關鍵字：GPS模塊 ARM-Linux平臺 數據傳送
本文主要研究GPS模塊與ARM-Linux平臺之間采用異步串行傳送方式進行數據傳送的問題，利用多線程編程技術實現GPS信號采集與處理，并介紹了一種WGS坐標向地方坐標的轉換方法。與GPS通信可選的協議有很多種，目前普遍采用的是NMEA-0183通信協議。
1 NMEA-0183通信協議
NMEA-0183協議[1]是為了在不同的GPS導航設備中建立統一的海事無線電技術委員會(BTCM)標準，由美國國家海洋電子協會NMEA(National Marine Electronics Association)制定的通信協議，其中規定了海用和陸用GPS接收設備輸出的定位位置數據、時間、衛星狀態、接收機狀態等信息。除NMEA-0183協議之外，還有差分用的RTCMSC-104格式，各個廠商互不兼容的二進制格式等，但以NMEA-0183使用最廣泛。為實現ARM-LINUX平臺與GPS之間的通信，應清楚協議規定的GPS輸出的數據格式和報文。NMEA-0183規定的格式如下：
波特率：4 800 b/s
數據位：8 bit
奇偶校驗：無
開始位：1 bit
停止位：1 bit
報文格式：報文的語句串(十進制ASCII碼)格式全部信息如圖1。
圖1中具體內容：$為串頭，表示串開始;GP為交談識別符。XXX為語句名，NMEA規定的常用語句有以下6種：GGA，衛星定位信息;GLL，地理位置-經度和緯度;GSA，GNSS DOP偏差信息，說明衛星定位的信號的優劣情況;GSV，GNSS天空范圍內的衛星;RMC，最基本的GNSS信息，指能夠達到定位目的的基本信息等語句。ddd為數據字段，字母或數字，“，”為域分隔符;*表示串尾;hh表示$與*之間所有字符代碼的校驗和;為回車控制符;為換行控制符。
在實際的GPS應用中，并不會用到NMEA的全部信息，而是根據具體的需要，從中選取有用的信息，忽略其余的信息內容。下面以GPRMC語句為例來介紹。該語句包含時間、日期、方位、速度和磁偏角等信息，基本上可以滿足一般的導航需求。GPRMC語句的結構為：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，*hh。
數據區說明如下：
(1)UTC時間，hhmmss.sss(時分秒.毫秒)格式;
(2)定位狀態，A=有效定位，V=無效定位;
(3)緯度ddmm.mmmm (度分)格式(前面的0也將被傳輸);
(4)緯度半球N(北半球)或S(南半球);
(5)經度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);
(6)經度半球E(東經)或W(西經);
(7)地面速率(000.0～999.9節，前面的0也將被傳輸);
(8)地面航向(000.0～359.9度，以真北為參考基準，前面的0也將被傳輸);
(9)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;
(10)磁偏角(000.0～180.0度，前面的0也將被傳輸);
(11)磁偏角方向，E(東)或W(西)。
2 目標平臺
本文中使用的是以SAMSUNG公司的ARM9系列中的16/32位RISC處理器S3C2410A芯片為核心的目標平臺。S3C2410A包含一個16/32位的RISC(ARM920T)CPU內核、獨立的16 KB的指令和16 KB數據緩存(cache)、用于虛擬內存管理的MMU單元、LCD控制器(STN&TFT)、非線性(NAND)Flash、系統管理器(包括片選邏輯控制和SDRAM控制器)及3個通道的異步串口(UART)。目標板資源包括S3C2410的微處理器，主頻200 MHz;16 MB的Flash;64 MB的SDRAM;RS-232C UART接口;LCD液晶顯示屏。
在目標板上選配的GPS模塊是HIMARK公司的GPS模塊，此模塊是符合民用標準的GPS接收器，信號接收性能好，功耗較小，整體工作比較穩定。整體硬件設計框圖如圖2所示。
3 交叉編譯環境的建立
基于嵌入式Linux操作系統的應用開發模式通常都是宿主機+目標機[2]。目標機用于運行操作系統和系統應用軟件，而目標板所用到的操作系統的內核編譯、應用程序的開發和調試則需要通過宿主機(資源豐富處理能力強的PC)來完成，稱之為交叉編譯。雙方之間一般通過串口、并口或以太網接口建立連接關系。
(1)配置minicom：在宿主機Redhat Linux 9.0的X windows界面下新建終端，在終端命令提示符后輸入minicom-s，回車，然后按照提示設置波特率115200，8位數據，1位停止位，無流控，保存退出。
(2)TFTP服務的配置：在終端中運行setup->system service->tftp增加TFTP服務，并去掉ipchains和iptables 兩項，然后在Firewall configuration，選中no firewall，保存退出，執行service xinetd restart啟動TFTP服務。
(3)NFS服務器的配置：在終端中運行setup->system service->NFS，增加NFS服務，然后編輯文件exports，添加與目標機共享的目錄，并設置目標機對目錄的訪問權限，重新啟動NFS服務。
(4)Linux內核移植：通過并口，宿主機向目標開發板的Flash燒寫引導程序ppcboot，燒寫完畢后通過TFTP服務把經過裁剪的Linux內核鏡像文件以及根文件系統下載到目標板的RAM中，然后由ppcboot完成內核及根文件系統從內存到Flash的燒寫。最后需要在宿主機安裝主編譯器Arm-linux-gcc，用來交叉編譯應用程序。
4 GPS信號的采集和處理
為實現ARM-Linux平臺下GPS信號的采集與處理，涉及到Linux下串口編程技術，首先給出Linux串口通信的原理，然后利用多線程編程技術來完成GPS數據采集與NMEA數據格式的解析，因解析后得到的GPS定位坐標屬于WGS84坐標，需轉換到相應的54、80坐標或地方坐標供用戶標圖定位所用，因此介紹了一種坐標轉換方法。
4.1 GPS數據采集與處理
大多數GPS接收機與各種處理器平臺進行數據交換時，都采用異步串行傳送方式，提供一個符合RS-232C電氣標準的數據接口。
在Linux操作系統中，所有設備以設備文件的形式存儲在目錄/dev/下，串口設備文件為/dev/ttyS*，在Linux中，若要設置串口的參數，如改變串口的波特率、字符大小等，可通過POSIX標準終端接口[3]，該接口被稱為termios，在系統頭文件中定義。它包括一個數據結構和一系列操縱這些數據結構的函數組成。有關串口的所有參數配置都保存在接口termios的結構struct termios中，該結構定義如下：
struct termios
{
tcflag_t c_iflag; /*輸人模式標志*/
tcflag_t c_oflag; /*輸出模式標志*/
tcflag_t c_cflag; /*控制模式標志*/
tcflag_t c_lflag; /*本地模式標志*/
cc_t c_cc[NCCS];/*特殊控制字符*/
}
其中的c_iflag成員是用來控制輸入處理選項的，它影響到終端驅動程序將輸入發送給程序前是否對其進行處理，及怎樣對其進行處理。c_oflag成員是用來控制輸出數據的處理，并決定在發送輸出數據到顯示屏和其他輸出設備之前，終端驅動程序是否以及如何來處理它們。c_cflag用于存放各種決定終端設備硬件特性的控制標志，如串口的波特率、奇偶校驗、停止位、數據位等。存放在c_lflag 中的本地模式標志用來操縱串口如何處理輸入字符，比如是否將輸入字符顯示到顯示屏上，一般可通過此成員來設置串口為正規模式或是非正規模式。c_cc數組成員用來定義支持的特殊控制字符以及一些timeout參數。
除了上面的這個包含串口參數配置的數據結構之外，termios中還包含許多控制串口特性的函數。其中重要的幾個函數如：tegetattr( )、tesetattr( )、cfsetispeed( )、cfsetospeed( )、tcflush( )。tegetattr( )用來初始化一個termios數據結構，之后可使用其他的函數來操縱由tegetattr( )返回的數據結構。完成這些操作后，使用tesetattr( )來更新串口的設置。cfsetispeed( )用來設置串口的輸入速度。cfsetospeed( )用來設置串口的輸出速度。tcflush( )用來清除所有隊列在串口的輸入與輸出。
在Linux下采用多線程編程技術可大大節省系統的開銷，方便各線程之間通信，提高應用程序的響應，改善程序結構，從而可以提高嵌入式系統的性能。本文就是利用Linux下多線程編程來實現GPS數據的采集和處理，在GPS模塊的初始化GPS_Initial函數中創建接收線程GPS_Thread_Port_Svc，在接收線程中調用GPS信息語句的解析函數GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data)，進一步調用語句字符串解析函數
GPS_Parse_Data_Line(char*str_gprs_data_line，GPS_DATA_TYPE*GPS_DATA)。在GPS語句的處理過程中，需對所讀取的語句進行鑒別區分，只選取其中要用的信息進行處理而忽略其余的信息，這就要根據NMEA-0183協議中規定的語句格式來進行解析。圖3給出了GPS數據處理流程。
下面是程序實現的關鍵函數部分代碼。
/*包含必要的頭文件*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int GPS_Initial(int n_tty_no)
{
int ret_tty=-1;
int ret_thread=-1;
ret_tty=OpenComPort(n_tty_no，9600，8，“1”，‘N’);/*打開串口，并設置通信屬性，如波特率，數據位，有無奇偶校驗，停止位等*/
ret_thread=pthread_create(&pthr_id，NULL，GPS_
Thread_Port_Svc，NULL);/*創建接收線程*/
…
}
void*GPS_Thread_Port_Svc(void*pData)
{/*接收線程函數*/
unsigned char buf_GPS[256];
int ret_rd_com;
while(1) {
bzero(buf_GPS，sizeof(buf_GPS));
ret_rd_com=ReadComPort((void*)buf_GPS，
sizeof(buf_GPS));/*讀串口，接收數據*/
GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data);
/*調用解析語句函數，*/
…}
在GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data)函數中每接收一個GPS語句，調用一次字符串解析函數。
GPS_Parse_Data_Line(char*str_gprs_data_line，GPS_DATA_TYPE*GPS_DATA){
char*temptr;
temptr=str_gprs_data_line;
/*字符串賦給臨時指針，然后對其解析*/
if(strncmp(temptr，RMC_DATA_L，strlen(RMC_DATA_L))==0) {/*解析RMC語句串*/
startchar(temptr，'，');
temptr=temptr+strlen(temptr)+12;
/*$GPRMC，HHMMSS.SSS*/
GPS_DATA->Time.Flag=temptr[0];
temptr=temptr+27;
/*A，DDMM.MMMM，N，DDDMM.MMMM，E*/
…}
以上只是GPS信息處理的部分代碼。經過交叉編譯調試下載至目標平臺上，運行后可得到本地地理位置信息。實驗所得數據為：時間10:28:35;緯度：北緯30°46’;經度：東經103°57’。用戶也可以根據需要選擇提取GPS的其他語句，只需編寫解析相應語句字符串的代碼即可。
4.2 GPS坐標的轉換
上述所得的結果屬于WGS84坐標，而在工程上實用的大多是國家坐標系，因此GPS數據采集結果的使用就存在與國家坐標系間的坐標轉換問題。一般要通過兩步轉換：首先將上述實測經緯度坐標即WGS84大地坐標(L，B)轉換為對應于WGS84橢球的高斯平面坐標(X84，Y84)，然后再經過平面坐標轉換，將高斯平面坐標(X84，Y84)強制附合到本地高斯平面坐標系統[4]。
(1)高斯投影換算
將GPS采集所得出的大地坐標(L，B)轉換為高斯平面坐標(X84，Y84)。有關的推導過程較復雜，本文只給出結果：
由上述原理利用EXCEL就可以算出對應的高斯平面坐標。
(2)平面坐標轉換
平面坐標轉換的目的就是將高斯投影換算得出平面坐標(X84，Y84)轉換為當地國家坐標系的平面坐標。下面介紹一種平均轉軸相似轉換法，以轉換為北京54坐標系下的平面坐標(X54，Y54)為例，說明該方法實現過程。
首先，根據公共點分別在WGS84和北京54系中的高斯平面坐標，求出該點在兩個坐標系中同一邊的方位角之差?駐?琢和長度比例系數?資，然后按下式計算任一點在北京54系中的平面坐標。
將得到的X54，Y54坐標可應用于GIS系統標圖，實現導航定位。
基于NMEA-0183通信協議，在Linux下通過多線程編程實現了GPS基本定位信息的采集與處理，所得數據滿足精度要求，為導航定位系統或GIS系統提供了數據基礎。