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基于嵌入式ARM-Linux的GPS智能终端设计.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.61M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    典型工作任务三：　基于嵌入式ARM-Linux的GPS智能终端设计
    一、概述
    二、 硬件设计
    三、 GPS智能终端的软件设计
    典型工作任务三： 基于嵌入式 ARM-Linux 的 GPS 智能终端设计 一、概述 GPS 智能终端是智能交通系统(ITS 系统)的重要组成部分，它将卫星定位技术(GPS)、 地理信息系统(GIS)以及无线通信技术融于一身。目前，卫星定位终端通常由 8 位／16 位 单片机、GSM／GPRS 通信模块、GPS 模块、LCD 液晶显示器等组成，并且采用液晶部分 与主控芯片组分离在两个外壳里的分体式结构。这里介绍一种基于 ARM920 处理器和嵌入 式 Linux 操作系统，将 GPS 技术与 CDMA 网络相结合的嵌入式智能终端并设计。该终端 具有将 GPS 终端的动态位置、时间、状态等信息实时地通过 CDMA 无线网络链接到控制 中心，在具有地理信息处理和查询功能的电子地图上进行显示，并对终端的准确位置、速度、 运动方向、终端状态等基本信息进行监控和查询；报警（包括主动报警和自动报警）；显示 调度信息；外接设备数据采集、本地温度采集及远程监控等功能。 1 GPS 智能监控系统总体设计方案 GPS 智能终端与监控中心的通信方式是影响整个 ITS 系统功能的重要因素。为了解决 目前终端采用 GSM，GPRS 网络进行数据传输不足的问题，设计中采用 CDMA 1X 网络， 其理论传输速率可达 300 Kb／s，数据传输速率高，永远在线，基于 IP 协议可以访问整个 Internet；按流量收费，价格合理；具有良好的可扩展性，覆盖室内绝大部分地区及距海 岸线 120 km 内的海域，基本不存在盲区。通信速度远高于 GPRS 网络，更加适合于大数 据量、实时传输监控，而且易于平滑过渡到 3G 移动通信系统。GPS 智能监控系统由 GPS 智能终端、CDMA 网络、Internet 网、监控中心组成，如图 1 所示。 2 GPS 智能终端的硬件设计 2．1 平台介绍 1
    采用 ARM 处理器和嵌入式技术设计的移动终端，相对于以 8 位／16 位单片机作为中央 处理器的终端而言，无论是功能上，还是人机界面都有显著提高，是微处理器技术的重要发 展。这里选用 Atmel 公司的 AT91RM9200 处理器为主控制器。该内核属于专门用于工业 控制的 ARM 芯片，有较宽的工作温度以及其他较好的工业参数，同时集成了丰富的系统应 用外设及标准接口；在 180 MHz 主频下高达 200 MIPS 处理速度；外部总线接口 EBI。； 两个 USB 2．0 主机口和一个 USB 2．O 设备口；一个 10／100 Mb／s Ethernet 通信 接口；4 个同步／异步串口；多种串行数据通路；支持 I2C，I2S 等。其丰富的外部设备和 数据传输特性是选择它作为主控制器的主要原因。 二、 硬件设计 GPS 智能终端的硬件系统构成如图 2 所示。 2
    3
    2．2．1 ARM 主控模块 AT91RM9200 的串口 UART2 和 UART3 分别与 CDMA 模块、GPS 模块通信，在实际 通信时两路连接都加有 LVTTL 电平到 RS 232 电平的转换电路。AT91RM9200 接收 GPS 模块从串口 3 发出的位置信息，解析出其中有用数据进行封装，然后以规定格式通过串口 2 交给 CDMA 模块，通过 CDMA 网络接入 Internet 网最终送至 ITS 监控中心；接收并解析 ITS 控制中心发来的短消息命令，按命令进行上传定位等操作；把系统运行状态及 ITS 控 制中心发来的信息在液晶屏上显示出来。 2．2．2 CDMA 通信模块 CDMA 模块是整个系统的通信基础，设计中采用 Fidelix 公司的 CDMA 通信模块 FD810。该模块内嵌的高通 Qualcomm MSM6025 芯片，除支持基本的通话和 SMS 短 消息外，还支持 CDMA20001x 无线数据传输。高速上下行速率与大缓存，数据传输速率 高达 153．6 Kb／s，可通过 AT 命令远程控制内置 TCP／IP 协议堆栈。DTGS-800 与 AT91RM9200 通过串口 UART2 实现数据的收发和 AT 指令的操作。 4
    2．2．3 GPS 模块 GPS 接收模块选用芬兰 Fastrax 公司的 iTrax100。该模块支持 NMEA0183 和 Sony ASCⅡ协议的数据格式。GPS 模块通过串口 3 将数据以固定的帧格式发送至 AT91RM9200。GPS 模块需要配备专门的 GPS 天线接收 GPS 卫星信号。一般在比较开 阔的地区，需接收到 3 颗以上的 GPS 卫星信号才能进行准确定位。 2．2．4 存储器系统 存储器系统采用 4 MB NOR FLASH，64 MBNAND FLASH 和 32 MB SDRAM。NOR FLASH 通过 16 位数据总线与 CPU 交换数据，用来存储 Uboot，Linux 内核、文件系统； NAND FLASH 存储应用程序，作为系统的数据存储器，如加载电子海图等。为充分发挥 32 位 ARM 处理器的数据处理能力，选用 2 片 16 位的 HY57V281620HG 并联，以构建 32 位 SDRAM 与 ARM 交换数据。SDRAM 在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆 栈区。 首先，通过 JTAG 口将 Uboot、Linux 内核、文件系统烧写到 NOR FLASH，将应用程 序烧写到 NANDFLASH。在系统启动时，CPU 首先从复位地址 0x0 处读取启动代码，并 将存有引导程序 Uboot 的 NORFLASH 存储器配置到：Bank0，即 AT91RM9200 的 NCS0 引脚接至 NOR FLASH 芯片 AT49BV322AD 的 CE 端，这样就可以从 NOR FLASH 启动 嵌入式 Linux 操作系统。 三、 GPS 智能终端的软件设计 嵌入式 Linux 系统只需引导程序、Linux 微内核、初始化进程 3 个基本元素，移植嵌入 式 Linux，就是使实时内核能在其他处理器(CPU)或微控制器(MCU)上运行。将嵌入式 Linux 移植到 AT91RM9200 平台上，一般需要 4 个步骤：下载源码和建立交叉编译环境， 配置编译内核，制作文件系统，下载和调试内核。 3．1 应用程序设计 应用程序包括 Uboot 启动代码、串口设备驱动程序、CDMA 网络数据传输程序、GPS 串口通信程序等。 (1)系统加电后复位； (2)Uboot 初始化 CPU，SDRMA，分配地址空间等； (3)Uboot 把 Linux 内核的压缩文件解压到 SDRAM 中，同时 Uboot 把控制权移交到 Linux。 5
    Linux 的内核有在 FLASH 存储器上直接运行和加载到内存中运行 2 种工作方式。这里 采用的 FLASH 存储器运行方式相对较复杂，但运行速度更快； (4)开始执行 SDRMA 中的代码，Linux 内核初始化，完成堆栈和中断的分配等； (5)加载串口驱动模块，完成串口的初始化； (6)运行 CDMA 网络数据传输程序，通过 CDMA 网络与 Internet 进行连接； (7)运行 GPS 串口通信程序，通过串口将 GPS 数据送至 AT91RM9200。 至此，已建立了从 GPS 数据采集到数据传输的完整的嵌入式监控系统。 3．2 无线接入网络程序 终端由 CDMA 网络接入 Internet 后，通过互联网进行数据传输。系统上电和载入 Linux 后，首先初始化 CDMA 模块，进行端口设置和波特率设置(115 200 b／s)；然后进入拨 号等待状态。由于该终端在功能上映射为无线 Modem，所以登陆网络需进行 PPP 拨号连 接，接入号为#777，用户名和密码均为 CARD。启动程序后，确认是否拨号成功，若成功 拨号，则调用 GPS 串口通信程序和网络数据传输程序；最后使用 Internet 结束后，关闭 无线连接。 3．3 CDMA 网络数据传输程序 在 Linux 操作系统下，监控终端通过 CDMA 网络与 Internet 连接，将数据上传到监控 中心。套接字 Socket 是许多操作系统网络编程的通用 API，是介于网络应用层和传输层之 间的编程接口。套接字提供了访问下层通信协议的大量系统调用和相应数据结构，进程在 Linux 上的网络通信过程就是使用套接字传输数据的过程。，文中介绍的 Socket 通信采用 面向连接的 TCP 协议。 客户端和服务器端的 TCP 应用程序流程如图 3 所示。客户机部分先由 Socket()创建本 地套接口，给服务器端套接口地址结构赋值；用 Connect()函数使本地套接口向服务器端 套接口发出建立连接请求，经 3 次握手建立 TCP 连接；若连接建立成功，则用 Send()和 Recv()函数与服务器通信；通信结束，用 Close()关闭套接口。 服务器部分由 Socket()创建套接口，并给套接口地址结构赋值；调 Bind()函数绑定套 接口、用 Listen()函数在该套接口上监听请求；当 Accept()函数接受请求，产生新的套接 口及描述字，并与客户端连接；在用 Fork()函数派生新的子进程与客户端通信，主进程继 续处理其他请求。 3．4 GPS 串口通信程序 6
    GPS 串口通信程序是对采集到的 GPS 数据和车辆状态数据进行解析；对时间、经度、 纬度、速度及超速报警等数据解析，并以固定格式通过串口 3 传送到 AT91RM9200。GPS 模块的工作流程如图 4 所示。 7
    GPS 接收数据采用 NMEA0183 格式，串行通信参数为 8 位数据位，无奇偶校验；1 位停止位，无数据流控制。波特率设为 115 200 b／s。判断帧起始是否为$G-PGGA，如 果是，按位读取 GPS 数据， 在 Linux 下，所有的硬件设备都被看成是普通文件，可以通 过与普通文件相同的标准系统调用完成打开、关闭、读取和写入设备等操作。系统中每一个 设备都用一种特殊的设备相关文件表示，存放在／dev 目录下。在 Linux 中，对每一个设 备的描述是通过主设备号和次设备号来惟一确定的。由同一个设备驱动控制的所有设备具有 相同的主设备号，主设备号描述控制这个设备的驱动程序，即驱动程序与主设备号是一一对 应的(O～255)；次设备号用来区分同一个驱动程序控制的不同设备。 四、实验与结果 运行嵌入式目标板的客户端程序采集 GPS 数据并发送，在上位机上运行服务器端就能 接收到 GPS 数据。如图 5 所示为 GPS 数据采集、接收的调试界面的数据，比较监控中心 服务器接收到的 GPS 数据与终端采集到 GPS 数据相一致，实现了终端与监控中心无线、 实时数据传输。本终端运行稳定、系统响应时间小于等于 3 s，网络良好情况下数据传输速 率达 115 200 b／s。 五、结 语 利用嵌入式 Linux 操作系统开发平台提供的系统功能，可以简化多任务程序设计，降低 开发难度，轻松地完成前后台编程方法难以完成的任务。由于 CDMA 数据传输有着永远在 线、费用低廉，并且能够切换到 SMS 方式，保证数传万无一失的诸多优点，而且随着移动 通信网络的发展，该 GPS 智能终端更易平滑过渡到 3G 移动通信系统。因此将会有更广阔 的应用前景。 8
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