2020年09月17日 | 基于ARM嵌入式开发平台设计的GPS移动设备

引言

GPS即全球定位系统，由美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位的能力。近年来随着GPS的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断展开，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。如何设计一个带有GPS功能的移动设备，实现对GPS卫星数据的接收和解码，已经是现在CPS应用的热点。

1 开发平台

1．1 软件平台

为适应大多数Windows用户的使用习惯，我们设定移动设备运行环境为嵌入式操作系统Windows CE 5．0（简称WinCE 5．0），开发过程在Windows XP操作系统下进行。开发软件为Visual Studio 2005（简称VS2005），编程语言为C++。VS2005是Windows操作系统下的一套完整的开发工具，用于生成ASP Web应用程序、XML Web services、桌面应用程序和移动应用程序。通过使用这些工具和．NETFramework精简版（．NET Framework的子集），可以在个人数字助理（PDA）、移动电话和其他资源受约束的设备中，创建、生成、调试和部署在．NET Framework精简版上运行的应用程序。

1．2 硬件平台

1．2．1 嵌入式开发板

由于设定移动设备使用的运行环境为WINCE 5．0，过程中需要处理大量的数据，所以对开发板要求较高。目前WinCE 5．0支持的处理器主要有ARM、X86、PowerPC、MIPS等，其中ARM是近年来在嵌入式系统中很有影响力的微处理器架构，在同等处理器主频下，ARM内核的芯片面积最小，功耗最低，价格也最低廉，在性能、技术指标、软件支持工具、内置调试工具和开发资料等方面都有优势。考虑到本系统移动终端的体积、功耗、成本等因素，最后决定选用ARM内核的处理器，开发板为光嵌公司的GEC2440，主要参数如表l所示。

1．2．2 GPS接收模块

GPS接收模块负责接收GPS射频信号，将信号下变频和解调，输出标准的串口信号供处理器进行下一步处理。本设计中用到的GPS接收模块为Levave公司的GPS-R36-AT模块，性能参数如表2所示。该接收模块主要包含基带芯片和射频芯片，采用了SIRF III模块，整合片状陶瓷芯片，无需外加天线，接收C／A码卫星信号，输出的信号为NMEA0183协议数据，通过串口与主设备进行通信。

2 整体设计

设计主要依照GPS数据信号的流向来进行。GPS数据信号通过串口读入到开发板主程序，然后经过对数据信号进行解码获得当前位置的经纬度信息，再在经纬度数据库中查询获得当前位置的地名，整个过程由触摸屏进行显示，并通过触摸屏完成人机交互。

2．1 串口驱动

Microsoft eMbedded Tools封装了Windows API函数，便于Windows CE应用程序的开发。在Windows CE中，所有的设备都被看成是文件。串口通信可以像访问普通文件那样通过API通信函数来实现，系统的虚拟驱动程序负责执行特定的工作。在Windows CE下串行端口被视为用于打开、关闭、读写串行端口的常规可安装的流设备，是串行设备接口的常规I／O驱动程序调用和与通信相关的具体函数的结合。Windows CE的通信函数和其它大多数Windows的通信函数相似，值得注意的是，Windows CE不支持直接对串行端口的寄存器进行编程。

2．1．1 打开和关闭串口

CreateFile函数用于打开串行口。m_hDSComm=CreateFile（_T（“COM2：”）），GENER2IC_READ|GENER IC_WR ITE，0，NULL，OPEN_EXISTIN-G，0，NULL）。注意COM2后面要有一个冒号。第三个参数dwShareMode也必须为O，通信端口不能像文件一样被共享。最后一个参数dwFlagsAnd-Attributes必须为0，因为Windows CE只支持非重叠I／O。这个函数的返回值是已打开的串行端口的句柄或者是INVALLD_HANDLE_VALUE。关闭串口可以调用CloseHandle（m_hDSComm）。

2．1．2 串口参数设置

串口设置主要是用DCB构配置端口设置，包括波特率、停止位、数据位长度、校验位、流量控制和超时值等等。首先打开串行端口，用GetCommState函数获得当前打开的串口配置，然后根据需要修改DCB成员，最后用SetCommState函数设置新的串口配置。

2．1．3 设置缓冲区大小和超时

对串口来说，必须设置超时值，否则程序可能陷入到一个循环来等待来自串口的字符。这对采用WindowsCE的设备来说，将大大减少设备电池的使用时间，所以超时值是必须配置的。另外一种解决办法就是采用多线程。通常，配置超时值和配置串口类似。首先用GetCommTI-meouts函数获得当前串口的超时值，然后修改COM2MTIMEOUTS成员，最后用SetCommTImeouts函数设定超时值。

2．1．4 读写串口

利用ReadFile和WriteFile函数读写串口。需要注意的是Windows CE不支持重叠I／O，所以如果在主线程进行大量读写串口操作时，有可能使整个程序陷入缓慢的串口等待中去，因此一般都采用多线程来进行读写串口操作。

2．2 GPS数据处理

GPS数据处理模块的设计方案如图1所示。GPS接收模块通过串口2将定位数据（NMEA0183 Ver2．0）传给开发板，然后应用程序对数据进行处理。在VS2005中，直接利用串口通信方法将定位数据读入，接着进行定位数据的分类，并提取出所需要的信息，同时将这些有用的信息传给主应用程序，主应用程序再将GPS接收模块的控制信息整理成NEMA0183 VER2．0语句。

图1 GPS数据处理模块设计方案示意图

2．3 信号接收与处理

GPS接收到位置信号后，系统将对GPS的定位信息进行分解并提取出有用数据。GPS信号接收和处理的过程是：通过串口2将GPS输出的数据传递给开发板，开发板主程序获得目标当前的位置（经纬度坐标），将接收机获得的GPS数据进行分解，从中得到目标当前的位置和格林威治时间（该时间加上8小时即为我国标准时间），再将当前位置在经纬度数据库查询，获得当前的具体地点名。

经纬度随着开发板的移动是不断变化的，在控件显示时要设定一个TIMER来更新值，本程序设置的是1s，如果在实际应用中移动速度非常快的话可以把TIMER更新值设得更小。

2．4 人机界面设计

系统采用三星TFT显示屏，分辨率为420×272。人机界面基本功能包括串口选择控件、波特率选择控件、经纬度显示框、地点显示框、“搜星”按钮、“地点查询”按钮、文本框等，具体交互界面设计如图2所示。串口和波特率两个控件为串口选择和波特率的选择，其中串口选择控件提供串口l和串口2进行选择；波特率控件提供有三种设置，分别为4800、9600、19200。“搜星”按钮为打开对应串口，开始从GPS接收模块接收数据。“地点查询”按钮用来显示当地的实际地点名，当搜到星后，按这个按钮，通过查询经纬度数据库，就可以查到对应地名。最下面的文本框显示原始的数据流。

3 操作系统移植

WinCE 5．0操作系统的移植主要是基于硬件平台进行BSP开发。BSP是基于WinCE 5．0平台系统的主要部分，它主要由一些源文件和二进制文件组成，又称主板支持软件包，它是一个主要由包含启动程序（bootloader）、OEM适配层程序（OAL）相关硬件设备的驱动程序的软件包，另外还可以把上层的应用也放到BSP中。在BSP内部，通过OAL链接到系统核心，而驱动程序和系统配置文件是与OAL层相互关联来完成驱动设备和配置系统的功能。在BSP外部，我们可以看到一个建立在硬件平台上的主板支持包。在开发过程中可以利用开发板运营商提供的BSP包进行操作系统的定制，定制完成后固化到Nandflash中。

4 测试

因为开发板的串口2直接与GPS接收模块的串口相连，所以串口设置选择串口2。波特率应与GPS接收模块匹配，设置为4800。GPS模块为上电即启动，并且不能关闭，所以点击“搜星”按钮即可接收数据。启动“搜星”按钮后1min左右，就能显示正确的经纬度。点击“地点查询”按钮，能正确显示地点信息。最下面的文本框可以显示原始的数据流。测试时实拍的照片如图2所示。

5 总结

文章以VS2005为软件平台，利用基于ARM处理器的WinCE 5．0嵌入式开发平台和GPS接收模块，通过合理使用串口通信，实现了GPS数据信号的接收与解码，并利用触摸屏进行显示，已基本具备GPS移动设备的雏形。