韋江華++張晴++秦文東++林川

[摘 要]文章研究的是基于飛思卡爾平臺(tái)的北斗GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用的是基于Cortex-A9內(nèi)核的飛思卡爾i. mx6q系列，兼容單核、雙核和四核，1GB的內(nèi)存且最大運(yùn)算速率為1. 2GHZ的移動(dòng)平臺(tái)，足以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)該平臺(tái)支持Android4. 0而且成本在可接受的范圍。

[關(guān)鍵詞]Android；北斗GPS；定位系統(tǒng)；飛思卡爾

[DOI]10. 13939/j. cnki. zgsc. 2016. 06. 065

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框架

文章設(shè)計(jì)大致分為安裝在需要定位的移動(dòng)物體上的北斗GPS位置信息接收中心（飛思卡爾i. mx6q系列開(kāi)發(fā)板）、遠(yuǎn)端云服務(wù)器、移動(dòng)Web網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端和Android手機(jī)客戶(hù)端幾部分。

了解完整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和思想后，接著列出本系統(tǒng)的各個(gè)技術(shù)，如硬件、軟件的編程框架和編程思路，如圖1所示，我們?cè)陲w思卡爾i. mx6q系列底層移動(dòng)平臺(tái)上跑一個(gè)Android4. 0. 4系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)接收北斗/GPS雙模模塊的實(shí)時(shí)位置信息，同時(shí)通過(guò)連接WiFi/網(wǎng)卡/3G運(yùn)用HTTP的POST方式將數(shù)據(jù)傳送到由PHP、Mysql和Apache搭建的遠(yuǎn)端云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，該服務(wù)器是在ubuntu12. 04上搭建的；當(dāng)移動(dòng)客戶(hù)端需要獲取移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)位置信息時(shí)，就主動(dòng)通過(guò)有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用HTTP的GET方式從服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，這樣移動(dòng)客戶(hù)端（Web網(wǎng)頁(yè)客戶(hù)端或Android客戶(hù)端）就可以調(diào)用百度地圖的API把從服務(wù)器獲得的經(jīng)緯度等位置信息刷到百度地圖上實(shí)時(shí)顯示，客戶(hù)端支持2D、三維和衛(wèi)星地圖幾種顯示模式。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框架

文章使用的處理器是I. MX6Q、Cortex-A9架構(gòu)，能兼容單核、雙核和四核，同時(shí)其最高主頻能達(dá)到1. 2GHZ，有64位1GB的DDR3和兩通道32位的LPDDR2，8GB用戶(hù)可定制的Nand Flash，小于4W的低功耗功率，設(shè)有HTML、USB、SD卡、TF卡、1000/100/10Mbps的Ethernet、多屏顯示、LCD、觸摸屏等諸多接口。除此之外還有3路UART口及1路CAN接口，LCD接口支持TFT LCD 1024x600，LVDS接口支持720p60、1080p60，音頻輸入是MIC，音頻輸出是Headphones，采用RTC實(shí)現(xiàn)外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘，有掉電保存時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，電源采用5V 2A電壓輸入；并且還擁有豐富的軟件資源，均支持安卓4. 0. 4版本系統(tǒng)、ubuntu12. 04和Linux的3. 0. 35內(nèi)核。

在安卓4. 0. 4中支持SD卡脫機(jī)快速燒錄、USB下載燒錄、單文件/多文件一鍵燒錄、EXT4格式的文件系統(tǒng)燒寫(xiě)等多種燒錄方式，同時(shí)其Uboot支持eMMC和SD卡兩種啟動(dòng)方式，并且支持LVDS、LCD、HDML、VGA多種顯示設(shè)備，支持Linux3. 0. 35版本內(nèi)核，在內(nèi)核中也跟其他嵌入式產(chǎn)品一樣擁有eMMC、看門(mén)狗、RTC、IO、SPI、I2C、PWM控制器、LCD、觸摸屏、USB、串口、以太網(wǎng)、WiFi、3G、USB轉(zhuǎn)串、HDLM、VGA、NAND_FLASH、SD卡和TF卡等多個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，并且能支持EXT4、NFS、FAT32和NTFS等幾種文件系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)介紹

谷歌公司將Android系統(tǒng)定位成一款基于Linux平臺(tái)的開(kāi)源移動(dòng)操作系統(tǒng)，之后一直由谷歌公司研發(fā)。安卓系統(tǒng)一直擁有完全的開(kāi)放性和強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，如今成為社會(huì)最為流行的嵌入式操作系統(tǒng)之一，并且已在各個(gè)領(lǐng)域（如手機(jī)、網(wǎng)本、車(chē)載、機(jī)頂盒和電視機(jī)等）廣泛使用。到目前為止共有Android1. 0、Android1. 1（petit Four）、Android1. 5（Cupcake）、Android1. 6（Dunut）、Android2. 0/2. 1（éclair）、Android2. 2（Froyo）、Android2. 3（Gingerbread）、Android3. 0/3. 1/3. 2（Honeycomb）、Android4. 0（Ice Cream Sandwich）、Android4. 1/4. 2/4. 3（Jelly Bean）和目前流行的Android4. 4（KitKat），文章運(yùn)用了Android4. 0版本。

2. 1 Android系統(tǒng)框架

Android系統(tǒng)層次從上自下分別有應(yīng)用程序?qū)樱ˋpplications）、應(yīng)用程序框架層（Application Framework）、運(yùn)行庫(kù)層（Libraries）和Linux內(nèi)核層（Linux Kernel）四大部分。其中應(yīng)用程序?qū)蛹从脩?hù)空間的Java語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用程序就像Android內(nèi)置的郵件、通信、瀏覽器等都在這一層；應(yīng)用程序框架層主要為安卓開(kāi)發(fā)人員提供一些已封裝好的API接口，從而使其快速開(kāi)發(fā)；運(yùn)行庫(kù)層主要是一些c/c++的函數(shù)庫(kù)層，有開(kāi)放源碼的函數(shù)庫(kù)，其中有負(fù)責(zé)瀏覽器運(yùn)行的WebKit，有l(wèi)ibc、OpenGLES、SQLite等標(biāo)準(zhǔn)c庫(kù)，另外還有多媒體方面的影音和圖片文件的播放支持的文件格式等；Linux內(nèi)核層主要負(fù)責(zé)底層硬件的接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)和電源管理以及系統(tǒng)安全等。

2. 2 Android應(yīng)用程序框架層

Framework層是Android的應(yīng)用框架開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者在遵循框架原則的基礎(chǔ)上，對(duì)框架進(jìn)行改造和擴(kuò)展，從而開(kāi)發(fā)出了各具特色的安卓應(yīng)用。應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了組件的重用，讓安卓開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)工作也更加的靈活。Framework層包括以下幾個(gè)重要部分：

View——視圖的集合，用于構(gòu)建一個(gè)應(yīng)用程序的界面UI。包括水平列表、垂直列表（listview）、網(wǎng)格（gridview）、文本輸入框（edittext）、按鍵（button）和網(wǎng)頁(yè)瀏覽頁(yè)面。

ContentProviders——內(nèi)容提供者，給各個(gè)應(yīng)用程序提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)共享接口。

ResourceManager——資源管理器，提供訪問(wèn)除代碼以外的公開(kāi)資源，如字符串文件、圖像文件和界面布局文件。

NotificationManager——通知管理器，讓?xiě)?yīng)用程序在狀態(tài)欄上顯示自定義的通知。

ActivityManager——活動(dòng)管理器，管理應(yīng)用程序生命周期。

PackeageManager——程序管理器，管理應(yīng)用程序的安裝，卸載，保存應(yīng)用程序信息。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3. 1 系統(tǒng)移植

3. 1. 1 Android源碼獲取和編譯

文章采用的系統(tǒng)是Android4. 0. 4，可在Android官方網(wǎng)站獲取，其主要步驟有以下幾點(diǎn)。

（1）下載repo下載工具。

（2）在本地用mkfile創(chuàng)建bin目錄，接著進(jìn)入bin目錄用git clone https：//android. googlesource. com/tools/repo。

（3）下載完成后進(jìn)入repo目錄，并且用git checkout切換到穩(wěn)定分支。

（4）用export將repo目錄添加到當(dāng)前系統(tǒng)的全局環(huán)境變量配置文件中。

（5）在本地創(chuàng)建Android源碼的目錄，并在目錄中運(yùn)用repo init來(lái)下載Android4. 0. 4源碼。

（6）下載完成后，接著編譯內(nèi)核3. 0. 35的鏡像和EXT4格式鏡像。

（7）使用. /buid/envsetup. sh配置環(huán)境和用lunch選擇開(kāi)發(fā)平臺(tái)，最后通過(guò)make-j6來(lái)編譯。

3. 1. 2 U-boot裁剪和編譯

文章采用的u-boot2010. 03版本，其中詳細(xì)的定制和編譯如下：

（1）解壓tar命令解壓u_boot源碼。

（2）進(jìn)入解壓后的路徑，對(duì)源碼進(jìn)行CPU、板級(jí)平臺(tái)、庫(kù)等的篩選。

（3）在當(dāng)前安卓源碼的最開(kāi)始路徑中的配置文件中設(shè)置交叉工具鏈。

（4）編譯配置文件，最后用make-j2編譯出u-boot. bin。

3. 1. 3 系統(tǒng)燒錄

系統(tǒng)的燒錄，首先設(shè)置USB模式通過(guò)NDW去加載初始化內(nèi)存，接著設(shè)置網(wǎng)絡(luò)加載的IP和網(wǎng)關(guān)環(huán)境變量，將編譯好的u-boot. bin燒錄到eMMC（inand）中的起始位置，大小是4M，然后設(shè)置為eMMC啟動(dòng)模式；接著通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將編譯好的uImage燒錄到u-boot的后面，大小是4M，同時(shí)設(shè)置內(nèi)啟動(dòng)內(nèi)核的方式；最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)加載、燒錄編譯好的文件系統(tǒng)，其燒錄在內(nèi)存內(nèi)核的后面大小為16M，接著重新啟動(dòng)，這樣所有的燒錄工作到此就已經(jīng)全部完成。

3. 2 硬件模塊分析

3. 2. 1 雙模模塊D3020C介紹

文章采用的硬件平臺(tái)是型號(hào)為T(mén)D3020C的北斗/GPS雙模模塊來(lái)給系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)位置信息，它具有體積小、功耗低和支持熱啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該模塊支持BD2 B1工作模式、GPS L1工作模式和BD2 B1/GPS L1混合工作模式三種模式。硬件中電源用VCC、V_BCKP和V_ANT作為輸入，VCC_OUT和VCC_RF作為輸出，天線接在PF_IN支持BD2 B1/GPS L1雙模有源天線，UART串口有串口1（TXD1/RXD1）和串口2（TXD2/RXD2）兩串口，串口一用于獲取位置信息輸出，同時(shí)也可用來(lái)設(shè)置、選擇定位的模式，波特率設(shè)置在48000bps～115200bps范圍之內(nèi)，還有三路用戶(hù)可自定義的GPIO接口。

軟件接口協(xié)議方面，首先是語(yǔ)句標(biāo)識(shí)符有BD、GP、GN、CC和P，輸出語(yǔ)句格式符有位置信息（GGA）、大地坐標(biāo)位置信息（GLL）、有效衛(wèi)星號(hào)（GSA）、可視衛(wèi)星狀態(tài)（GSV）等；輸入語(yǔ)句格式有設(shè)置當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)（SIR）、設(shè)置串口工作波特率（CAS01）和設(shè)置NMEA輸出更新率（CAS02）三種。

3. 2. 2 WiFi模塊驅(qū)動(dòng)分析

文章采用的WiFi模塊是基于SDIO的NH387型號(hào)，該WiFi模塊的驅(qū)動(dòng)是基于SDIO和MMC總線的。WiFi模塊對(duì)于數(shù)據(jù)包的接收，首先通過(guò)中斷響應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備媒介層中獲取，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)體的函數(shù)調(diào)用鏈接到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層，接著網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層通過(guò)netif_rx函數(shù)將WiFi接收到的具體數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)socket層和虛擬文件系統(tǒng)層傳到用戶(hù)空間；同樣用戶(hù)空間需要向外發(fā)送數(shù)據(jù)，首先將數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)層和網(wǎng)絡(luò)socket層交給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的dev_queue_device來(lái)發(fā)送，最后通過(guò)網(wǎng)路設(shè)備功能層的相應(yīng)函數(shù)發(fā)送出去。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)之后，無(wú)論是對(duì)軟件和硬件還是服務(wù)器端和客戶(hù)端等各個(gè)模塊部分都做了系統(tǒng)的、詳細(xì)的測(cè)試分析。在對(duì)各個(gè)功能模塊測(cè)試之前，必須先對(duì)北斗/GPS硬件定位模式進(jìn)行選擇設(shè)置，在完成定位模式設(shè)置后，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行選擇，本平臺(tái)有有線、無(wú)線WiFi和聯(lián)通3G三種網(wǎng)絡(luò)模式；完成以上兩步后即可以對(duì)北斗信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

4. 1 北斗移動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳測(cè)試

在北斗移動(dòng)設(shè)備上，上傳到遠(yuǎn)端云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)位置信息和授時(shí)信息的情況如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)信息情況

從圖2可以看出，系統(tǒng)能從北斗/GPS模塊獲取正確的實(shí)時(shí)位置信息和授時(shí)時(shí)間信息，并且可以用HTTP協(xié)議遠(yuǎn)端上傳到遠(yuǎn)端云服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)。

4. 2 遠(yuǎn)端云服務(wù)器測(cè)試

遠(yuǎn)端云服務(wù)器對(duì)北斗移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)位置信息和時(shí)間信息存儲(chǔ)模塊的測(cè)試和驗(yàn)證，可以通過(guò)在運(yùn)行有服務(wù)器的ubuntu12. 04下用命令行代碼mysql-u beidou007-p、show database和use beidou以及select * from Location_info；來(lái)查看，我們可以清楚地看到北斗1號(hào)移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)位置信息和授時(shí)信息都很準(zhǔn)確，并每隔3s將重復(fù)三次的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到遠(yuǎn)端服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)beidou的位置數(shù)據(jù)表Location_info中。

客戶(hù)端成功向遠(yuǎn)端與服務(wù)器請(qǐng)求北斗移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)位置信息后，服務(wù)器查詢(xún)Location_info數(shù)據(jù)表給客戶(hù)請(qǐng)求端返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

當(dāng)我們?cè)跒g覽器上輸入訪問(wèn)云端與服務(wù)器的HTTP協(xié)議以POST方式請(qǐng)求的網(wǎng)址時(shí)，http：//192. 168. 1.103/maps/ WebService/getLocation. php？id=1用來(lái)模擬客戶(hù)端的數(shù)據(jù)申請(qǐng)，成功后以json的原始數(shù)據(jù)返回，從而說(shuō)明我們可以通過(guò)這種格式的命令協(xié)議訪問(wèn)到遠(yuǎn)端服務(wù)器并可以獲取到我們想要的北斗移動(dòng)設(shè)備最后一次出現(xiàn)的經(jīng)緯度位置信息和時(shí)間。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)論

通過(guò)對(duì)定位模塊的模式選擇和網(wǎng)絡(luò)選擇以及北斗信號(hào)測(cè)試等操作之后，繼而通過(guò)北斗移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)位置信息的上傳、遠(yuǎn)端服務(wù)器對(duì)信息的存儲(chǔ)和操作的測(cè)試，最終確定本文研究的基于飛思卡爾平臺(tái)的北斗GPS定位系統(tǒng)的系統(tǒng)功能全部實(shí)現(xiàn)并且性能良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳美平，逯亮清. 北斗雙星系統(tǒng)車(chē)輛定向技術(shù)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（3）：89-93.

[2]徐亮. 基于Android的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2013，39（11）：280-284.

[3]曹淑華，吳文紅. GPS與車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，24（23）：201-206.

[4]付超，楊善林，馬溪駿. 基于GPS的低成本車(chē)載導(dǎo)航設(shè)備的研究實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2007，12（2）：249-251.

[5]張慶鋒，韓飛，黃賢武. 一種基于電子地圖的GPS定位技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，24（17）：86-88.