王昱，高玉平

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一種便攜式GPS數(shù)據(jù)通用采集平臺設(shè)計(jì)

王昱1,2,3，高玉平1,2

（1. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039）

針對現(xiàn)有的GPS數(shù)據(jù)采集設(shè)備在數(shù)據(jù)共享、硬件兼容性和便攜性方面存在不足的問題，提出一種新的GPS數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)在硬件上采用ARM微控器和SD卡儲存器，軟件上結(jié)合UC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和FAT32文件系統(tǒng)。對樣機(jī)的測試表明，滿足設(shè)計(jì)要求，具有數(shù)據(jù)可共享，低功耗，兼容多種GPS-OEM板，便于攜帶的特點(diǎn)。

全球定位系統(tǒng)；ARM微控器；數(shù)據(jù)采集；文件系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)（GPS，global positioning system）作為一種成熟的衛(wèi)星定位技術(shù)，在通信、導(dǎo)航、航天、守時(shí)等諸多重要領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用都需要對GPS-OEM板輸出的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和分析。GPS應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集是非常重要的一環(huán)。目前，GPS數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)方案通常有3個(gè)不足之處：1）通用性不足，通常只能采集一款GPS-OEM板輸出的數(shù)據(jù)；2）便攜性不足，采集設(shè)備通常體積大，功耗高，不易隨身攜帶；3）不易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)儲存器件（如閃速存儲器（flash memory），磁盤）不易拆卸，儲存器件上沒有用文件系統(tǒng)格式化，數(shù)據(jù)直接儲存，而沒有組成文件形式，造成多個(gè)用戶之間對數(shù)據(jù)無法共享。導(dǎo)致以上不足的原因有以下3點(diǎn)：1）通用性不足是由于生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的不同型號GPS-OEM板之間的軟、硬件接口不同造成的[1]。用戶需要為不同型號的GPS-OEM板設(shè)計(jì)專用的數(shù)據(jù)采集方案。2）便攜性不足由GPS-OEM板的應(yīng)用場合所決定。目前大部分GPS-OEM板在室內(nèi)或車內(nèi)使用，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮便攜性問題，因而目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備體積大，功耗高，不宜隨身攜帶。3）數(shù)據(jù)采集設(shè)備的儲存器通常使用閃速存儲器或硬盤，硬件上不易拆卸，數(shù)據(jù)不以文件形式儲存，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不易與其他用戶共享。

針對以上問題，在參考同類數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)思路后[2]，進(jìn)一步設(shè)計(jì)一種便攜式GPS數(shù)據(jù)通用采集平臺，該平臺具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）設(shè)備硬件中使用ARM單片機(jī)，安全數(shù)字卡（SD卡）作為系統(tǒng)主要控制模塊和儲存模塊，功耗低，體積小，便于攜帶；2）設(shè)備有多個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的接口，用戶可使用此設(shè)備采集多款不同型號的GPS-OEM板數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了兼容性；3）將采集的數(shù)據(jù)儲存在SD卡上并組成數(shù)據(jù)文件（如：MOTO.bin，JAVAD.dat等），軟件方面采用文件系統(tǒng)，將接收的數(shù)據(jù)儲存為文件[3]，硬件中使用SD卡，便于拆修，使多個(gè)不同用戶可共享數(shù)據(jù)。

1 采集平臺硬件設(shè)計(jì)

1.1 采集平臺硬件構(gòu)成

圖1為采集平臺結(jié)構(gòu)簡圖。圖1中，ARM微控器的型號為LUMINARY8962，液晶顯示器（LCD）的型號為TCLML56，SD卡為東芝2 G高容量儲存卡。

圖1 數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

GPS采集平臺的核心是ARM微控器。按鍵KEY 1~KEY 4，指示燈LED 1~LED 4，鍵盤和片選電路通過通用輸入輸出口（GPIO）和ARM連接，SD卡通過SSI總線和ARM通信，GPS-OEM板通過串口（UART）和ARM微控器通信，LCD通過IIC總線和ARM微控器進(jìn)行通信。電池或穩(wěn)壓電源連接在電平轉(zhuǎn)換電路上，電平轉(zhuǎn)換電路主要是由電平轉(zhuǎn)換芯片SP6201和SP6205所組成的，將12 V外部電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V電源電壓。ARM微控器通過片選電路控制4塊GPS-OEM板，片選電路只被允許使能1塊GPS-OEM板工作，即在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，只有1塊GPS-OEM板工作。

1.2 采集平臺運(yùn)行狀態(tài)分析

如果設(shè)備工作正常，連接正確，在使用者操作正確的情況下，采集平臺上電后，可以設(shè)置GPS-OEM板，采集GPS數(shù)據(jù)，顯示定位數(shù)據(jù)等。

采集平臺使用高容量SD卡（SD2.0以上版本）；使用鍵盤設(shè)置GPS-OEM板的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型、輸出速率等信息；使用LCD顯示定位數(shù)據(jù)和軟件進(jìn)程執(zhí)行情況。使用LED 1~LED 4表明設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)如表1所示。

表1 設(shè)備工作狀態(tài)表

注：“1”表示亮，“0”表示滅

用戶通過觀察發(fā)光二極管LED1~LED4的顯示狀態(tài), 可以得知設(shè)備目前的運(yùn)行狀態(tài)，并可依照 LED 1~LED 4的顯示，對設(shè)備進(jìn)行操作。如：LED 1~LED 4為“1000”，則用戶開始設(shè)置第1塊OEM板；LED 1~LED 4為“1010”，即天線接收到不足3顆衛(wèi)星的信號，用戶則需調(diào)整天線位置。

2 采集平臺軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件任務(wù)分析

采集平臺功能的實(shí)現(xiàn)，主要包含3個(gè)任務(wù)：1）選定GPS-OEM板并進(jìn)行傳輸設(shè)置；2）保存GPS數(shù)據(jù)，提取定位數(shù)據(jù)并顯示；3）在SD卡損壞時(shí)導(dǎo)出數(shù)據(jù)。以上3個(gè)任務(wù)之下都包含了一些更小的線程，用戶不參與線程調(diào)度，所有線程調(diào)度都依靠UC/OS-II操作系統(tǒng)[4]，只在程序初始化階段為線程設(shè)定優(yōu)先級即可。與前后臺軟件編寫方式相比，片上操作系統(tǒng)保證軟件的可移植性和穩(wěn)定性更加良好，而代價(jià)是響應(yīng)速度較慢。在此次設(shè)計(jì)中，響應(yīng)速度要求并不高，所以采用在嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上編寫程序的方式。為了使數(shù)據(jù)可以被其他用戶共享，使用FAT32文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)，這種文件系統(tǒng)較為常用，在所有WINDOWS系列操作系統(tǒng)下都可以讀取。

2.2 軟件任務(wù)實(shí)現(xiàn)

軟件任務(wù)流程如圖2和圖3所示。圖2主要針對硬件和操作系統(tǒng)初始化任務(wù)，設(shè)備上電后首先需要初始化操作系統(tǒng)和SPI、IIC、LCD液晶顯示器等軟、硬件，然后開始運(yùn)行任務(wù)0，任務(wù)0流程如圖3所示。圖3所示的任務(wù)0中，創(chuàng)建3個(gè)基本任務(wù)，分別是：任務(wù)1—— 選定GPS-OEM板并進(jìn)行傳輸設(shè)置；任務(wù)2—— 接收GPS數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和存儲，任務(wù)3—— 在SD卡損壞時(shí)通過串口導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

圖2 設(shè)備初始化流程

圖3 任務(wù)0流程

在任務(wù)0中，首先創(chuàng)建了3個(gè)任務(wù)，然后等待按鍵（KEY 1~KEY 3）所產(chǎn)生的外部中斷，在中斷處理程序中判斷中斷源。如果是KEY1，則建立任務(wù)1的信號量，任務(wù)1進(jìn)入就緒狀態(tài)，當(dāng)中斷處理程序結(jié)束，程序進(jìn)入任務(wù)1，程序繼續(xù)運(yùn)行[3]。

在任務(wù)1中，LCD提示用戶設(shè)置GPS-OEM板，并等待按鍵（KEY 1~KEY 3）輸入高電平，如果按鍵KEY 1輸入高電平，則開始設(shè)置MOTO-VP-6型號的GPS-OEM板。用戶此時(shí)可通過鍵盤輸入設(shè)置信息，如：輸出數(shù)據(jù)類型，傳輸速率，工作模式等信息，這些信息都通過LCD顯示出來，用戶在輸入完畢后，按下KEY 4確認(rèn)，則數(shù)據(jù)采集平臺改變GPS-OEM板的設(shè)置。設(shè)置完成后，OEM板會通過串口返回設(shè)置正確的消息，程序釋放任務(wù)1信號量，返回任務(wù)0。如果OEM板返回設(shè)置不正確的消息，則用戶需要重新輸入設(shè)置信息。如果是KEY 2或KEY 3輸入高電平，則分別設(shè)置JAVAD系列或NOVATEL系列的GPS-OEM板，程序流程同KEY 1。

在任務(wù)2中，平臺采集GPS-OEM板輸出的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以文件方式進(jìn)行存儲。首先判斷SD卡內(nèi)是否有文件系統(tǒng)，若沒有，則在SD卡內(nèi)建立一個(gè)FAT32文件系統(tǒng)（通常叫做格式化），建立引導(dǎo)區(qū)，文件分配表（FAT表）和根目錄。根目錄中記錄著SD卡內(nèi)文件種類、數(shù)目、大小和各個(gè)文件的起始簇地址（簇是指SD卡的1次讀、寫、擦除的最小單位，1簇含有8塊，每塊為512字節(jié)）。如果已有文件系統(tǒng)，則開始記錄數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以文件形式儲存在SD卡上。在FAT32文件系統(tǒng)下，將數(shù)據(jù)組成文件的方法非常成熟，這里不再贅述[4]。數(shù)據(jù)采集平臺將提取GPS數(shù)據(jù)中的定位信息，并用LCD顯示出來。

在任務(wù)3中，采集平臺運(yùn)行SD儲存器發(fā)生損壞時(shí)的應(yīng)急處理程序。當(dāng)SD引導(dǎo)區(qū)或文件分配表發(fā)生損壞而不能通過讀卡器正常讀取文件時(shí)，可以通過任務(wù)3將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X上。

3 測試及結(jié)論

使用本采集平臺樣機(jī)對MOTO-VP-6型號的GPS-OEM板連續(xù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。如采集定位數(shù)據(jù)，采樣間隔為15 s，數(shù)據(jù)采集平臺可記錄3 000個(gè)小時(shí)以上的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中總共采集200 M的數(shù)據(jù)，誤碼率低于10×10-8。采集數(shù)據(jù)實(shí)例如圖4所示。

測試結(jié)果證明，數(shù)據(jù)采集平臺可以采集多種GPS-OEM板的數(shù)據(jù)，并且具有通過SD卡與其他用戶共享數(shù)據(jù)，便于攜帶的特點(diǎn)，滿足了設(shè)計(jì)要求，彌補(bǔ)了現(xiàn)有GPS數(shù)據(jù)采集器的一些不足。

另一方面，由于對樣機(jī)進(jìn)行測試的時(shí)間有限，對整個(gè)系統(tǒng)的可靠性還缺乏全面分析，所以數(shù)據(jù)采集平臺在工作時(shí)的可靠性還待進(jìn)一步研究。

[1] Motorola Inc. Motorola oncore user’s guide[K]. USA: Motorola Inc, 1997.

[2] 許林生, 高玉平, 王宏遠(yuǎn). GPS載波相位測量定位設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2008, 31(1): 10-16.

[3] 任哲, 潘樹林, 房紅征. 嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.

[4] 王凡, 潘克修. MMC卡的文件系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法[EB/OL]. (2007-7-10)[2010-02-05]. http://www.360doc.com/content/08/0712/14/60419-1422690.shtml.

A design of portable generalGPS data acquisition platform

WANG Yu1,2,3, GAO Yu-ping1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

In view of the deficiency in data sharing, hardware compatibility and portability for the existing GPS data acquisition equipments, we put forward a design scheme of GPS data acquisition equipment. In this design scheme, an ARM micro-controller and a SD(secure memory digital) card are adopted in the hardware, and the UC/OS-II embedded real-time operation system and the FAT32 file system are combined with the software. The test of the prototype shows that the design of the GPS data acquisition platform meets the demands of design and it has the virtues such as small size, portability, low power consumption, data-sharing, being compatible with many different types of GPS-OEM board.

GPS; ARM micro-controller; data acquisition; file system

P228.4

A

1674-0637(2011)01-0041-06

2010-07-05

王昱，男，碩士，主要從事衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)控制下位機(jī)的研究。