（通信与信息系统专业论文）基于mtk平台的gps定位手机研究与软件设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着移动技术的发展，手机除了具有通话等基本功能以外，还可以把它当作 一个定位器。生活中我们常常会外出，现在的大城市是不是经常让你迷失方向， 找不到自己所在的位置? 这时，如果你的手机带有定位功能，就可以通过手机来 确定自己的位置；当你和自己的朋友互相授权之后，也可以通过手机定位来找到 他们。 通过特定的技术来获得并处理手机的位置信息，然后在电子地图上标出被定 位对象的位置这就是手机定位技术。基本的手机定位技术有三种，一种是基 于g p s 的定位，另一种是基于移动运营网络的定位，还有辅助g p s 定位。前者 是利用手机上的g p s 模块来实现手机定位的，基站定位是通过运营商网络基站 来定位的，而辅助g p s 定位则是一种运营商网络与g p s 相结合的定位技术。 在课题所涉及的行业背景和发展现状的基础上，本文首先深入分析与研究了 m t k 平台的软件架构及m m i 层的结构，并以m t 6 2 2 5 基带为例研究了平台的硬 件架构。接下来，对三种手机定位技术进行了比较，因为g p s 定位方式精度高， 速度较快，而且g p s 的使用是免费的，所以本论文所设计的定位手机是采用g p s 技术进行定位。本文以g p s 芯片、基带芯片m t 6 2 2 5 和第三方地图为基础确定 了g p s 定位手机的总体架构，并结合本人从事手机软件开发工作的经历，设计 和实现了g p s 定位模块的相关功能。g p s 定位模块的软件设计具体包括应用层 的设计、数据驱动层的设计以及手机与服务器的交互。其中应用层主要是用户界 面的设计，比如电子地图的入口，数据驱动层设计主要包括基带部分从g p s 芯 片获取数据，并按照n m e a 标准进行处理，再发送给电子地图模块。此外，手 机还要通过s m s 方式或者g p r s 方式与服务器进行交互。最后，利用模拟器对 用户界面进行了调试，并依据测试用例对g p s 定位模块相关功能进行了测试， 对测试结果做了分析。 本设计以相对低廉的成本在中低端手机中植入g p s 定位应用，将会帮助g p s 定位应用成为一般手机的标准配置，对于方便人们日常生活的出行具有一定的价 值和意义。 关键词：手机，g p s ，m t k ，定位 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l et e c h n o l o g y , am o b i l ep h o n ed o e sn o to n l yh a v e t h eb a s i cf u n c t i o ns u c ha sc a l l i n ga n ds e n d i n gm e s s a g e ，i ta l s oc a nb eu s e da sa p o s i t i o n e r i no u rd a i l yl i f e ，y o uw i l lo f t e nh a v eo u t i n ga c t i v i t i e s ，w i l lt h em o d e m m e t r o p o l i s e sa l w a y sm a k ey o ul o s t ? h a v ey o ua l w a y sf e l ta n x i o u sw h e ny o uc a n n o t f i g u r eo u ty o u rl o c a t i o n ? a tt h i st i m e ，i fy o uh a v eam o b i l ep h o n ew i t hp o s i t i o n s y s t e m ，y o uc a l le a s i l yf i n dt h el o c a t i o ny o uw a n t a d d i t i o n a l l y , y o uc a na u t h o r i z et h i s f u n c t i o nw i t hy o u rf r i e n d s ，t h u sy o uc a ng e tt h e i rl o c a t i o ni n f o r m a t i o ne a s i l y , t o o u s i n gs p e c i f i ct e c h n o l o g yt og e tt h el o c a t i o ni n f o r m a t i o no fam o b i l ep h o n e ，a n d t h e nm a k ei tb em a r k e do na ne l e c t r o n i cm a p ，a n dt h a ti sc a l l e dt h em o b i l ep o s i t i o n t e c h n o l o g y t h e r ea r et w ok i n d so fm o b i l ep o s i t i o nt e c h n o l o g y o n ei sg p s ，w h i l e t h eo t h e ro n ew a sb a s e do nt h eb a s i cs t a t i o n so fm o b i l en e t w o r k ag p sm o b i l ep h o n e r e a l i z e dt h i sp o s i t i o n i n gf u n c t i o nb yg p sm o d u l e ，w h i l em o b i l en e t w o r kl o c a t e do n e p e r s o nb yc a l c u l a t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h em o b i l ep h o n ea n dt h eb a s i cs t a t i o n t h i sp a p e rd od e p t ha n a l y s i so np o s i t i o nm o b i l ep h o n eb a s e do ng p s b a s e do nt h ei n d u s t r i a lb a c k g r o u n da n dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，t h i s p a p e rf i r s t l ye l a b o r a t e sad e e pa n a l y s i sa n ds t u d yf o r t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo nt h e p l a t f o r mo fm t ka n dm m il a y e rs t r u c t u r e a n dt h e ni tt a k e st h em t 6 2 2 5b a s e b a n da s e x a m p l et os t u d yp l a t f o r mh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e a f t e rt h a tt h i sp a p e rc o m p a r e st h r e e k i n d so fm o b i l ep h o n ep o s i t i o n i n gt e c h n i q u e s d u r i n gt h e s et e c h n i q u e s ，g p si so f h i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，h i g hs p e e d ，a n df r e et ou s e ，s ot h a tt h ed e s i g no ft h em o b i l e p o s i t i o n i n gp h o n ei sb a s e do ng p st e c h n o l o g yl o c a l i z a t i o n t h i sp a p e rd e f i n e st h e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h eg p sp o s i t i o n i n gm o b i l ep h o n eb a s e do ng p sc h i p ，t h e b a s e b a n dc h i pm t 6 2 2 5a n dt h et h i r dp a r t ym a p s a n dt h e ni td e s i g n sa n di m p l e m e n t s s o m er e l a t e df u n c t i o n sa b o u tg p sp o s i t i o n i n gm o d u l ec o m b i n e dw i t hw o r k i n g e x p e r i e n c ew h e nie n g a g e di nt h em o b i l ep h o n es o f t w a r ed e v e l o p m e n tw o r k g p s p o s i t i o n i n gm o d u l es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st h ea p p l i c a t i o nl a y e rd e s i g n ，d a t ad r i v e n l a y e rd e s i g na n dm o b i l ep h o n ei n t e r a c t i o nw i t ht h es e r v e r t h ea p p l i c a t i o nl a y e rl i e s m a i n l yo nt h eu s e ri n t e r f a c ed e s i g n ，s u c ha st h ee n t r a n c eo fe l e c t r o n i cm a p ；t h ed a t a d r i v e nl a y e rd e s i g nm a i n l ym e a n st h eb a s e b a n dp a r ta t t a i n sd a t af r o mt h eg p sc h i p ， m a k e ss t a n d a r dp r o c e s s i n gi na c c o r d a n c ew i t ht h en m e a n dt h e ns e n d st h e mt ot h e e l e c t r o n i cm a pm o d u l e i na d d i t i o n ，t h em o b i l ep h o n en e e dt oi n t e r a c tw i t ht h es e r v e r t h r o u g hs m so rg p r sw a y f i n a l l y , t h ep a p e ru s e st h es i m u l a t o rt od e b u go nt h eu s e r i l 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e r f a c e ，a n dt ot e s tg p sp o s i t i o n i n gm o d u l er e l a t e df u n c t i o n so nt h eb a s i so ft e s t c a s e s ，c e r t a i n l yw i t ht h et e s tr e s u l t sa n a l y z e d t h i sd e s i g ni m p l a n t sg p s p o s i t i o n i n ga p p l i c a t i o ni nt h em i d d l e e n da n dl o w e n d m o b i l ep h o n e sa tar e l a t i v e l yl o wc o s t ，w h i c hw i l lh e l pg p s p o s i t i o n i n ga p p l i c a t i o n b e c o m et h e g e n e r a lm o b i l ep h o n es t a n d a r dc o n f i g u r a t i o n a tt h i se x t e n t ，i ti s v a l u e a b l ea n ds i g n i f i c a n tf o r t h eo u t i n gt r a v e lo f p e o p l e sd a i l yl i f e k e y w o r d s ：m o b i l ep h o n e ，g p s ，m t k ，p o s i t i o n i i i 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文的研究背景及意义 随着社会经济的高速发展，人们活动范围的不确定性和扩大化趋势越来越明 显，同时对信息沟通的依赖性也在讯速提高。人们需要的最基本信息就是t 时间 和地点。这种趋势给移动通信带来挑战的同时，也为位置服务产业带来了无限商 机。移动定位业务在过去几年中每年以6 0 - 7 0 的速率高速增长，全球市场规 模在2 0 1 2 年将达到约3 0 0 亿美元，而我国则预计会突破8 0 亿元1 1 , 2 j 。位置服务 将成为3 g 时代的一项重要应用，与视频通话、移动互联网等应用“并驾齐驱”。 国内市场上已经有了g p s 车载导航系统，手持定位器这样的产品，这些设 备能在一定程度上解决人们在出行中遇到的问题，使出行更加方便，但是也有一 些缺陷，比如功能单一，且成本较高【3 】。在应用软件集成越来越普遍的今天，把 g p s 定位应用植入在手机当中是实现g p s 定位更有效和快捷的一种方法。在高 端手机产品中，一些大的手机厂商一般都会提供g p s 定位功能，从而吸引消费 者。但是国内人均消费水平还比较低，只是在高端手机中提供g p s 定位应用， 还不能使大多数消费者的需求得到满足。因此，在中低端手机中植入g p s 定位 应用，将会在较大程度上帮助g p s 定位应用成为一般手机的标准配置，而且有 着广阔的市场前景和良好的经济效益，因此以相对低廉的成本来实现手机g p s 定位应用，具有较大的价值和意义。而如今我国移动通信网络已经比较成熟，且 g p s 芯片的价格较以前也有所降低，这就为我们以相对低廉的成本来实现手机 g p s 定位应用提供了现实基础1 4 j 。 1 2 国内外手机平台的发展与现状 早期的手机是没有操作系统的，程序直接运行在手机的硬件平台上，程序代 码需要直接控制硬件的行为，这就使得手机的程序不能太复杂，手机的功能也相 对简单【5 】。没有操作系统，对手机业发展带来很大的限制，因为程序和硬件相关， 致使原有型号手机上的程序可重用性差，加入新功能比较困难，产品更新换代周 期比较长等，对手机产品的研发非常不利。后来逐渐出现了带有简单操作系统的 手机，这时候的手机程序，不再直接运行在手机的硬件平台上了，而是利用操作 系统提供的特定a p i 来实现手机的应用，手机上应用开始多了起来。后来，手 机平台上实现了j a v a 虚拟机，手机平台上能够安装用j a v a 写的软件了l o j 。 武汉理工大学硕士学位论文 现在市场上主流的手机平台有s y m b i a n 、w i n d o w sp h o n e 、a n d r i o d 、l o s 、 m t k 、b l a c kb e r r yo s 等。 1 ) s y m b i a n s y m b i a no s 早期也称为e p o c 系统，至今在s y m b i a n 的s d k 中也沿用这个 名称。这个系统最早是由p s i o n 公司开发的一个专门用于手持移动设备的操作系 统。1 9 9 8 年7 月，诺基亚联合p s i o n ，爱立信共同出资组建了s y m b i a n 公司，基 于p s i o n 的e p o c 系统开发了新的系统s y m b i a no s 。后来，西门子，三星，松 下等几家大型移动通信设备商又陆续加入s y m b i a n 公司。虽然s y m b i a n 公司开 发的手机操作系统是业界公认的优秀系统，但是s y m b i a n 公司本身却不生产手 机。s y m b i a n 公司所做的工作就是不断研发优秀的操作系统，然后把他们提供给 设备制造商，持有s y m b i a n 许可证的手机制造商有诺基亚、三星、摩托罗拉、 l g 、索尼爱立信、明基西门子、联想掣7 】。 在市场份额上，诺基亚的塞班系统手机曾经占据智能手机市场份额7 0 以 上，自2 0 0 7 年6 月苹果正式推出i p h o n e 手机后，诺基亚这个曾称霸的手机巨人 在智能手机市场几乎节节败退。2 0 0 8 年诺基亚收购塞班公司，并成立塞班基金 会，进行塞班的开源及转型。2 0 1 1 年，诺基亚称s y m b i a n 只对企业开源，塞班 开源变成只是种口号。2 0 1 1 年6 月，诺基亚将塞班项目承包给埃森哲，2 0 1 6 年 将终止对塞班系统的所有支持。2 0 1 1 年1 2 月，诺基亚官方宣布放弃塞班系统品 牌。由于对新兴的社交网络和w e b2 0 内容支持欠佳，塞班占智能手机的市场份 额日益萎缩。截止至2 0 1 2 年2 月，塞班系统的全球市场占有量仅为1 6 9 ，中 国市场占有率则降至1 8 7 ，均被安卓超过【引。 2 ) w i n d o w sm o b i l e 和w i n d o w s p h o n e w i n d o w sm o b i l e 系统的原形是简单的w i n d o w sc e 系统，后来微软在w i nc e 的基础上开发出了p p c 和s p 系列。2 0 0 3 年，微软宣布将该这些系列全部合并 为一个系统，该系统名为w i n d o w sm o b i l e 9 1 。该系统操作接近于w i n d o w sx p ， 因此受到广大用户的喜爱。 2 0 0 5 年9 月，微软推出w i n d o w sm o b i l e5 0 ，该版本改进了电源管理和存储 模式，并且内置了n e tf r a m e w o r k2 0 ，加入o f f i c e ，并且增加了g p s 以及w i f i 功能。这些技术在当时是非常先进的，但是w m 系统却越做越复杂，高额的授 权费也使得大部分用户转投当时简单便宜的s y m b i a n 系统，此时w m 市场份额 为4 0 。2 0 0 7 年2 月，微软推出w i n d o w sm o b i l e6 0 ，将大量电脑操作系统的元 素一次性引进w m 中，并且导入了微软在电脑上的自家应用程序，如m s n 、i e 等。但随后苹果公司发布了i p h o n eo s ，独特和创新的用户体验，使得w m 在与 i p h o n eo s 的战斗中失败。2 0 0 9 年2 月，微软发布了w i n d o w sm o b i l e6 5 ，开始 2 武汉理工大学硕士学位论文 和i p h o n eo s 一样支持电容屏技术，并且效仿i p h o n eo s 的a p p s t o r e 模式在w m 内增加了“w i n d o w sm a r k e t p l a c e ”电子市场f 1 0 】。 w i n d o w sp h o n e 是微软发布新一代手机操作系统。微软称，公司将通过最新 一代手机操作系统w i n d o w sp h o n e ，将旗下x b o xl i v e 游戏、z u n e 音乐与独特 的视频体验整合至手机中。2 0 1 0 年1 0 月，微软公司正式发布了智能手机操作系 统w i n d o w sp h o n e7 ，并且宣布不再开发w i n d o w sm o b i l e 系统，而且中止对其的 技术支持，至此，w i n d o w sm o b i l e 系列操作系统“寿终正寝 。 3 ) a n d r o i d 2 0 0 7 年1 1 月，g o o g l e 与3 4 家手机制造商、软件开发商、电信运营商和芯 片制造商共同创建了开放手持设备联盟，并且合作开发了基于l i n u x 内核的手机 操作系统a n d r o i d 。2 0 0 8 年9 月，谷歌正式对外发布第一款a n d r o i d 手机一 一h t cg 1 ，谷歌发布a n d r o i d l 0 。2 0 1 1 年第一季度，a n d r o i d 在全球的市场份额 首次超过塞班系统，跃居全球第一。2 0 1 2 年2 月数据，a n d r o i d 占据全球智能手 机市场5 2 5 的份额，中国市场占有率为6 8 4 t 1 1 】。 a n d r o i d 是以l i n u x 为核心的手机操作平台，作为一款开放式的操作系统， 如今已允许开发者使用多种编程语言来开发a n d r o i d 应用程序，而不再是以前只 能使用j a v a 开发a n d r o i d 应用程序的单一局面，因而受到众多开发者的欢迎， 成为真正意义上的开放式操作系统。而在a n d r o i d 系统底层方面，a n d r o i d 使用 c c + + 作为开发语言。 a n d r o i d 的系统架构和其它操作系统一样，采用了分层的架构。从架构图看， a n d r o i d 分为四个层，从高层到低层分别是应用程序层、应用程序框架层、系统 运行库层和l i n u x 核心层【1 2 】。 4 ) i o s 苹果i o s 是由苹果公司开发的手持设备操作系统。苹果公司最早于2 0 0 7 年 1 月的m a c w o r l d 大会上公布这个系统，最初是设计给i p h o n e 使用的，后来陆续 套用到i p o dt o u c h 、i p a d 以及a p p l et v 等苹果产品上。i o s 与苹果的m a co sx 操作系统一样，它也是以d a r w i n 为基础的，因此同样属于类u n i x 的商业操作系 统。原本这个系统名为i p h o n eo s ，直到2 0 1 0 年6 月宣布改名为i o s 。截止至 2 0 1 1 年1 1 月，l o s 已经占据了全球智能手机系统市场份额的3 0 ，在美国的市 场占有率为4 3 t 1 3 j 。 i o s 的系统结构分为以下四个层次：核心操作系统层( t h ec o r eo sl a y e r ) ， 核心服务层( t h ec o r es e r v i c e sl a y e r ) ，媒体层( t h em e d i al a y e r ) ，触摸框架层( t h e t o u c hl a y e r ) 。 5 ) m t k 3 武汉理工大学硕十学位论文 m t k 平台所采用的系统内核是n u c l e u s 实时操作系统，该系统是由美国a t i 公司开发的新一代抢先式多任务的嵌入式实时操作系统。该系统采用微内核技 术，在一个比较小的内核中实现最基本的功能，而在内核以外去实现其他功能， 而且使用a n s ic 编写内核的绝大部分代码，因而非常便于移植，可支持的处理 器类型非常之多【1 4 j 。 n u c l e u s 系统采用软件组件的方法把由几个汇编或c 及语言编写且具有单一 明确目的的模块封装起来，对外部只提供清晰的接口。因此，从外部不允许访问 组件的内部成员，而只能通过这些接口来访问组件”。n u c l e u s 系统的组件提供内 存管理、任务控制、任务间通信、中断管理、i o 驱动及定时等系统服务。根据 任务的优先级和时间片来调度所有任务，而且可以按照优先级的顺序选择挂起一 个任务，可以动态创建和删除所有的操作系统对象，比如任务、消息队列、管道 等。在调度任务时，如果任务可以抢占，则先调入优先级高的任务，然后轮流调 度优先级相同的任务，让它们分享时间片；否则就一直执行任务，直到任务放弃 时间片或者任务完成【1 5 , 1 6 。 n u c l e u s 系统的特性总结起来有以下几点：实时性较高，定时和中断管理可 靠，任务的执行相对独立，i o 管理简单吞吐量较大，可扩展性科r 丌。 对于研发人员，从软件产品化的角度来看，n u c l e u s 实时操作系统有着以下 好处：源代码可见，易学易用，功能模块丰富，性价比耐1 8 j 。 m t k 将手机芯片和软件平台整合，再集成较多的多媒体功能，形成解决方 案。这样，终端方案公司的成本大大降低，而且产品开发周期短，因而大陆的手 机方案公司普遍采用m t k 平台。 1 3 本文的章节安排 本文对m t k 平台的体系结构进行了系统的分析，研究了几种手机定位技术。 在此基础上，按照项目需求设计实现了g p s 模块相关功能，并且对g p s 定位模 块进行了调试和测试。论文的章节安排如下： 第一章，绪论。阐述了本论文的研究背景及意义，讨论了国内外主流手机平 台的发展与现状，并对全文工作做出安排。 第二章，g p s 定位手机总体设计。研究了m t k 平台的软硬件总体架构，并 对三种手机定位技术进行了详细的研究和比较，然后选用了g p s 定位方式设计 了定位手机的总体架构。 第三章，g p s 定位功能软件设计。根据第二章的总体架构设计，设计和实现 了g p s 定位模块的相关功能。实现的功能按层次可以划分为物理层，数据驱动 层和应用层，其中物理层采用的是g p s 芯片。另外，还就定位手机与服务器的 4 武汉理1 = 大学硕士学位论文 交互进行了设计。 第四章，g p s 定位手机调试与测试。利用平台的l o g 工具对g p s 数据进行 了检测，并用模拟器对用户界面的设计进行了调试，然后采用测试用例对g p s 定位模块进行了反复测试，并对测试结果作出分析。 第五章，总结与展望。对本文主要工作进行总结，并提出了本论文的不足之 处和进一步的研究方向。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g p s 定位手机总体设计 2 1 平台硬件架构 一个手机的硬件系统至少要包括基带( b a s e b a n d ) 、电源管理( p m c ) 、射 频( r f ) 三部分，在此基础之上，可以集成其他功能，附加的功能模块称为协 处理器应用( a p ) 。基带是核心部分，电源管理模块和射频模块都以基带为基础 来搭建。因此，通常以基带芯片来命名硬件平台。 本文所采用的是m t k 其中的一款芯片方案，主要由基带处理器m t 6 2 2 5 、 电源管理芯片m t 6 3 5 5 和射频芯片m t 6 2 2 0 这三个部分组成【1 9 1 。基带处理器控 制着整个系统，是系统最为重要的部分。电源管理电路主要是为整个系统供电， 还有充电管理。射频电路和外围天线构成了系统的收发信机。m t 6 2 2 5 平台的架 构如图2 1 所示。 万丽i i ooo i l ooo l l qq 鱼i d e b u g j t a g a u d i o i n t p u t a u d i o o u t p u t a l e t t e r o u t p u t ：g m a lm e m o r y s y sc l k i n t e r f a c e a f c b a s e b a n d a p c t x w 麟w b h k e y b a di n t e r f a e c l c d s u p p l ya 畎 b s i s i mi n t e r f a c eu a r t i n t e r f a c ev o l t a 2 e e d cg p i o s 司删侧蠹e n l 强 m o d u l e 图2 - 1m t 6 2 2 5 架构 m t 6 2 2 5 是基于双处理器结构，主处理器是a r m 9 ，另一个是数字信号处理 器( d s p ) 。主处理器主要运行g s m g p r s 协议软件，并控制s i m 卡读写，l c d 显示，键盘扫描，还有各个内部模块协调的工作。而d s p 则负责语音信号的编 解码、g s m 信道编解码这些对运算能力要求更高的工作。m t 6 2 2 5 主频为 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 4 m h z ，采用高性能的有硬件流控制的直接内存访问( d m a ) 方式l 刎，从而 降低了处理器负载，使得系统在数据移动速率方面有了明显提高，能够很好的处 理大量的数据传输。 2 2 平台软件架构 m t k 平台的软件设计的主要思想是模块化和层次化，整个平台的软件结构 主要由n u c l e u s 系统、协议栈、设备驱动、m m i 、w a p 和j a v a 应用等组成【1 2 j 。 如图2 2 所示： c a t c h e r 加三t a j a v a 删i焉陋 l 2 l 3 l 4p r o t o c o ls t a c k d r i v e rf l 1p r o t o c o ls t a c n u c l e 0 s 图2 2m t k 平台软件架构 平台的主要运行软件有以下几部分： 1 ) 操作系统：n u c l e u s 系统提供内核和网络协议的源码，内核简练，核心代 码大概2 0 k 左右，用户可以根据自己的需要进行裁剪。这个系统比较好管理， 因为产生中断的时候线程堆栈和系统堆栈是分开的，而且，中断的嵌套处理也并 不复杂。此外，平台还在底层操作系统上面设计了个内核抽象层，内核抽象层封 装了一些系统级接口，这些封装后的a p i 为消息队列，定时器，内存管理等提 供服纠1 3 1 。 n u c l e u s 系统的可移植性，良好的配置特性以及应用的广泛性使得m t k 平 台的维护变得相当容易，这是m t k 平台选用n u d e u s 作为底层操作系统的重要 原因。 m t k 平台并不直接去调用n u c l e u s 系统的底层接口，而是对n u c l e u s 做了个 内核抽象层( 的封装【1 0 1 ，如图2 - 3 所示。 7 武汉理工大学硕十学位论文 g s m 手机 g s m 手机 卜内核抽象层 y k e r n e la b s t r a c t i o nl a y e r 实时操作系统实时操作系统 n u c l e u s n u c l e u s 无抽象层带抽象层 图2 3m t k 对n u c l e u s 的封装 可以把地层看作是系统内核和应用层之间的适配层，该层保证了系统的 可移植性很好，而且它在内存管理，任务调度、同步与交互，定时器管理等方面 为所有系统级组件都提供了接口。为了降低在m t k 平台上进行应用开发的风险， 应用层在调用系统级接口时，是通过k a l 层的a p i 来调用的。 2 ) l 1 层协议栈：l 1 层即物理层，物理层协议栈是整个协议体系的最底层。 它遵循无线路径上的g s m 系列规范，可提供物理介质上的字节流传输，控制物 理信道到逻辑信道的映射，并控制时序，执行t d m a 的取帧和无线控制，可作 为系统和通信介质的接口为上一层提供服务。物理层各部分的逻辑功能如表2 1 所示： 表2 1 物理层各部分功能表 名称 功能 物理层异步逻辑接收和处理来自上层的请求消息，并将处理后的结果 发送给上层 物理层驱动数字信号处理以及无线控制 物理层控制控制无线环境中t d m a 的时序，处理功率控制命令 邻近小区搜索主要负责测量相邻小区的功率并获取对应的同步信息 3 ) 驱动程序：设备驱动的功能是控制所有m c u 外设，它为上层的应用程序 提供了统一的接口，这样，软件的可移植性会有所提高，从而缩短了开发周期。 8 武汉理工大学硕七学位论文 4 ) i ，2 1 3 l 4 层协议栈：本部分为上层应用程序提供g s m g p r s 平台，其中 包含了很多g s m g p r s 协议需求。 l 2 层即数据链路层，本层包含了各种数据传输结构，控制数据传输；l 3 层 即网络传输层，它是整个协议栈的核心部分，主要包括了移动性和安全性管理 ( m m ) 、通信管理( c m ) 、无线资源管理( r r ) 这三个部分1 1 4 j 。 m m ：当无线环境发生变化时，为了有效建立呼叫用户的过程，移动台会在 不同的网络蜂房中作出选择，这一部分会管理用户在位置更新时的位置数据。 c m ：该部分主要负责应答用户要求，建立用户之间的连接，保持连接和释 放连接，此外还有短消息业务管理和补充业务管理等功能。 r r ：该部分主要包含无线链路控制协议和媒质访问控制协议，负责建立物 理链路连接和逻辑链路连接、维持和释放。 l 4 层其实就是一个t a s k ，一般说来，在l 4 层之上的部分我们称之为应用 层或者上层，而在l 4 层以下的被称为底层或者下层。l 4 层所包含的子模块有： 调制调解命令解释器( a t c i ) ，l 4 适配层( l 4 a ) ，l 4 层的控制器( l 4 c ) ，驱动 相关的适配层( u e m a ) ，安全管理( s m ) ，电路交换协议栈管理( c s m ) ，接入 注册控( r a c ) ，电话簿相关的处理( p h b ) ，短消息应用服务层( s m s a l ) ，终 端文本管理( t c m ) 。图2 4 是l 4 层的结构示意图【1 引。 三j 亘 图2 4l 4 层的结构示意图 5 ) m m i ：即人机交互，顾名思义，它负责机器和用户之间的交互，主要包 含界面显示部分以及各个功能模块的逻辑控制部分。m m i 处于整个软件系统的 9 武汉理工大学硕士学位论文 最高层，它对用户的各种命令进行解释而后将消息发送到相应的模块去处理，同 时以界面友好的方式把系统消息或者系统状态反馈给用户，这些由管理人机界面 交互的任务去实现。 在g p s 定位手机的研发过程中，软件部分的设计和开发工作主要集中在 m m i 层，所以，对平台m m i 层的理解和分析是实现g p s 模块功能的基础。 m m i 主要负责和用户的交互，在有需要的时候它可以调用其它模块( 比如 驱动层) 的接口。操作系统内核、协议栈及文件系统之上的所有部分几乎都属于 m m i ，从图2 5 可以看出m m i 主要由应用程序( a p p ) 、用户图形接u ( g u i ) 、m m i 内核( m m k ) 、m m k 与l 4 层协议栈的接口和g u i 与l c d 驱动的接口这些部 分组成1 1 8 j 。 图2 5m m i 模块组成示意图 a p p ：该部分实现具体的应用功能，比如短信、通讯录、音乐播放器、电子 书等，体现给用户界面显示和方便快捷的操作。m m k 提供的消息机制和窗口管 理机制是应用实现的基础，而对于m m k 的内部细节，应用则不必关心，只需要 关心本模块内部的消息回调是怎么实现的就可以了。 g u i ：它是人机交互的图形界面实现，比如包括文字、图形、图像。g u i 抽 象封装了图形操作接口，应用一方面可以直接调用a p i 来绘制基本图像，另一方 面也可以利用g u i 控件( 如文本控件、列表控件、菜单控件等) 来实现标准图 形数据的创建，显示，控制和销毁。g u i 控件的实现同样是基于m m k 的。 m m k ：即m m ik e r e n l ，它是平台的应用软件框架，主要作用是窗口管理和 消息的派发。窗口管理模块主要负责应用、窗口、控件的创建、显示、控制和销 毁等，而消息派发则负责派发内部消息和外部按键、触笔、定时器以及其它任务 发送给m m i 的消息。 m m k 与l 4 层协议栈的接口也就是整个m m i 层与应用提供者之间的桥梁， 它们之间的通信是通过消息由任务机制来完成的。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 g u i 与l c d 驱动的接口，也是m m i 与硬件的接口。g u i 要对l c d 硬件进 行操作，要先与l c d 驱动通信，然后再通过驱动与硬件设备连接g u i 与l c d 驱动之间得通信是通过接口和消息进行的。 2 3 定位方式的选择 2 3 1g p s g p s 全称为g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，即全球定位系统。简单地说，g p s 是一个由运行轨道覆盖全球的2 4 颗卫星所组成的定位系统。它由美国在2 0 世纪 7 0 年代开始研制，经过2 0 多年的不断实验，至1 9 9 3 年1 0 月，2 4 颗卫星己完成 布设，覆盖全球高达9 9 的地区，总耗资约2 8 0 亿美元【2 4 1 。任意时刻，在地球 上任意地点都可以至少观测到4 颗卫星，这样，卫星就能够采集到该观测点的高 度和经纬度，以便在全球范围内实现实时定位、导航等功能。具体来说，g p s 全球卫星定位系统由以下三个部分构成瞵】： 1 ) 空间部分：由2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成，它们位于地球上空， 距地表约2 万千米，均匀地分布在6 个轨道面上。卫星的分布方式确保任任意时 间在全球任何地点都可观测到4 颗甚至更多数量的卫星，这些卫星可以保存定 位信息。 2 ) 地面控制系统：由主控制站、监测站和地面天线组成。主控制站控制着 整个地面部分，地面天线主要是采集卫星传送回来的信息，检测站则计算与卫星 的相对距离、卫星星历以及大气摩擦的校正数据等。 3 ) 用户设备：即卫星信号接收机。它的主要功能是捕获卫星信号，跟踪这 些待测卫星的运行，测量接收天线和卫星之间的距离以及距离的变化率。接收设 备中的处理器就可以根据这些数据来计算出用户所处地理位置的经纬度、移动速 度、海拔高度等信息。 g p s 的特点：定位精度高，定位时间短，覆盖面广，全天候工作，测站间无 须通视，应用广泛等。 2 3 2 三种手机定位技术的比较 如今，手机定位技术主要有基于g p s 的定位、基于运营商网络基站的定位、 辅助g p s 定位( a g p s ) 这三种方式【矧。 1 ) 基于g p s 的定位 通过g p s 来定位的手机需要有g p s 天线和g p s 芯片，g p s 芯片把位置信息 交给基带处理，而后在地图模块显示出来。这种定位方式的精度一般在1 0 0 米以 武汉理工大学硕士学位论文 内，甚至更精确i2 6 1 。其优点是速度较快、定位较精准，而且不会产生额外的费 用；缺点是对卫星的依赖性较强，有盲区，比如在室内可能无法精确定位。 2 ) 基于运营商网络基站的定位 与g p s 定位方式不同的是，这种定位方式不需要对现有的手机作任何改变。 不同运营商的网络基站定位在定位算法方面有所不同，下面就以移动的蜂窝小区 ( c o o ) 定位为例来介绍基于运营商网络的基站定位。 移动主要通过g s m 无线通信网的蜂窝小区来定位，每一个蜂窝小区都有自 己的i d ，因此通过手机所在蜂窝小区的i d 就可以得知手机所在大致区域。这种 方式根据蜂窝小区的基站信号覆盖范围来确定手机的大概位置，所以蜂窝小区的 基站分布密度对定位精度有着比较大的影响。在信号较好的市区，定位精度一般 在1 5 0 米左右；而在郊区，由于信号一般较差，精度范围一般在3 0 0 米到8 0 0 米左右。这种定位方式有着定位时间短、手机不需要改动等优点，但是定位精度 较低【2 9 】。 3 ) 辅助g p s 定位 辅助g p s 定位( a - g p s ) 是一种运营商网络与g p s 相结合的定位技术【硎。 这种定位技术首先要在手机里增加g p s 模块，对手机天线进行改造，还要在运 营商网络上加建位置服务器等设备。这种定位方式可以有效克服以上两种方式的 缺点，相较于基站定位，g p s 信号可以提高定位精度；相较于g p s 定位，基站 网络可以增加室内等盲区的定位精度。但是这种定位方式的手机需要有相应的模 块，并且消耗网络流量，成本较高。 表2 2 对以上几种定位技术进行了比较。 表2 2 三种手机定位技术比较 g p s运营商网络 a g p s 定位原理卫星定位，精度高网络基站定卫星+ 网络基站，精度更高 位，精度低 定位实现由于采用终端计算，网络计算，速终端采集+ 网络计算，一颗卫 速度比基站定位慢；度快，效果不星+ 一个基站即可精确定位， 对卫星的依赖强( 至好，无法精确没有卫星仅通过基站也可以实 少四颗卫星)定位现三角定位；速度慢 终端需求g p s 手机普通手机如g p so n e 手机 使用费用免费一般收费较高收费 覆盖范围有盲区，特别是室内 信号差的地方盲区少，室内外均可 有盲区 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 基于以上分析对比，g p s 定位方式精度高，速度较快，不需要消耗网络流量， 费用低，所以本论文采用g p s 技术进行定位。 2 4 总体架构设计 通过g p s 来定位的手机需要有g p s 天线和g p s 芯片，g p s 芯片把获得的数 据交给基带，基带与服务器进行数据交互，而后把处理后的数据传到应用层，在 地图模块显示出来。g p s 芯片与基带之间是通过串口来通信的，定位手机与服务 器进行的交互主要通过两种方式，一是s m s 方式，另一种是g p r s