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(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的問題,，利用多線程編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)GPS信號采集與處理,，并介紹了一種WGS坐標(biāo)向地方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法,。與GPS通信可選的協(xié)議有很多種，目前普遍采用的是NMEA-0183通信協(xié)議,。

　　1 NMEA-0183通信協(xié)議

　　NMEA-0183協(xié)議[1]是為了在不同的GPS導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的海事無線電技術(shù)委員會(BTCM)標(biāo)準(zhǔn),，由美國國家海洋電子協(xié)會NMEA(National Marine Electronics Association)制定的通信協(xié)議，其中規(guī)定了海用和陸用GPS接收設(shè)備輸出的定位位置數(shù)據(jù),、時間,、衛(wèi)星狀態(tài)、接收機(jī)狀態(tài)等信息,。除NMEA-0183協(xié)議之外,，還有差分用的RTCMSC-104格式，各個廠商互不兼容的二進(jìn)制格式等,，但以NMEA-0183使用最廣泛,。為實(shí)現(xiàn)ARM-LINUX平臺與GPS之間的通信，應(yīng)清楚協(xié)議規(guī)定的GPS輸出的數(shù)據(jù)格式和報文,。NMEA-0183規(guī)定的格式如下：

　　波特率：4 800 b/s

　　數(shù)據(jù)位：8 bit

　　奇偶校驗(yàn)：無

　　開始位：1 bit

　　停止位：1 bit

　　報文格式：報文的語句串(十進(jìn)制ASCII碼)格式全部信息如圖1,。

 　　圖1中具體內(nèi)容：$為串頭，表示串開始;GP為交談識別符,。XXX為語句名,，NMEA規(guī)定的常用語句有以下6種：GGA，衛(wèi)星定位信息;GLL,，地理位置-經(jīng)度和緯度;GSA,，GNSS DOP偏差信息，說明衛(wèi)星定位的信號的優(yōu)劣情況;GSV,，GNSS天空范圍內(nèi)的衛(wèi)星;RMC,，最基本的GNSS信息，指能夠達(dá)到定位目的的基本信息等語句,。ddd為數(shù)據(jù)字段,，字母或數(shù)字,，“，”為域分隔符;*表示串尾;hh表示$與*之間所有字符代碼的校驗(yàn)和;為回車控制符;為換行控制符,。

　　在實(shí)際的GPS應(yīng)用中,，并不會用到NMEA的全部信息，而是根據(jù)具體的需要,，從中選取有用的信息,，忽略其余的信息內(nèi)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(dǎo)航需求。GPRMC語句的結(jié)構(gòu)為：$GPRMC,，<1>,，<2>，<3>,，<4>,，<5>，<6>,，<7>,，<8>，<9>,，<10>,，<11>，*hh,。

　　數(shù)據(jù)區(qū)說明如下：

　　(1)UTC時間,，hhmmss.sss(時分秒.毫秒)格式;

　　(2)定位狀態(tài)，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(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);

　　(6)經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng));

　　(7)地面速率(000.0～999.9節(jié),，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(zhǔn),，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(biāo)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(biāo)平臺。S3C2410A包含一個16/32位的RISC(ARM920T)CPU內(nèi)核、獨(dú)立的16 KB的指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存(cache),、用于虛擬內(nèi)存管理的MMU單元,、LCD控制器(STN&TFT)、非線性(NAND)Flash,、系統(tǒng)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(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的GPS接收器，信號接收性能好,，功耗較小，整體工作比較穩(wěn)定,。整體硬件設(shè)計框圖如圖2所示,。

　　基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)模式通常都是宿主機(jī)+目標(biāo)機(jī)[2]。目標(biāo)機(jī)用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件,，而目標(biāo)板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯,、應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試則需要通過宿主機(jī)(資源豐富處理能力強(qiáng)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(wǎng)接口建立連接關(guān)系。

　　(1)配置minicom：在宿主機(jī)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(shè)置波特率115200,，8位數(shù)據(jù),，1位停止位，無流控,，保存退出,。

　　(2)TFTP服務(wù)的配置：在終端中運(yùn)行setup->system service->tftp增加TFTP服務(wù)，并去掉ipchains和iptables 兩項,，然后在Firewall configuration,，選中no firewall，保存退出,，執(zhí)行service xinetd restart啟動TFTP服務(wù),。

　　(3)NFS服務(wù)器的配置：在終端中運(yùn)行setup->system service->NFS，增加NFS服務(wù),，然后編輯文件exports,，添加與目標(biāo)機(jī)共享的目錄，并設(shè)置目標(biāo)機(jī)對目錄的訪問權(quán)限，重新啟動NFS服務(wù),。

　　(4)Linux內(nèi)核移植：通過并口,，宿主機(jī)向目標(biāo)開發(fā)板的Flash燒寫引導(dǎo)程序ppcboot，燒寫完畢后通過TFTP服務(wù)把經(jīng)過裁剪的Linux內(nèi)核鏡像文件以及根文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)板的RAM中,，然后由ppcboot完成內(nèi)核及根文件系統(tǒng)從內(nèi)存到Flash的燒寫,。最后需要在宿主機(jī)安裝主編譯器Arm-linux-gcc，用來交叉編譯應(yīng)用程序,。

　　4 GPS信號的采集和處理

　　為實(shí)現(xiàn)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(shù)，首先給出Linux串口通信的原理,，然后利用多線程編程技術(shù)來完成GPS數(shù)據(jù)采集與NMEA數(shù)據(jù)格式的解析,，因解析后得到的GPS定位坐標(biāo)屬于WGS84坐標(biāo)，需轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的54,、80坐標(biāo)或地方坐標(biāo)供用戶標(biāo)圖定位所用,，因此介紹了一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。

　　4.1 GPS數(shù)據(jù)采集與處理

　　大多數(shù)GPS接收機(jī)與各種處理器平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。

　　在Linux操作系統(tǒng)中,，所有設(shè)備以設(shè)備文件的形式存儲在目錄/dev/下,，串口設(shè)備文件為/dev/ttyS*，在Linux中,，若要設(shè)置串口的參數(shù),，如改變串口的波特率、字符大小等,，可通過POSIX標(biāo)準(zhǔn)終端接口[3],，該接口被稱為termios，在系統(tǒng)頭文件中定義,。它包括一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一系列操縱這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)組成,。有關(guān)串口的所有參數(shù)配置都保存在接口termios的結(jié)構(gòu)struct termios中，該結(jié)構(gòu)定義如下：

　　struct termios

　　{

　　tcflag_t c_iflag; /*輸人模式標(biāo)志*/

　　tcflag_t c_oflag; /*輸出模式標(biāo)志*/

　　tcflag_t c_cflag; /*控制模式標(biāo)志*/

　　tcflag_t c_lflag; /*本地模式標(biāo)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(qū)動程序?qū)⑤斎氚l(fā)送給程序前是否對其進(jìn)行處理,，及怎樣對其進(jìn)行處理。c_oflag成員是用來控制輸出數(shù)據(jù)的處理,，并決定在發(fā)送輸出數(shù)據(jù)到顯示屏和其他輸出設(shè)備之前,，終端驅(qū)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(shè)備硬件特性的控制標(biāo)志,，如串口的波特率,、奇偶校驗(yàn),、停止位、數(shù)據(jù)位等,。存放在c_lflag 中的本地模式標(biāo)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(shè)置串口為正規(guī)模式或是非正規(guī)模式,。c_cc數(shù)組成員用來定義支持的特殊控制字符以及一些timeout參數(shù),。

　　除了上面的這個包含串口參數(shù)配置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之外，termios中還包含許多控制串口特性的函數(shù),。其中重要的幾個函數(shù)如：tegetattr( ),、tesetattr( )、cfsetispeed( ),、cfsetospeed( ),、tcflush( )。tegetattr( )用來初始化一個termios數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，之后可使用其他的函數(shù)來操縱由tegetattr( )返回的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),。完成這些操作后，使用tesetattr( )來更新串口的設(shè)置,。cfsetispeed( )用來設(shè)置串口的輸入速度,。cfsetospeed( )用來設(shè)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(shù)可大大節(jié)省系統(tǒng)的開銷，方便各線程之間通信,，提高應(yīng)用程序的響應(yīng),，改善程序結(jié)構(gòu)，從而可以提高嵌入式系統(tǒng)的性能,。本文就是利用Linux下多線程編程來實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的采集和處理,，在GPS模塊的初始化GPS_Initial函數(shù)中創(chuàng)建接收線程GPS_Thread_Port_Svc，在接收線程中調(diào)用GPS信息語句的解析函數(shù)GPS_Parse_Data(buf_GPS,，&gps_data),，進(jìn)一步調(diào)用語句字符串解析函數(shù)

　　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(jìn)行鑒別區(qū)分，只選取其中要用的信息進(jìn)行處理而忽略其余的信息,，這就要根據(jù)NMEA-0183協(xié)議中規(guī)定的語句格式來進(jìn)行解析,。圖3給出了GPS數(shù)據(jù)處理流程。

下面是程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵函數(shù)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(shè)置通信屬性，如波特率,，數(shù)據(jù)位,，有無奇偶校驗(yàn)，停止位等*/

　　ret_thread=pthread_create(&pthr_id,，NULL,，GPS_

　　Thread_Port_Svc，NULL);/*創(chuàng)建接收線程*/

　　…

　　}

　　void*GPS_Thread_Port_Svc(void*pData)

　　{/*接收線程函數(shù)*/

　　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(shù)據(jù)*/

　　GPS_Parse_Data(buf_GPS,，&gps_data);

　　/*調(diào)用解析語句函數(shù),，*/

　　…}

　　在GPS_Parse_Data(buf_GPS，&gps_data)函數(shù)中每接收一個GPS語句,，調(diào)用一次字符串解析函數(shù),。

　　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(jīng)過交叉編譯調(diào)試下載至目標(biāo)平臺上，運(yùn)行后可得到本地地理位置信息,。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為：時間10:28:35;緯度：北緯30°46’;經(jīng)度：東經(jīng)103°57’,。用戶也可以根據(jù)需要選擇提取GPS的其他語句，只需編寫解析相應(yīng)語句字符串的代碼即可,。

4.2 GPS坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

　　上述所得的結(jié)果屬于WGS84坐標(biāo),，而在工程上實(shí)用的大多是國家坐標(biāo)系，因此GPS數(shù)據(jù)采集結(jié)果的使用就存在與國家坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題,。一般要通過兩步轉(zhuǎn)換：首先將上述實(shí)測經(jīng)緯度坐標(biāo)即WGS84大地坐標(biāo)(L,，B)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于WGS84橢球的高斯平面坐標(biāo)(X84,，Y84)，然后再經(jīng)過平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,，將高斯平面坐標(biāo)(X84,，Y84)強(qiáng)制附合到本地高斯平面坐標(biāo)系統(tǒng)[4]。

　　(1)高斯投影換算

　　將GPS采集所得出的大地坐標(biāo)(L,，B)轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)(X84,，Y84)。有關(guān)的推導(dǎo)過程較復(fù)雜,，本文只給出結(jié)果：

 　　由上述原理利用EXCEL就可以算出對應(yīng)的高斯平面坐標(biāo),。

　　(2)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

　　平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的就是將高斯投影換算得出平面坐標(biāo)(X84，Y84)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)貒易鴺?biāo)系的平面坐標(biāo),。下面介紹一種平均轉(zhuǎn)軸相似轉(zhuǎn)換法,，以轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)(X54，Y54)為例,，說明該方法實(shí)現(xiàn)過程,。

　　首先，根據(jù)公共點(diǎn)分別在WGS84和北京54系中的高斯平面坐標(biāo),，求出該點(diǎn)在兩個坐標(biāo)系中同一邊的方位角之差?駐?琢和長度比例系數(shù)?資,，然后按下式計算任一點(diǎn)在北京54系中的平面坐標(biāo)。

 　　將得到的X54,，Y54坐標(biāo)可應(yīng)用于GIS系統(tǒng)標(biāo)圖,，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。

　　基于NMEA-0183通信協(xié)議,，在Linux下通過多線程編程實(shí)現(xiàn)了GPS基本定位信息的采集與處理,，所得數(shù)據(jù)滿足精度要求,，為導(dǎo)航定位系統(tǒng)或GIS系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),。