基于ARM的嵌入式车载GPS定位系统设计

1、 基于 ARM 的嵌入式车载 GPS 定位系统设计鹿存波,邓飞贺,赵龙章(南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京 210009摘要:介绍了嵌入式 GPS 定位系统的整体设计方案,着重对基于 ARM9和嵌入式 Linux 的系统进行硬件设计和内核移植,同 时介绍了 GPS 接收模块的制作方案 。 最后对 GPS 驱动程序及应用程序进行了设计 。关键词:GPS ; ARM ; 嵌入式 Linux 操作系统Design of Embedded Vehicle GPS Location System Based on ARMLU Cunbo , DENG Feihe , ZHAO Longzhan

2、g(College of Automation and Electric Engineering , Nanjing University of Techonology , Nanjing Jiangsu 210009, China Abstract :The whole design of embedded GPS system is introducedThe paper mainly designed the hardware and makes Linux kernel transplantedAnd it particularly implemented the execution

3、of GPS moduleFinally , the paper designed the GPS driver and the application programKeywords :GPS ; ARM ; Embedded Linux OS0引言车载定位系统作为车载信息系统的重要部分,利用 GPS 等装置,以一定精度实现车辆定位,包含位置 、 速度和行车方向 等车辆姿态信息 。 继一些国家之后,我国一些科研院所和高校 也开始研究自己的车载定位系统,市场空前地繁荣 。 但是传统 系统功能单一 、 集成度不高 。 随着 ARM 处理器在全球范围的 流行, 32位的 RISC 嵌入式处理器已经

4、成为嵌入式应用和设计 的主流 。 同时嵌入式 Linux 是一个非常好的免费的操作系统内 核,具有稳定 、 良好的移植性,优秀的网络功能,完备的各种 文件系统的支持以及标准丰富的 API 等特点 。 因此,本文提供 了一套具有先进性及工程实用性的车载定位系统整体解决方 案,使得系统的性能 、 集成度和可扩展性大大提高 。1系统的硬件设计1. 1系统的整体硬件设计本文车载信息系统由主控制 、 定位 、 通信 、 数据采集 、 显示等几部分组成,如图 1所示 。图 1车载定位系统总体硬件设计方案主控制部分采用了三星公司基于 ARM920T 的 S3C2410和 Linux 的嵌入式系统平台,完成整

5、个系统的控制 。 其主要包括电源电路 、 时钟电路 、 复位电路 、 存储模块电路 、 JTAG 接口 电路 、 串行口电路 、 LCD 接口 、 SPI 接口以及按键电路的设计 。 主控模块通过串行口 、 SPI 接口 、 LCD 接口与扩展模块相连接 构成整个硬件系统 。1. 2GPS 模块的硬件设计与制作定位部分采用了自行设计和制作的基于瑞士 U-BLOX 公司 LEA-4S 芯片的 GPS 接收模块 。 在此给出了 GPS 接收模块的整 体设计,如图 2所示 。图 2GPS 接收模块的整体设计u-blox 的 GPS 部分分为两部分,采取数字 /模拟分开设计 的方法,有效提高了模块的抗

6、干扰能力 。 在硬件的设计制作过程中,也是分为两步,即模块部分和数字部分 。 模拟部分主要 由天线接入端及天线供电部分 /检测电路构成 。天线选用 3V 供电的有源天线,增益 27dB 左右,噪声系数 1. 5dB 左右 。 天线接入模块较为复杂,从 GPS 有源天线天线接收的信号频率高达 1. 575G ,属于微波范围 。 PCB 设计需要满足 天线座到模块 RF_IN 端的阻抗匹配为 50。模块供电电源稳压电路为 5V 转 3V 的五脚 LDO ,对电压稳 定精度较高,要求输出纹波在 50mV 以下,电流为 150mA 左右,这里选用精工的 SOT-23-5封装的 LDO S-11123.

7、 0V ,能满 足电源供应的要求 。 后备 3V 可充电微型锂电池则为数据保存 作用 。选择电路为波特率的选择及速率选择,或是启动速度之类 的选择,一般可以用默认值 。数字部分硬件相对简单, LEA-4S 为两路 TTL 电平输出, 分别为 9600/11520波 特 率, 分 别 支 持 国 际 通 用 GPS 协 议 NMEA 及 u-blox 公司的 UBX 二进制格式 。 在本设计中,通过串 口 O 提取 ASCII 码,串口数据通过 MAX232电平转换为 RS232电平 。 另外,将 GPS 模块的发送端和接收端经电平转换后与串 口 DB9交叉相连 。2软件平台的搭建系统的软件平台

8、的搭建其实就是嵌入式 linux 操作系统的 移植工作,主要包括 4步:建立交叉编译环境; 移植引导程 序; 编译内核; 生成根文件系统 。交叉编译工具主要由 gcc 、 binutils 和 glibc 这几部分组成 。 由于重新建立一个交叉编译工具链比较复杂也没有任何意义, 所以本文使用已经做好的工具链 。 因此建立交叉编译环境的过 程实际就是对工具包 cross 3. 3. 2. tar. bz2解包的过程 。本文移植的 Bootloader 是韩国 Mizi 公司开发的 vivi 。 首先 在根目录下创建一个 armsys2410目录,对 vivi_armsystgz 执 行解压命 令

9、 。 解 压 完 成 后 进 入 vivi _armsys 。 执 行 命 令 make menuconfig ,然后选择 “ Load on Alternate Configuration File ” 菜 单,再写入 arch /def-configs /smdk2410,进行 vivi 的裁剪 。 执行 make 命令进行编译,在 vivi_armsys 目录下生成 vivi 二进制文 件 。 最后将其烧写到 Flash 。内核的编译通过命令 make menuconfig 进行内核的配置; 通 过命令 make dep 建立依赖关系; 通过命令 make zImage 建立内 核 。

10、得到 Linux 内核压缩映像 zImage 。 最后通过 vivi 命令提示 模式下使用下载命令,将压缩映像文件 zImage 装载到 flash 存 储器中 。Linux 支持多种文件系统 。 cramfs 是 Linus Torvalds 撰写的 只具备最基本特性的文件系统 。 本文使用 mkcramfs 工具对主机 里已有 cramfs 文件系统进行制作和压缩 。 最后也要烧写到 flash 的相应部分 。3GPS 模块驱动程序的开发Linux 将设备分为最基本的两大类,字符设备和块设备 。 字符设备是单个字节为单位进行顺序读写操作,通常不使用缓 冲技术; 而块设备则是以固定大小的数据

11、块进行存储和读的 。 GPS 模块驱动程序是在 UART 驱动程序的基础上加入对 GPS 模块初始化和对 GPS 模块输出数据处理的部分,构建一个 独立的驱动模块,在导航系统进实时导航工作模式时挂接到系 统内核中,实现 GPS 功能 。3. 1初始化 /清除模块在初始化程序段中要完成对 GPS 设备的注册,设备节点的 创建和对串口相关寄存器的初始化 。 部分代码如下:if (register_chrdev(GPS_MAJOR, GPS_NAME, gps_fops 0/注册 GPS 字符设备printk (KERN _INFO ” registering of “ GPS ” is faile

12、d n ” ;return ret ;devfs_GPS_dir=devfs_mk_dir(NULL , “ GPS ” , NULL ; devfs_handle=devfs_register(devfs_GPS_dir, “ GPS ” DEVFS _FL_DEFAULT, GPS_MAJOR, 0, S_IFCHR|S_IRUSR|S_IWUSR, GPS_fops, NULL ;printk (“ GPS suecessfully initialized n” ;*UCON0=OxO211; /串口工作模式定义*UBDRO =OxOO17; /波特率的选择相反, 清除模块函数 GPS_

13、Cleanup(, 完成注销字符设备 。 devfs_unregister_chrdev(GPS_MAJOR, GPS_NAME;printk (“ GPSmoduleremoved n” ;3. 2两个数据结构定义模块驱动的最终目的就是取得 GPS 信息,因此规范 GPS 数 据是对数据传递的可靠性和速率都是有益的 。struct GPS_DATAunsigned int hour ; /小时, 24小时制unsigned int minute ; /分unsigned long Second ; /秒, 精度小数点后三 位unsigned long latitude ; /纬度unsign

14、ed char southornorth ; /纬度属于南北的 标志码unsigned long longitude ; /经度unsigned char eastorwest ; /经度属于东西的标 志码; /其中包括了在导航系统中所需的几个重 要数据 。另外还有对驱动模块文件操作结构的定义 。 即:static struct file_operationsgps_fops=ead :gps_read,rite :gps_write,octl :gps_ioctl,open :gps_open ,elease :gps_release,; /定义了设备操作映射 函数结构 。3. 3驱动程序的

15、模块操作在导航系统进入 GPS 导航模式时,系统首先是将 GPS 模块 注册到操作系统中,实现初始化过程,再通过 gps_open 打开设备,此过程中完成对中断 、 缓冲区以及定时器等资源的 申请,为 GPS 数据读取做准备 。 通过 gps_write ( 向模块写 命令字来是自主地选择工作模式, gps_ioctl ( 则是选择串口 传输模式,使之与 GPS 模块传输模式相匹配 。 之后的应用程序 将创立一个独立的进程来进行 GPS 数据的读取 gps_read (, 该进程没有数据时进程一直处于睡眠状态等待数据,有数据 来,进入中断处理模块,完成数据的分析,生成 GPS_DATA 数据结

16、构,供导航使用 。 这个进程是随着导航模式的切换而终 止的,此时除了关闭进程外,还需调用 gps_release ( 释放 申请的所有资源,并关闭设备 。3. 4应用程序的实现GPS 模块通过串口输出 NMEAO183语句,而应用程序主要 完成对 GPS 数据的采集与解析 。 NMEA0183输出语句多达十余 种,任意一种定位语句都包含一定的定位数据,由于以 “ $G-PRMC ” 开头的语句包含了本系统所需的所有定位信息,本系 统只需研究该类型 。$GPRMC , 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, *hh , CR LF 等该类型定位数据的各个符号位的含义

17、如表 1所示 。表 1$GPRMC 帧基本格式的描述域 描述$GPRMC 定位语句起始标志1协调世界时 UTC2GPS 定位状态指示, A 为有效定位, V 为无效定位 3纬度4纬度标志, N 为北纬, S 为南纬5经度6经度标志, E 为东经, W 为西经7相对于地面的速度8:轨道相对于地面的夹角9UTC 日期,日月年10磁偏角*hh 校验标志符CR LF 语句中止符应用程序的整体设计流程如图 3所示 。从图 3可以看出,系统开始运行后首先对串口的初始化就 是对 GPS 模块初始化,包括设置波特率 、 数据位 、 校验位等; 然后开始接收 GPS 数据,即从串口读数据,并将读到的数据保 存到

18、 BUF 中; 接着进入数据的解析和提取阶段,通过 BUF 5等不等于 “ c ” 判断 是 否 为 $GPRMC ,若 是,则 开 始 提 取 经 纬 度 、 时间等信息并存入结构体 GPS_DATA 中,最后通过 LCD 显示出来 。图 3软件设计整体框图4结束语本文给出了基于 ARM9和嵌入式操作系统 Linux 下, GPS 定位系统的整体解决方案 。 包括了系统的整体设计, GPS 模块 制作方案,开发平台搭建以及 GPS 驱动程序和应用程序的设 计 。 与市场上的车载定位系统相比,本设计在功能性 、 可扩展 性和稳定性上都有所提高 。 以本系统作为基础,车载定位系统 的下一步工作将可以专注于应用程序的编写,包括提高 GPS 定 位精度的算法,以及开发更加友好的人机交互界面 。参考文献:【 1】 徐俊仕 基