引言

　　實時操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺，應(yīng)用程序都是建立在它之上,。實時嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多,，大體上可分為兩種：商用型和免費型。商用型的實時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定,、可靠,，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價格昂貴,。免費型的實時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢,，目前主要有 Linux、μC/OS 等,。

　　與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比,，嵌入式 Linux 具有開放源代碼、高可靠性以及強大的網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)勢,，因此選用了嵌入式 Linux 系統(tǒng)作為移動終端的軟件平臺,。

　　2   車輛監(jiān)控系統(tǒng)概述

　　車輛監(jiān)控系統(tǒng)是融全球定位技術(shù)（GPS）、地理信息技術(shù)（GIS）和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）于一體的高科技系統(tǒng),，由移動終端,、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成[1]。移動終端安裝在各個移動車輛上,，其上的 GPS 接收器實時采集衛(wèi)星定位信息,，然后通過串口 1 傳送給 ARM 處理器。ARM 處理器先解算出有用的數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度、速度,、狀態(tài)等）,，然后按照 TCP/UDP 協(xié)議的格式封裝成 TCP/UDP 數(shù)據(jù)包，接著加上 IP 報頭和報尾封裝成 IP 數(shù)據(jù)報,。由于 ARM 處理器與 GPRS 通信模塊之間的通信遵循 PPP（Point to Point Protocol,，點對點協(xié)議），因而,，需要將 IP 數(shù)據(jù)報按照 PPP 幀的幀格式封裝成 PPP 幀,，然后傳遞給接在串口 2 上的 GPRS 通信模塊。GPRS 通信模塊通過無線鏈路將數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)送到 SGSN（Serving GPRS Support Node,，GPRS 業(yè)務(wù)支持節(jié)點）,。SGSN 進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并按照 GPRS 特有的 GTP（GPRS Tunnel Protocol,，GPRS 隧道協(xié)議）將數(shù)據(jù)封裝成 GTP 包,，然后通過 GPRS 骨干網(wǎng)傳送到相應(yīng)的 GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）,。GGSN 也進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換,，再根據(jù)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行新的封裝，并且根據(jù)其目的 IP 地址選擇路由進(jìn)行傳送,，從而最終傳送到監(jiān)控中心,。監(jiān)控中心在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進(jìn)行車輛運動軌跡的顯示，并對被監(jiān)控車輛的準(zhǔn)確位置,、速度,、運動方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢,。同時,，監(jiān)控中心也可以向移動終端發(fā)送文本信息和控制命令,。

　　由此可見,，移動終端的核心功能是接收 GPS 信號、處理 GPS 數(shù)據(jù)以及通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信（包括向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息和接收監(jiān)控中心的指令）,。

　　3   移動終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計

    3.1 總體設(shè)計

　　在移動終端上,，軟件系統(tǒng)主要由三個部分組成：GPS 信號接收程序、GPS 數(shù)據(jù)處理程序和 GPRS 通信程序,。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺下,，移動終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1    移動終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  

 圖 2    GPS 信號接收程序的層次結(jié)構(gòu)

　　3.2 GPS 信號接收程序

　　對于移動終端,，它的第一個任務(wù)就是接收 GPS 信號,。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺下，GPS 信號接收程序的層次結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

　　其中,，tty 層,、N_TTY 行規(guī)程（Line Discipline）層和低層驅(qū)動程序是嵌入式 Linux 系統(tǒng)中串行通信驅(qū)動模塊三個固有的邏輯層，這三層之間有相互調(diào)用的接口函數(shù),。嵌入式 Linux 系統(tǒng)提供了多種行規(guī)程供各類設(shè)備進(jìn)行選擇,，如：TTY 行規(guī)程（N_TTY）用于連接終端輸入驅(qū)動設(shè)備和終端顯示驅(qū)動設(shè)備，而 PPP 行規(guī)程（N_PPP）用來連接終端驅(qū)動設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動設(shè)備,。GPS 信號接收程序使用了 N_TTY 行規(guī)程,，GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過 N_TTY 行規(guī)程模塊進(jìn)行規(guī)范處理。低層驅(qū)動程序用來直接對硬件進(jìn)行操作,，而 flip_buffer 是低層驅(qū)動程序和 N_TTY 行規(guī)程之間的高速接口,，它保存 GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)。

　　在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中,，內(nèi)核給接在串口 1 上的 GPS 接收器提供了一個設(shè)備節(jié)點 /dev/ttyS0 以及標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口[2],。這樣，GPS 信號接收程序?qū)υO(shè)備節(jié)點 /dev/ttyS0 的操作就會被內(nèi)核映射成對 GPS 接收器的操作,。當(dāng) GPS 接收器接收到衛(wèi)星信號時,，會觸發(fā)低層驅(qū)動程序事先注冊到系統(tǒng)中的中斷處理函數(shù)，從而調(diào)用函數(shù) receive_chars( ) 把數(shù)據(jù)填充到 flip_buffer 中,，然后調(diào)用函數(shù) tty_flip_buffer_push( ) 將數(shù)據(jù)傳遞給 N_TTY 行規(guī)程模塊,。N_TTY 行規(guī)程模塊中的函數(shù) n_tty_receive_buf( ) 對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理后將其存入 tty 緩沖區(qū)中，供應(yīng)用層的 GPS 信號接收程序來讀取,。

　　當(dāng)應(yīng)用層的 GPS 信號接收程序開始運行時,，它會向文件系統(tǒng)發(fā)出讀請求，文件系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此請求的對象為 tty 設(shè)備,，于是調(diào)用函數(shù) tty_read( ),，接著調(diào)用函數(shù) read_chan( ) 讀取 tty 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

　　3.3 GPS 數(shù)據(jù)處理程序

　　GPS 接收器與嵌入式 Linux 平臺之間的通信協(xié)議有很多種,，這里采用的通信協(xié)議是 NMEA-0183,，它規(guī)定了 GPS 數(shù)據(jù)的輸出速率為 4,800 波特，其輸出都是 ASCII 字符,，工作模式為 8-N-1,。通信協(xié)議 NMEA-0183 中包含的語句有 GPGGA、GPGLL,、GPGSA,、GPGSV、GPRMC,、GPVTG 等,，要想知道車輛的位置信息,，至少要提取出 GPGGA、GPGLL,、GPRMC 中的一種,。NMEA-0183 協(xié)議報文的語句格式如圖 3 所示。

圖 3    NMEA0183 的報文格式

　　其中,，$ 為串頭,，表示串的開始；AA 為識別符,；XXX 為語句名,；ddd…ddd 為數(shù)據(jù)字段，字母或數(shù)字,；* 表示串尾,；hh 表示 $ 與 * 之間所有字符代碼的校驗和；< CR > 為回車控制符,；< LF > 為換行控制符,。

　　在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，主要關(guān)心的是時間,、車輛的位置和速度等信息,。因此，在移動終端上,，GPS 數(shù)據(jù)處理程序的主要功能是從 GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)中提取出 GPRMC 定位語句,，忽略掉其他信息[3]。此后,，移動終端上的 GPRS 通信程序負(fù)責(zé)將相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心,。

3.4   GPRS 通信程序

　　3.4.1 撥號到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的基本原理

　　移動終端要想通過 GPRS 通信模塊訪問 Internet，首先得附著在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)上,，然后發(fā)起 PDP（Packet Data Protocol,，分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文激活過程[4]，如圖 4 所示,。只有通過此過程,，GPRS 通信模塊才能與 GGSN 建立一條邏輯通路，從而訪問 Internet,。

圖 4    PDP 上下文激活過程示意圖

　　3.4.2 移動終端上撥號程序的實現(xiàn)

　　在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺下,，移動終端利用 pppd（包含 chat）撥號到 GPRS 網(wǎng)絡(luò),。pppd 是一個用戶空間的后臺服務(wù)進(jìn)程（daemon）,，而 chat 是 pppd 所帶一個輔助工具，用來與 GPRS 通信模塊建立會話,。在 PDP 上下文激活過程中,，chat 完成了第 ① 步,，而 pppd 完成了第 ②、③,、④,、⑩ 步。pppd 撥號程序的層次結(jié)構(gòu)如圖 5 所示,。

圖 5 pppd 撥號程序的層次結(jié)構(gòu)

　　其中,，N_PPP 層就是 PPP 協(xié)議層。PPP 協(xié)議模塊不僅提供簡單的數(shù)據(jù)鏈路層功能,，它還提供諸如鑒權(quán)（如PAP/CHAP）,，數(shù)據(jù)壓縮/解壓（如CCP）和數(shù)據(jù)加密/解密（如ECP）等擴展功能。由于 GPRS 通信程序要求透明化地使用這些擴展功能,，而 PPP 協(xié)議模塊本身無法對各種策略進(jìn)行選擇,，于是 pppd 應(yīng)運而生。PPP 協(xié)議模塊中策略性的內(nèi)容都移到了 pppd 中,，由 pppd 完成對鑒權(quán),、壓縮/解壓和加密/解密等擴展功能的選用。

　　在運行 pppd 的時候,，pppd 首先讀取配置文件中的配置信息,，其中包含了設(shè)置 PPP 協(xié)議模塊的參數(shù)、GPRS 通信模塊連接的端口（/dev/ttyS1）以及對 chat 進(jìn)行調(diào)用的語句,，等等,。隨后 pppd 調(diào)用 chat，chat 也會讀取相應(yīng)的配置文件（其中包含一些應(yīng)答語句對和 AT 命令）,，然后使用默認(rèn)的行規(guī)程 N_TTY 向 GPRS 通信模塊發(fā)送 AT 命令,，接著 chat 將控制權(quán)返還給 pppd。pppd 將行規(guī)程切換為 N_PPP,，而 pppd 與 PPP 協(xié)議模塊之間采用了設(shè)備文件來進(jìn)行通信,，設(shè)備文件名是 /dev/ppp。通過 read 系統(tǒng)調(diào)用,，pppd 可以讀取 PPP 協(xié)議模塊的數(shù)據(jù)包（當(dāng)然,，PPP 協(xié)議模塊只會把應(yīng)該由 pppd 處理的數(shù)據(jù)包發(fā)給 pppd）。通過 write 系統(tǒng)調(diào)用,，pppd 可以把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包傳遞給 PPP 協(xié)議模塊,，而通過 ioctl 系統(tǒng)調(diào)用，pppd 可以設(shè)置 PPP 協(xié)議模塊的參數(shù),，可以建立/關(guān)閉連接,。

　　此后，pppd 執(zhí)行了 PDP 上下文激活過程的第 ②,、③,、④ 步,。等 PDP 上下文激活過程的第 ⑤－⑨ 步（與移動終端不直接相關(guān)）完成之后，pppd 執(zhí)行第 ⑩ 步,，在函數(shù) make_ppp_unit( ) 中調(diào)用 ioctl(PPPIOCNEWUNIT) 創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）,。當(dāng) PPP 協(xié)議模塊在處理 PPPIOCNEWUNIT 時，調(diào)用函數(shù) register_netdev( ) 向內(nèi)核注冊 PPP 網(wǎng)絡(luò)接口,，該網(wǎng)絡(luò)接口的傳輸函數(shù)指向函數(shù) ppp_start_xmit( ),。值得注意的一點是，如果關(guān)閉進(jìn)程 pppd,，行規(guī)程會由 N_PPP 切換回默認(rèn)的 N_TTY,，因此，在移動終端與監(jiān)控中心通信的過程中不能關(guān)閉 pppd 進(jìn)程,。

　　至此,，移動終端完成了向 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的撥號，這樣它就擁有了一個可以用于與監(jiān)控中心進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）,。

　　3.4.3 移動終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互

　　前面,，移動終端已經(jīng)與監(jiān)控中心建立了網(wǎng)絡(luò)鏈接。接下來,，移動終端就可以與監(jiān)控中心進(jìn)行通信了,。GPRS 通信程序的層次結(jié)構(gòu)如圖 1 的右半部分所示。

　　在移動終端向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息的過程中,，移動終端上的 GPRS 通信程序通過 socket 接口發(fā)送 TCP/IP 數(shù)據(jù)包,，內(nèi)核根據(jù) IP 地址和路由表，找到 PPP 網(wǎng)絡(luò)接口,，然后調(diào)用函數(shù) ppp_start_xmit( ),，此時控制權(quán)就轉(zhuǎn)移到了 PPP 協(xié)議模塊。函數(shù) ppp_start_xmit( ) 調(diào)用函數(shù) ppp_xmit_process( ) 去發(fā)送隊列中的所有數(shù)據(jù)包,，而函數(shù) ppp_xmit_process( ) 會進(jìn)一步調(diào)用函數(shù) ppp_send_frame( ) 去發(fā)送單個數(shù)據(jù)包,。函數(shù) ppp_send_frame( ) 根據(jù)前面 pppd 對 PPP 協(xié)議模塊的設(shè)置調(diào)用壓縮等擴展功能之后，又經(jīng)函數(shù) ppp_push( ) 調(diào)用函數(shù) pch->chan->ops->start_xmit( ) 發(fā)送數(shù)據(jù)包,。函數(shù) pch->chan->ops->start_xmit( ) 是具體的傳輸方式,，對于串口發(fā)送方式，則是 ppp_async.c:ppp_asynctty_open 中注冊的函數(shù) ppp_async_send( ),，函數(shù) ppp_async_send( ) 經(jīng)函數(shù) ppp_async_push( ) 調(diào)用函數(shù) tty->driver->write( )（定義在低層驅(qū)動程序中）把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口 2（GPRS 通信模塊接在串口 2 上）,。

　　ppp_async.c 在初始化時（ppp_async_init），調(diào)用函數(shù) tty_register_ldisc( ) 向 tty 注冊了行規(guī)程 N_PPP 的處理接口,，也就是一組回調(diào)函數(shù),。在移動終端接收監(jiān)控中心指令的過程中，當(dāng) GPRS 通信模塊收到數(shù)據(jù)時,，就會回調(diào) N_PPP 行規(guī)程中的函數(shù) ppp_asynctty_receive( ) 來接收數(shù)據(jù),。函數(shù) ppp_asynctty_receive( ) 調(diào)用函數(shù) ppp_async_input( ) 把數(shù)據(jù) buffer 轉(zhuǎn)換成 sk_buff，并放入接收隊列 ap->rqueue 中,。ppp_async 另外有一個 tasklet（ppp_async_process）專門處理接收隊列 ap->rqueue 中的數(shù)據(jù)包,，ppp_async_process 一直掛在接收隊列 ap->rqueue 上，一旦被喚醒,，它就調(diào)用函數(shù) ppp_input( ) 讓 PPP 協(xié)議模塊處理該數(shù)據(jù)包,。在函數(shù) ppp_input( ) 中，數(shù)據(jù)被分成兩路,，一路是協(xié)議控制數(shù)據(jù)包,，放入隊列 pch->file.rqb 中，交給 pppd 處理,。另外一路是用戶數(shù)據(jù)包,，經(jīng)函數(shù) ppp_do_recv( )、ppp_receive_frame( ) 進(jìn)行 PPP 協(xié)議相關(guān)的處理后,，再由函數(shù) netif_rx( ) 提交給上層的 TCP/IP 協(xié)議模塊進(jìn)行處理,，最后經(jīng) socket 接口傳遞給應(yīng)用層的 GPRS 通信程序。

　　4   總結(jié)

　　近幾年,，智能交通系統(tǒng)（包括車輛監(jiān)控系統(tǒng)）發(fā)展非常迅速,，因此，移動終端將會有非常廣泛的應(yīng)用前景,。隨著市場需求的不斷擴大,，更加豐富的功能將會被集成到移動終端上，而嵌入式 Linux 系統(tǒng)憑借其自身的優(yōu)勢將會被越來越多地應(yīng)用到這個領(lǐng)域,。

　　本文作者創(chuàng)新點：本方案充分利用了嵌入式 Linux 平臺所提供的系統(tǒng)功能,，大大簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)，并且具有良好的可擴展性,。在詳細(xì)介紹 GPS 信號的接收過程并給出一個簡潔的 GPS 數(shù)據(jù)處理辦法后,，本文提供了一種切實可行的撥號到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的方法，從而實現(xiàn)了移動終端跨越 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與 Internet 上監(jiān)控中心的通信,。