以 “ $G-PRMC ” 開頭的語句包含了本系統(tǒng)所需的所有定位信息,本系 統(tǒng)只需研究該類型 。$GPRMC , 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, *hh , CR LF 等該類

17、型定位數(shù)據(jù)的各個符號位的含義如表 1所示 。表 1$GPRMC 幀基本格式的描述域 描述$GPRMC 定位語句起始標志1協(xié)調(diào)世界時 UTC2GPS 定位狀態(tài)指示, A 為有效定位, V 為無效定位 3緯度4緯度標志, N 為北緯, S 為南緯5經(jīng)度6經(jīng)度標志, E 為東經(jīng), W 為西經(jīng)7相對于地面的速度8:軌道相對于地面的夾角9UTC 日期,日月年10磁偏角*hh 校驗標志符CR LF 語句中止符應用程序的整體設計流程如圖 3所示 。從圖 3可以看出,系統(tǒng)開始運行后首先對串口的初始化就 是對 GPS 模塊初始化,包括設置波特率 、 數(shù)據(jù)位 、 校驗位等; 然后開始接收 GPS 數(shù)據(jù),即從串口讀

18、數(shù)據(jù),并將讀到的數(shù)據(jù)保 存到 BUF 中; 接著進入數(shù)據(jù)的解析和提取階段,通過 BUF 5等不等于 “ c ” 判斷 是 否 為 $GPRMC ,若 是,則 開 始 提 取 經(jīng) 緯 度 、 時間等信息并存入結(jié)構(gòu)體 GPS_DATA 中,最后通過 LCD 顯示出來 。圖 3軟件設計整體框圖4結(jié)束語本文給出了基于 ARM9和嵌入式操作系統(tǒng) Linux 下, GPS 定位系統(tǒng)的整體解決方案 。 包括了系統(tǒng)的整體設計, GPS 模塊 制作方案,開發(fā)平臺搭建以及 GPS 驅(qū)動程序和應用程序的設 計 。 與市場上的車載定位系統(tǒng)相比,本設計在功能性 、 可擴展 性和穩(wěn)定性上都有所提高 。 以本系統(tǒng)作為基礎,車載定位系統(tǒng) 的下一步工作將可以專注于應用程序的編寫,包括提高 GPS 定 位精度的算法,以及開發(fā)更加友好的人機交互界面 。參考文獻:【 1】 徐俊仕 基于嵌入式 Linux 的車載 GPS 導航系統(tǒng)設計與實現(xiàn) D 西安:西北工業(yè)大學, 2007【 2】 宋凱, 嚴麗平, 甘嵐, 黃曉生 ARM Linux 在 S3C2410上的移植