李文新，王廣龍，陳建輝，喬中濤

（軍械工程學院 導彈工程系，河北 石家莊 050003）

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、整周模糊度等數據，具有性能好、精度高的特點，因而廣泛應用于GPS載波相位測姿[1]、精確制導[2-3]、SINS/GPS組合導航[4-5]、嵌入式車輛導航監(jiān)控[6-7]等軍事與民用領域。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的應用中占據重要的位置。本文研究基于ARM920T內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)的硬件平臺結構如圖1所示。該平臺可以分為3大模塊：

圖1 系統(tǒng)硬件平臺結構圖

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構成和總線接口構成。2片32 MB的HY57V561620構成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 Flash K9F1208U0M，因其具有掉點保護功能，用于存儲操作系統(tǒng)內核、Bootloader的啟動代碼和用戶程序。

2）GPS原始數據接收模塊 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據解析，最終得出戰(zhàn)車所在位置的位置、速度和海拔等信息。

3）外設控制模塊 包括LCD+觸摸屏、USB主/從口、電源、JTAG調試接口、復位電路。選用東華的自帶4線模擬電阻式觸摸屏和硬件驅動的3.5#TFT型LCD，用于人機交互以及現實解析后的GPS信息。USB主口用于擴展U盤，用于數據存儲，從口用于下載WinCE內核文件以及與軟件開發(fā)主機進行數據交互，JTAG調試接口用于硬件調試以及燒載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、更多的優(yōu)先級別；支持串口和網絡通信；具有豐富的API函數，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。經過Platform Builder定制移植的WindowsCE操作系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 移植后的WindowsCE界面

2 定位信息數據格式

GPS的輸出數據遵循NMEA-0183協(xié)議標準，即美海軍的電子設備標準。根據NMEA-0183協(xié)議，獲取GPS定位信息，必須將串行口的波特率設置為4 800 b/s，數據位設置為8 bit，停止位設置為1 bit，校驗為設置為無。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、$GPGLL等。應用到的GPS數據格式包括$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV三種。其中，用$GPRMC語句獲取時間、經緯度、速度、年月日信息，用$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。各語句的數據段的含義，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

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)在可視化開發(fā)工具Embedded Visual C++（簡稱EVC）中，采用MFC編程技術實現。

3.1 GPS數據處理狀態(tài)轉換

GPS與ARM之間用RS232串口方式進行通信，串口對象負責接收數據，并把接收到的數據放置到串口緩沖區(qū)。GPS對象按照協(xié)議結構負責處理串口對象接收到的數據。圖3為GPS數據處理之間的狀態(tài)轉換示意圖。GPS數據處理狀態(tài)共包括4個狀態(tài)：開始狀態(tài)、數據幀頭狀態(tài)、GPS數據正文狀態(tài)和校驗狀態(tài)。

圖3 GPS數據處理狀態(tài)轉換圖

開始狀態(tài)是一個數據幀的起始狀態(tài)，它處理和判斷數據幀的起始字符$。若起始符號不是其中的$，則一直停留在開始狀態(tài)，直到$到來位置，數據幀頭狀態(tài)用于判斷數據幀的格式是否與我們目前需要的目標數據幀相匹配。如果相匹配，那么將退轉到下一個狀態(tài)：GPS數據正文狀態(tài)，開始進行數據處理。如果不匹配，則轉移到開始狀態(tài)。

數據處理中用到了緩沖區(qū)的概念，它一邊累積計算接收的數據的異或和，一邊把相應的數據域送入緩沖區(qū)。這樣既降低了數據提取校驗的復雜度，也提高了數據處理的延續(xù)性和正確性。當GPS數據正文狀態(tài)完成，進入“*”字符的時候，將進入數據校驗狀態(tài)，它用于判斷數據接收和處理的有效與否。若校驗成功，則接收有效，收到CR，LF字符后又重新跳轉到開始狀態(tài)。若校驗失敗，則放棄處理的數據，直接跳轉至開始狀態(tài)。

3.2 完整GPS數據幀的截取

了解了GPS數據處理的四個狀態(tài)之間的相互轉換，下面論述一個完整的GPS數據幀的提取和處理，它是獲取車輛GPS定位數據的關鍵。一個完整的GPS數據幀的提取流程如圖4所示。

圖4 截取完整GPS數據幀流程

圖4中，m_strRecDisp為一個CString變量，用于表示接收數據的字符串，該程序流程中，用到兩個最重要的函數即：字符（串）查找函數和字符串截取函數。

1）字符（串）查找函數 該函數CString::Find（）用于從一個已有的字符串當中查找與目標字符（串）相匹配的首次出現的一個單字符或一個子字符串。一個重要的函數原型為：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 該函數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。函數原型為：Mid（int nFirst，int nCount） const；其中nFirst為字符串開始截取的位置，nCount為截取字符數目。

3.3 GPS數據幀的處理

截取出一個完整的數據幀后，將數據幀賦值給CString變量data，data再將其字符內容淵源不斷的送給緩沖pBuffer，解壓縮數據幀后，進入到如圖5所示的GPS數據幀處理流程。在處理GPS時間數據時，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，應在此時間的基礎上，加上8 h。

圖5 GPS數據幀處理流程

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[8]：

圖6 站心切平面坐標系

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（稱這個面為基礎面），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，該坐標系的參數有2個，一個是表達衛(wèi)星的投影點和觀測者的方位關系的方位角；另一個是表達衛(wèi)星真實所在位置以基礎面為準與觀測者所構成的仰角關系的仰角。有了這2個參數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)設計中，設計簡單的坐標系，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、仰角立體坐標轉換為平面內的橫縱（PX、PY）坐標，具體表示如式（2）所示。其中，（P0X，P0Y）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

完成GPS定位信息的采集，需要實現的串口主要的API函數包括：

1）打開串口函數。原型為Open（LPT OpenPort（LPCTSTR Port，int BaudRate，int DataBits，int StopBits，int Parity）。其中，Port代表串口名，如COM1等，BaudRate為波特率，DataBits為數據位；StopBits為停止位，Parity為奇偶校驗。

2）關閉串口函數。該函數在程序操作串口發(fā)生錯誤時使用，用于關閉該串口。實現的主要方法是：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函數關閉串行口操作句柄。

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。

4）串口接收線程CommRecvTread（）與回調函數OnComm-Recv（）。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_ExitThreadEvent。如果退出事件有效，則該循環(huán)結束退出。如果調用讀串口函數查詢得知接收到數據，則調用串口接收成功回調函數OnCommRecv（）。

4 實驗數據及分析

設置好串口參數后，打開串口COM1，既可獲取實驗數據。圖7為在某型軍車上一次實測的數據。實測數據界面拍攝的時間為2009年11月10日晚上9點45分，地點為某訓練場。數據在靜止的狀態(tài)下測得。該定位顯示的數據包括“原始數據”和解析后“經緯度、時間、海拔”等信息。通過分析圖7（a）界面的數據發(fā)現，$GPGSV語句有兩條，而在“星數”對應的Edit框中顯示的定位所用衛(wèi)星數為8，由于每一條GPGSV最多能顯示4顆衛(wèi)星的信息，故$GPGSV語句為兩條。這說明星數與$GPGSV語句數是吻合的。而獲取有效的GPS定位信息，至少需要4顆定位衛(wèi)星。這也說明此次數據是有效的定位數據。

該界面顯示的經緯度信息分別為N：38°3.678 8′，E：114°29.176 5′；其中，N代表北緯，E代表東經。而用GoolgeEarth軟件查閱數據可知，石家莊軍械學院南門的精確經度/緯度信息為：北緯38°3.165 0′，東經114°29.004 6′，軍械學院西門的精確經度/緯度信息為：北緯38°3.394 0′，東經114°28.543 2′。通過與二者的經緯度信息比對發(fā)現，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。而實際測得數據分別為 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0.030 867 m/s。可以看出，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。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。

圖7 GPS定位實驗數據

5 結論

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GPS接收機與ARM之間的通信，構建了某型軍車的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定位數據，具有重要的實用價值和參考意義。

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