GPS可提供連續(xù)、高精度、實(shí)時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)、三維位置、三維速度、整周模糊度等數(shù)據(jù)，具有性能好、精度高的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于GPS載波相位測(cè)姿、精確制導(dǎo)、SINS／GPS組合導(dǎo)航、嵌入式車輛導(dǎo)航監(jiān)控等軍事與民用領(lǐng)域。而嵌入式系統(tǒng)以其低功耗、小體積、高穩(wěn)定性和便攜等優(yōu)勢(shì)，在GPS的應(yīng)用中占據(jù)重要的位置。本文研究基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式微處理器S3C2440和WindowsCE 5．0(簡(jiǎn)稱WindowsCE)的某型軍車GPS定位信息的采集與處理。
1 系統(tǒng)硬／軟件平臺(tái)概述
車輛GPS定位信息采集系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖l所示。
該平臺(tái)可以分為3大模塊：
1)微系統(tǒng)核心模塊 由基于ARM920T的32位嵌入式微處理器S3C2440、SDRAM和Nand Flash構(gòu)成和總線接口構(gòu)成。2片32 MB的HY57V561620構(gòu)成64 MB的SDRAM存儲(chǔ)器，用于運(yùn)行系統(tǒng)主程序。存儲(chǔ)容量為64 M×8 bit的Nand FlashK9F1208UOM，因其具有掉點(diǎn)保護(hù)功能，用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)核、Bootloader的啟動(dòng)代碼和用戶程序。
2)GPS原始數(shù)據(jù)接收模塊 由一臺(tái)遵循NMEA-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收機(jī)和PS天線組成。通過外接GPS接收機(jī)，將接收到的GPS原始信息，送入到嵌入式微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，最終得出戰(zhàn)車所在位置的位置、速度和海拔等信息。
3)外設(shè)控制模塊 包括LCD+觸摸屏、USB主／從口、電源、JTAG調(diào)試接口、復(fù)位電路。選用東華的自帶4線模擬電阻式觸摸屏和硬件驅(qū)動(dòng)的3．5#TFT型LCD，用于人機(jī)交互以及現(xiàn)實(shí)解析后的GPS信息。USB主口用于擴(kuò)展U盤，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從口用于下載WinCE內(nèi)核文件以及與軟件開發(fā)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，JTAG調(diào)試接口用于硬件調(diào)試以及燒載Bootloader。
軟件平臺(tái)為微軟公司的嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE，它界面友好，支持嵌套中斷、更好的線程響應(yīng)、更多的優(yōu)先級(jí)別；支持串口和網(wǎng)絡(luò)通信；具有豐富的API函數(shù)，具有強(qiáng)大的開發(fā)工具；多硬件平臺(tái)支持，支持ARM、MIPS等處理器。經(jīng)過Platform Builder定制移植的WindowsCE操作系統(tǒng)如圖2所示。
2 定位信息數(shù)據(jù)格式
GPS的輸出數(shù)據(jù)遵循NMEA-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即美海軍的電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)NMEA-0183協(xié)議，獲取GPS定位信息，必須將串行口的波特率設(shè)置為4800b／s，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8 bit，停止位設(shè)置為1 bit，校驗(yàn)為設(shè)置為無。該協(xié)議定義了GPS接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息，最常用、兼容性最廣的語句格式包括：$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV、$GPGSA、$GPGLL等。應(yīng)用到的GPS數(shù)據(jù)格式包括$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV三種。其中，用$GPRMC語句獲取時(shí)間、經(jīng)緯度、速度、年月日信息，用$GPGSV語句獲取海拔高度信息，用$GPGSV語句獲取可見衛(wèi)星數(shù)信息及衛(wèi)星的方位角和仰角信息，用以獲取衛(wèi)星的視圖。各語句的數(shù)據(jù)段的含義，參考NMEA-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
3 GPS定位信息采集和處理的軟件實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)的軟件開發(fā)在可視化開發(fā)工具Embedded VisualC++(簡(jiǎn)稱EVC)中，采用MFC編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
3．1 GPS數(shù)據(jù)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)換
GPS與ARM之間用RS232串口方式進(jìn)行通信，串口對(duì)象負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)放置到串口緩沖區(qū)。GPS對(duì)象按照協(xié)議結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)處理串口對(duì)象接收到的數(shù)據(jù)。圖3為GPS數(shù)據(jù)處理之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。GPS數(shù)據(jù)處理狀態(tài)共包括4個(gè)狀態(tài)：開始狀態(tài)、數(shù)據(jù)幀頭狀態(tài)、GPS數(shù)據(jù)正文狀態(tài)和校驗(yàn)狀態(tài)。
開始狀態(tài)是一個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始狀態(tài)，它處理和判斷數(shù)據(jù)幀的起始字符$。若起始符號(hào)不是其中的$，則一直停留在開始狀態(tài)，直到$到來位置，數(shù)據(jù)幀頭狀態(tài)用于判斷數(shù)據(jù)幀的格式是否與我們目前需要的目標(biāo)數(shù)據(jù)幀相匹配。如果相匹配，那么將退轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)：GPS數(shù)據(jù)正文狀態(tài)，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果不匹配，則轉(zhuǎn)移到開始狀態(tài)。
數(shù)據(jù)處理中用到了緩沖區(qū)的概念，它一邊累積計(jì)算接收的數(shù)據(jù)的異或和，一邊把相應(yīng)的數(shù)據(jù)域送入緩沖區(qū)。這樣既降低了數(shù)據(jù)提取校驗(yàn)的復(fù)雜度，也提高了數(shù)據(jù)處理的延續(xù)性和正確性。當(dāng)GPS數(shù)據(jù)正文狀態(tài)完成，進(jìn)入“*”字符的時(shí)候，將進(jìn)入數(shù)據(jù)校驗(yàn)狀態(tài)，它用于判斷數(shù)據(jù)接收和處理的有效與否。若校驗(yàn)成功，則接收有效，收到CR，LF字符后又重新跳轉(zhuǎn)到開始狀態(tài)。若校驗(yàn)失敗，則放棄處理的數(shù)據(jù)，直接跳轉(zhuǎn)至開始狀態(tài)。
3．2 完整GPS數(shù)據(jù)幀的截取
了解了GPS數(shù)據(jù)處理的四個(gè)狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換，下面論述一個(gè)完整的GPS數(shù)據(jù)幀的提取和處理，它是獲取車輛GPS定位數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。一個(gè)完整的GPS數(shù)據(jù)幀的提取流程如圖4所示。
圖4中，m_strRecDisp為一個(gè)CString變量，用于表示接收數(shù)據(jù)的字符串，該程序流程中，用到兩個(gè)最重要的函數(shù)即：字符(串)查找函數(shù)和字符串截取函數(shù)。
1)字符(串)查找函數(shù) 該函數(shù)CString∷Find()用于從一個(gè)已有的字符串當(dāng)中查找與目標(biāo)字符(串)相匹配的首次出現(xiàn)的一個(gè)單字符或一個(gè)子字符串。一個(gè)重要的函數(shù)原型為：int Find(TCHAR ch，int nStart)const：其中，ch為要查找的目標(biāo)字符，nStart為開始查找位置。
2)字符串截取函數(shù) 該函數(shù)CString∷Mid()用于截取一個(gè)字符，也可從一個(gè)具體位置開始截取一個(gè)子字符串，返回值即為字符或字符串常量。函數(shù)原型為：Mid(int nFirst，intnCount)const；其中nFirst為字符串開始截取的位置，nCount為截取字符數(shù)目。
3．3 GPS數(shù)據(jù)幀的處理
截取出一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀后，將數(shù)據(jù)幀賦值給CString變量data，data再將其字符內(nèi)容淵源不斷的送給緩沖pBuffer，解壓縮數(shù)據(jù)幀后，進(jìn)入到如圖5所示的GPS數(shù)據(jù)幀處理流程。在處理GPS時(shí)間數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)楸本┪挥跂|八區(qū)，UTC時(shí)間與北京時(shí)間相差8 h，得到UTC時(shí)間后，如果要得到標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間，應(yīng)在此時(shí)間的基礎(chǔ)上，加上8 h。
3．4 二維衛(wèi)星視圖的獲取
衛(wèi)星視圖的獲取首先要用到站心切平面坐標(biāo)系。坐標(biāo)系如圖6所示，站心切平面以P點(diǎn)的法線為Z軸且向上為正，X軸垂直于Z軸并指向北極．Y軸垂直于Z軸并向東為正。
顯然，若衛(wèi)星P與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離為r，E為任意可見衛(wèi)星P的仰角，B為衛(wèi)星的方位角，則P的三維坐標(biāo)為(X，Y，Z)滿足：
因?yàn)槔L制的是二維圖形，故只能將半球坐標(biāo)系壓縮到觀測(cè)者所在的平面內(nèi)(稱這個(gè)面為基礎(chǔ)面)，圖上所表示出的衛(wèi)星的位置實(shí)際為衛(wèi)星在該平面的投影點(diǎn)，該坐標(biāo)系的參數(shù)有2個(gè)，一個(gè)是表達(dá)衛(wèi)星的投影點(diǎn)和觀測(cè)者的方位關(guān)系的方位角；另一個(gè)是表達(dá)衛(wèi)星真實(shí)所在位置以基礎(chǔ)面為準(zhǔn)與觀測(cè)者所構(gòu)成的仰角關(guān)系的仰角。有了這2個(gè)參數(shù)就能在該坐標(biāo)系中唯一確定一個(gè)具有物理意義的點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的坐標(biāo)系，它有2個(gè)同心圓和4條直線組成。繪制出衛(wèi)星視圖之前進(jìn)行的簡(jiǎn)單的坐標(biāo)變換算法思想為：將衛(wèi)星實(shí)際的方位角、仰角立體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面內(nèi)的橫縱(PX、PY)坐標(biāo)，具體表示如式(2)所示。其中，(POX，POY)分別為兩同心圓原點(diǎn)(看作是觀測(cè)點(diǎn))在LCD上的像素坐標(biāo)，而T為對(duì)話框窗體客戶區(qū)長(zhǎng)度的1／4。
3．5 串口接收的實(shí)現(xiàn)
完成GPS定位信息的采集，需要實(shí)現(xiàn)的串口主要的API函數(shù)包括：
1)打開串口函數(shù)。原型為Open(LPT OpenPort(LPCTSTRPort，int BaudRate，int DataBits，int StopBits，int Parity)。其中，Port代表串口名，如COMl等，BaudRate為波特率，DataBits為數(shù)據(jù)位；StopBits為停止位，Parity為奇偶校驗(yàn)。
2)關(guān)閉串口函數(shù)。該函數(shù)在程序操作串口發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)使用，用于關(guān)閉該串口。實(shí)現(xiàn)的主要方法是：先判斷串口操作句柄hComm的值是否為INVALID_HANDLE_VALUE，如果是，則調(diào)用SetCommMask()，將上述代碼段中的EV_RXCHAR改為0，然后清除緩沖區(qū)，再利用CloseHandle函數(shù)關(guān)閉串行口操作句柄。
3)添加打開串口單擊事件代碼，通過創(chuàng)建一個(gè)串口接收線程和顯示線程來實(shí)現(xiàn)。
4)串口接收線程CommRecvTread()與回調(diào)函數(shù)OnCommRecv()。串口接收線程為一個(gè)無限循環(huán)，它不斷查詢串口接收線程退出事件m_Exit-ThreadEvent。如果退出事件有效，則該循環(huán)結(jié)束退出。如果調(diào)用讀串口函數(shù)查詢得知接收到數(shù)據(jù)，則調(diào)用串口接收成功回調(diào)函數(shù)0nCommRecv()。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
設(shè)置好串口參數(shù)后，打開串口COMl，既可獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖7為在某型軍車上一次實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)界面拍攝的時(shí)間為2009年11月10日晚上9點(diǎn)45分，地點(diǎn)為某訓(xùn)練場(chǎng)。數(shù)據(jù)在靜止的狀態(tài)下測(cè)得。該定位顯示的數(shù)據(jù)包括“原始數(shù)據(jù)”和解析后“經(jīng)緯度、時(shí)間、海拔”等信息。通過分析圖7(a)界面的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，$GPGSV語句有兩條，而在“星數(shù)”對(duì)應(yīng)的Edit框中顯示的定位所用衛(wèi)星數(shù)為8，由于每一條GPGSV最多能顯示4顆衛(wèi)星的信息，故$GPGSV語句為兩條。這說明星數(shù)與$GPGSV語句數(shù)是吻合的。而獲取有效的GPS定位信息，至少需要4顆定位衛(wèi)星。這也說明此次數(shù)據(jù)是有效的定位數(shù)據(jù)。
該界面顯示的經(jīng)緯度信息分別為N：38°3．6788’，E：114°29．1765’；其中，N代表北緯，E代表東經(jīng)。而用GoolgeEarth軟件查閱數(shù)據(jù)可知，石家莊軍械學(xué)院南門的精確經(jīng)度／緯度信息為：北緯38°3．1650’，東經(jīng)114°29．0046’，軍械學(xué)院西門的精確經(jīng)度／緯度信息為：北緯38°3．394O’，東經(jīng)114°28．5432’。通過與二者的經(jīng)緯度信息比對(duì)發(fā)現(xiàn)，界面實(shí)時(shí)顯示的精度和緯度信息非常精確。通過實(shí)時(shí)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間，說明時(shí)間和日期信息顯示也完全正確。
速度信息在靜止情況下測(cè)得，故理想的速度為0 k／s。而實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)分別為0．060 00 k／s，前文已論述，1 k／s換算成標(biāo)準(zhǔn)的速度信息約0．514 444 m／s，故測(cè)得的速度誤差分別約為O．030 867 m／s。可以看出，測(cè)量的速度誤差相對(duì)而言是很小的。
界面顯示的海拔信息為：68．800 00 m。而通過石家莊市規(guī)劃局提供的資料可知：石家莊市區(qū)二環(huán)路內(nèi)地勢(shì)西北高，海拔高度為81．5 m，東南低，海拔高度為64．3 m。測(cè)得的海拔高度還是存在微小的誤差。這可能跟接收的GPS信號(hào)的漂移有關(guān)。從圖7(b)部分的衛(wèi)星視圖可以看出，衛(wèi)星與觀測(cè)點(diǎn)的方位關(guān)系能清晰的表示，而且衛(wèi)星的編號(hào)也能實(shí)時(shí)顯示，從上到下依次分別為：23、17、3、4、19、20、32、11。
5 結(jié)論
GPS定位為單點(diǎn)定位，用一臺(tái)接收機(jī)觀測(cè)衛(wèi)星，獨(dú)立定出觀測(cè)點(diǎn)在WGS-84(地心坐標(biāo))中的絕對(duì)位置。系統(tǒng)以ARM9為嵌入式微處理器，以WindowsCE為嵌入式操作系統(tǒng)，通過串行口實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)與ARM之間的通信，構(gòu)建了某型軍車的GPS定位信息采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示精度較高、持久有效的GPS定位數(shù)據(jù)，具有重要的實(shí)用價(jià)值和參考意義。