GPS" title="GPS">GPS可提供連續(xù),、高精度,、實時的時間基準、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,，因而廣泛應(yīng)用于GPS載波相位測姿、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，在GPS的應(yīng)用中占據(jù)重要的位置,。本文研究基于ARM9" title="ARM9">ARM920T內(nèi)核的嵌入式微處理器S3C2440和WindowsCE 5．0(簡稱WindowsCE)的某型軍車GPS定位信息的采集與處理,。

1 系統(tǒng)硬／軟件平臺概述
    車輛GPS定位信息采集系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖l所示。

    該平臺可以分為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存儲器，用于運行系統(tǒng)主程序,。存儲容量為64 M×8 bit的Nand FlashK9F1208UOM,，因其具有掉點保護功能,，用于存儲操作系統(tǒng)內(nèi)核,、Bootloader的啟動代碼和用戶程序。
    2)GPS原始數(shù)據(jù)接收模塊 由一臺遵循NMEA-0183協(xié)議標準的GPS接收機和PS天線組成,。通過外接GPS接收機,，將接收到的GPS原始信息，送入到嵌入式微處理器進行數(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)動的3．5#TFT型LCD,，用于人機交互以及現(xiàn)實解析后的GPS信息。USB主口用于擴展U盤,，用于數(shù)據(jù)存儲,，從口用于下載WinCE內(nèi)核文件以及與軟件開發(fā)主機進行數(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)先級別；支持串口和網(wǎng)絡(luò)通信,；具有豐富的API函數(shù),，具有強大的開發(fā)工具；多硬件平臺支持,，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)議標準,，即美海軍的電子設(shè)備標準。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,，校驗為設(shè)置為無。該協(xié)議定義了GPS接收機輸出的標準信息,，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)議標準,。

3 GPS定位信息采集和處理的軟件實現(xiàn)
    本系統(tǒng)的軟件開發(fā)在可視化開發(fā)工具Embedded VisualC++(簡稱EVC)中,，采用MFC編程技術(shù)實現(xiàn)。
3．1 GPS數(shù)據(jù)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)換
    GPS與ARM之間用RS232串口方式進行通信,，串口對象負責接收數(shù)據(jù),，并把接收到的數(shù)據(jù)放置到串口緩沖區(qū)。GPS對象按照協(xié)議結(jié)構(gòu)負責處理串口對象接收到的數(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)和校驗狀態(tài),。

    開始狀態(tài)是一個數(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數(shù)據(jù)幀相匹配,。如果相匹配，那么將退轉(zhuǎn)到下一個狀態(tài)：GPS數(shù)據(jù)正文狀態(tài),，開始進行數(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GPS數(shù)據(jù)正文狀態(tài)完成,，進入“*”字符的時候，將進入數(shù)據(jù)校驗狀態(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)處理的四個狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換，下面論述一個完整的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()用于從一個已有的字符串當中查找與目標字符(串)相匹配的首次出現(xiàn)的一個單字符或一個子字符串。一個重要的函數(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()用于截取一個字符,，也可從一個具體位置開始截取一個子字符串，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，進入到如圖5所示的GPS數(shù)據(jù)幀處理流程,。在處理GPS時間數(shù)據(jù)時,，因為北京位于東八區(qū)，UTC時間與北京時間相差8 h,，得到UTC時間后,，如果要得到標準的北京時間,，應(yīng)在此時間的基礎(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系,。坐標系如圖6所示，站心切平面以P點的法線為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與觀測點之間的距離為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的三維坐標為(X,，Y,，Z)滿足：
    
    因為繪制的是二維圖形，故只能將半球坐標系壓縮到觀測者所在的平面內(nèi)(稱這個面為基礎(chǔ)面),，圖上所表示出的衛(wèi)星的位置實際為衛(wèi)星在該平面的投影點,，該坐標系的參數(shù)有2個，一個是表達衛(wèi)星的投影點和觀測者的方位關(guān)系的方位角,；另一個是表達衛(wèi)星真實所在位置以基礎(chǔ)面為準與觀測者所構(gòu)成的仰角關(guān)系的仰角,。有了這2個參數(shù)就能在該坐標系中唯一確定一個具有物理意義的點。本系統(tǒng)設(shè)計中,，設(shè)計簡單的坐標系,，它有2個同心圓和4條直線組成。繪制出衛(wèi)星視圖之前進行的簡單的坐標變換算法思想為：將衛(wèi)星實際的方位角,、仰角立體坐標轉(zhuǎn)換為平面內(nèi)的橫縱(PX,、PY)坐標，具體表示如式(2)所示,。其中,，(POX，POY)分別為兩同心圓原點(看作是觀測點)在LCD上的像素坐標,，而T為對話框窗體客戶區(qū)長度的1／4,。
   
3．5 串口接收的實現(xiàn)
    完成GPS定位信息的采集，需要實現(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,。
    2)關(guān)閉串口函數(shù),。該函數(shù)在程序操作串口發(fā)生錯誤時使用，用于關(guān)閉該串口,。實現(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)建一個串口接收線程和顯示線程來實現(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 實驗數(shù)據(jù)及分析
    設(shè)置好串口參數(shù)后,，打開串口COMl，既可獲取實驗數(shù)據(jù),。圖7為在某型軍車上一次實測的數(shù)據(jù),。實測數(shù)據(jù)界面拍攝的時間為2009年11月10日晚上9點45分，地點為某訓練場,。數(shù)據(jù)在靜止的狀態(tài)下測得,。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)緯度信息比對發(fā)現(xiàn)，界面實時顯示的精度和緯度信息非常精確,。通過實
時比對標準的北京時間,，說明時間和日期信息顯示也完全正確。
    速度信息在靜止情況下測得,，故理想的速度為0 k／s,。而實際測得數(shù)據(jù)分別為0．060 00 k／s，前文已論述,，1 k／s換算成標準的速度信息約0．514 444 m／s,，故測得的速度誤差分別約為O．030 867 m／s?？梢钥闯?，測量的速度誤差相對而言是很小的。
    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)地勢西北高,，海拔高度為81．5 m，東南低,，海拔高度為64．3 m,。測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)星與觀測點的方位關(guān)系能清晰的表示，而且衛(wèi)星的編號也能實時顯示,，從上到下依次分別為：23,、17、3、4,、19,、20、32,、11,。

5 結(jié)論
    GPS定位為單點定位，用一臺接收機觀測衛(wèi)星,，獨立定出觀測點在WGS-84(地心坐標)中的絕對位置,。系統(tǒng)以ARM9為嵌入式微處理器，以WindowsCE為嵌入式操作系統(tǒng),，通過串行口實現(xiàn)GPS接收機與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),。實驗表明：該系統(tǒng)能實時顯示精度較高,、持久有效的GPS定位數(shù)據(jù)，具有重要的實用價值和參考意義,。