ARM-Linux平台下GPS信号的采集与处理研究

定位和导航是很多便携移动设备以及汽车电子设备的重要功能之一，所以GPS在上述设备中得到了广泛的应用。基于ARM-Linux的嵌人式平台以其开放性、安全性、健壮性和稳定性越来越成为各种便携设备和车载导航设备的主要开发平台。如何实现GPS模块和嵌人式ARM-Linux平台之间的通信成了实现系统定位导航的基础。

本文主要研究GPS模块与ARM-Linux平台之间采用异步串行传送方式进行数据传送的问题，利用多线程编程技术实现GPS信号采集与处理，并介绍了一种WGS坐标向地方坐标的转换方法。与GPS通信可选的协议有很多种，目前普遍采用的是NMEA-0183通信协议。

1 NMEA-0183通信协议

NMEA-0183协议[1]是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的海事无线电技术委员会(BTCM)标准，由美国国家海洋电子协会NMEA(National Marine Electronics Association)制定的通信协议，其中规定了海用和陆用GPS接收设备输出的定位位置数据、时间、卫星状态、接收机状态等信息。除NMEA-0183协议之外，还有差分用的RTCMSC-104格式，各个厂商互不兼容的二进制格式等，但以NMEA-0183使用最广泛。为实现ARM-LINUX平台与GPS之间的通信，应清楚协议规定的GPS输出的数据格式和报文。NMEA-0183规定的格式如下：
波特率：4 800 b/s
数据位：8 bit
奇偶校验：无
开始位：1 bit
停止位：1 bit
报文格式：报文的语句串(十进制ASCII码)格式全部信息如图1。

图1中具体内容：＄为串头，表示串开始；GP为交谈识别符。XXX为语句名，NMEA规定的常用语句有以下6种：GGA，卫星定位信息；GLL，地理位置-经度和纬度；GSA，GNSS DOP偏差信息，说明卫星定位的信号的优劣情况；GSV，GNSS天空范围内的卫星；RMC，最基本的GNSS信息，指能够达到定位目的的基本信息等语句。ddd为数据字段，字母或数字，"，"为域分隔符；*表示串尾；hh表示＄与*之间所有字符代码的校验和；为回车控制符；为换行控制符。

在实际的GPS应用中，并不会用到NMEA的全部信息，而是根据具体的需要，从中选取有用的信息，忽略其余的信息内容。下面以GPRMC语句为例来介绍。该语句包含时间、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以满足一般的导航需求。GPRMC语句的结构为：＄GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，*hh。

数据区说明如下：

(1)UTC时间，hhmmss.sss(时分秒.毫秒)格式；
(2)定位状态，A=有效定位，V=无效定位；
(3)纬度ddmm.mmmm (度分)格式(前面的0也将被传输)；
(4)纬度半球N(北半球)或S(南半球)；
(5)经度dddmm．mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)；
(6)经度半球E(东经)或W(西经)；
(7)地面速率(000．0～999.9节，前面的0也将被传输)；
(8)地面航向(000.0～359．9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输)；
(9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式；
(10)磁偏角(000．0～180．0度，前面的0也将被传输)；
(11)磁偏角方向，E(东)或W(西)。

2 目标平台

本文中使用的是以SAMSUNG公司的ARM9系列中的16/32位RISC处理器S3C2410A芯片为核心的目标平台。S3C2410A包含一个16/32位的RISC(ARM920T)CPU内核、独立的16 KB的指令和16 KB数据缓存(cache)、用于虚拟内存管理的MMU单元、LCD控制器(STN&TFT)、非线性(NAND)Flash、系统管理器(包括片选逻辑控制和SDRAM控制器)及3个通道的异步串口(UART)。目标板资源包括S3C2410的微处理器，主频200 MHz；16 MB的Flash；64 MB的SDRAM；RS-232C UART接口；LCD液晶显示屏。

在目标板上选配的GPS模块是HIMARK公司的GPS模块，此模块是符合民用标准的GPS接收器，信号接收性能好，功耗较小，整体工作比较稳定。整体硬件设计框图如图2所示。


3 交叉编译环境的建立

基于嵌入式Linux操作系统的应用开发模式通常都是宿主机+目标机[2]。目标机用于运行操作系统和系统应用软件，而目标板所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试则需要通过宿主机(资源丰富处理能力强的PC)来完成，称之为交叉编译。双方之间一般通过串口、并口或以太网接口建立连接关系。

(1)配置minicom：在宿主机Redhat Linux 9.0的X windows界面下新建终端，在终端命令提示符后输入minicom-s，回车，然后按照提示设置波特率115200，8位数据，1位停止位，无流控，保存退出。

(2)TFTP服务的配置：在终端中运行setup->system service->tftp增加TFTP服务，并去掉ipchains和iptables 两项，然后在Firewall configuration，选中no firewall，保存退出，执行service xinetd restart启动TFTP服务。

(3)NFS服务器的配置：在终端中运行setup->system service->NFS，增加NFS服务，然后编辑文件exports，添加与目标机共享的目录，并设置目标机对目录的访问权限，重新启动NFS服务。

(4)Linux内核移植：通过并口，宿主机向目标开发板的Flash烧写引导程序ppcboot，烧写完毕后通过TFTP服务把经过裁剪的Linux内核镜像文件以及根文件系统下载到目标板的RAM中，然后由ppcboot完成内核及根文件系统从内存到Flash的烧写。最后需要在宿主机安装主编译器Arm-linux-gcc，用来交叉编译应用程序。