基于ARM9与WindowsCE的车辆GPS定位信息采集系统

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                    ???? GPS可提供连续、高精度、实时的时间基准、三维位置、三维速度、整周模糊度等数据，具有性能好、精度高的特点，因而广泛应用于GPS载波相位测姿、精确制导、SINS／GPS组合导航、嵌入式车辆导航监控等军事与民用领域。而嵌入式系统以其低功耗、小体积、高稳定性和便携等优势，在GPS的应用中占据重要的位置。本文研究基于ARM920T内核的嵌入式微处理器S3C2440和WindowsCE 5．0(简称WindowsCE)的某型军车GPS定位信息的采集与处理。
　　1 系统硬／软件平台概述
　　车辆GPS定位信息采集系统的硬件平台结构如图1所示。




　　2 定位信息数据格式
　　GPS的输出数据遵循NMEA-0183协议标准，即美海军的电子设备标准。根据NMEA-0183协议，获取GPS定位信息，必须将串行口的波特率设置为4800b／s，数据位设置为8 bit，停止位设置为1 bit，校验为设置为无。该协议定义了GPS接收机输出的标准信息，最常用、兼容性最广的语句格式包括：$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV、$GPGSA、$GPGLL等。应用到的GPS数据格式包括$GPRMC、$GPGGA、$GPGSV三种。其中，用$GPRMC语句获取时间、经纬度、速度、年月日信息，用$GPGSV语句获取海拔高度信息，用$GPGSV语句获取可见卫星数信息及卫星的方位角和仰角信息，用以获取卫星的视图。各语句的数据段的含义，参考NMEA-0183协议标准。
　　3 GPS定位信息采集和处理的软件实现
　　本系统的软件开发在可视化开发工具Embedded VisualC++(简称EVC)中，采用MFC编程技术实现。
　　3．1 GPS数据处理状态转换
　　GPS与ARM之间用RS232串口方式进行通信，串口对象负责接收数据，并把接收到的数据放置到串口缓冲区。GPS对象按照协议结构负责处理串口对象接收到的数据。图3为GPS数据处理之间的状态转换示意图。GPS数据处理状态共包括4个状态：开始状态、数据帧头状态、GPS数据正文状态和校验状态。




　　图4中，m_strRecDisp为一个CString变量，用于表示接收数据的字符串，该程序流程中，用到两个最重要的函数即：字符(串)查找函数和字符串截取函数。
　　1)字符(串)查找函数 该函数CString∷Find()用于从一个已有的字符串当中查找与目标字符(串)相匹配的首次出现的一个单字符或一个子字符串。一个重要的函数原型为：int Find(TCHAR ch，int nStart)cONst：其中，ch为要查找的目标字符，nStart为开始查找位置。
　　2)字符串截取函数 该函数CString∷Mid()用于截取一个字符，也可从一个具体位置开始截取一个子字符串，返回值即为字符或字符串常量。函数原型为：Mid(int nFirst，intnCount)const；其中nFirst为字符串开始截取的位置，nCount为截取字符数目。
　　3．3 GPS数据帧的处理
　　截取出一个完整的数据帧后，将数据帧赋值给CString变量data，data再将其字符内容渊源不断的送给缓冲pBuffer，解压缩数据帧后，进入到如图5所示的GPS数据帧处理流程。在处理GPS时间数据时，因为北京位于东八区，UTC时间与北京时间相差8 h，得到UTC时间后，如果要得到标准的北京时间，应在此时间的基础上，加上8 h。




　　显然，若卫星P与观测点之间的距离为r，E为任意可见卫星P的仰角，B为卫星的方位角，则P的三维坐标为(X，Y，Z)满足：




　　3．5 串口接收的实现
　　完成GPS定位信息的采集，需要实现的串口主要的API函数包括：
　　1)打开串口函数。原型为Open(LPT OpenPort(LPCTSTRPort，int BaudRate，int DataBits，int StopBits，int Parity)。其中，Port代表串口名，如COMl等，BaudRate为波特率，DataBits为数据位；StopBits为停止位，Parity为奇偶校验。
　　2)关闭串口函数。该函数在程序操作串口发生错误时使用，用于关闭该串口。实现的主要方法是：先判断串口操作句柄hComm的值是否为INVALID_HANDLE_VALUE，如果是，则调用SetCommMask()，将上述代码段中的EV_RXCHAR改为0，然后清除缓冲区，再利用CloseHandle函数关闭串行口操作句柄。
　　3)添加打开串口单击事件代码，通过创建一个串口接收线程和显示线程来实现。
　　4)串口接收线程CommRecvTread()与回调函数OnCommRecv()。串口接收线程为一个无限循环，它不断查询串口接收线程退出事件m_Exit-ThreadEvent。如果退出事件有效，则该循环结束退出。如果调用读串口函数查询得知接收到数据，则调用串口接收成功回调函数0nCommRecv()。
　　4 实验数据及分析
　　设置好串口参数后，打开串口COMl，既可获取实验数据。图7为在某型军车上一次实测的数据。实测数据界面拍摄的时间为2009年11月10日晚上9点45分，地点为某训练场。数据在静止的状态下测得。该定位显示的数据包括“原始数据”和解析后“经纬度、时间、海拔”等信息。通过分析图7(a)界面的数据发现，$GPGSV语句有两条，而在“星数”对应的Edit框中显示的定位所用卫星数为8，由于每一条GPGSV最多能显示4颗卫星的信息，故$GPGSV语句为两条。这说明星数与$GPGSV语句数是吻合的。而获取有效的GPS定位信息，至少需要4颗定位卫星。这也说明此次数据是有效的定位数据。




　　该界面显示的经纬度信息分别为N：38°3．6788’，E：114°29．1765’；其中，N代表北纬，E代表东经。而用GoolgeEarth软件查阅数据可知，石家庄军械学院南门的精确经度／纬度信息为：北纬38°3．1650’，东经114°29．0046’，军械学院西门的精确经度／纬度信息为：北纬38°3．394O’，东经114°28．5432’。通过与二者的经纬度信息比对发现，界面实时显示的精度和纬度信息非常精确。通过实时比对标准的北京时间，说明时间和日期信息显示也完全正确。
　　速度信息在静止情况下测得，故理想的速度为0 k／s。而实际测得数据分别为0．060 00 k／s，前文已论述，1 k／s换算成标准的速度信息约0．514 444 m／s，故测得的速度误差分别约为O．030 867 m／s。可以看出，测量的速度误差相对而言是很小的。
　　界面显示的海拔信息为：68．800 00 m。而通过石家庄市规划局提供的资料可知：石家庄市区二环路内地势西北高，海拔高度为81．5 m，东南低，海拔高度为64．3 m。测得的海拔高度还是存在微小的误差。这可能跟接收的GPS信号的漂移有关。从图7(b)部分的卫星视图可以看出，卫星与观测点的方位关系能清晰的表示，而且卫星的编号也能实时显示，从上到下依次分别为：23、17、3、4、19、20、32、11。
　　5 结论
　　GPS定位为单点定位，用一台接收机观测卫星，独立定出观测点在WGS-84(地心坐标)中的绝对位置。系统以ARM9为嵌入式微处理器，以WindowsCE为嵌入式操作系统，通过串行口实现GPS接收机与ARM之间的通信，构建了某型军车的GPS定位信息采集系统。实验表明：该系统能实时显示精度较高、持久有效的GPS定位数据，具有重要的实用价值和参考意义。