基于ARM的嵌入式GPS通讯.

1、辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第I页I基于ARM的嵌入式GPS通讯摘要由于全球定位系统在航天、航空、航海、海洋上程、大地测量、陆地导航以及军事上的大量运用及其广阔的应用前景，使得GPS定位导航系统成为国内外相关领域竞相研 究的对象。本文提出了一套结构完整的基于ARM处理器、开源嵌入式linux系统和开放 式地图数据来构建嵌入式GPS地图定位导航系统的设计方案。基于GPS的卫星定位技 术，可以将移动目标的动态位置（包括经度和纬度）、时间、状态等信息通过无线通信链 路实时传送到监控中心，从而在电子地图上显示出移动终端运动的轨迹，并对终端的位 置、速度、运动方向、报警信息等用户感兴趣的参数进行监

2、控和查询。本文提出一种基 于ARM的嵌入式自动定位系统，具有占用资源少、高性能、高可靠性及可配置的特点， 并可以成功移植到多种硬件和操作系统平台上。在构建系统软硬件平台的基础上，通过 研究GPS地图定位导航关键理论和技术，包括定位数据协议分析，系统数字地图选择， 坐标转换，矢量地图的可视化和漫游、缩放等操作，设计和开发上层GPS、地图软件模 块，从而实现GPS地图定位导航功能。关键词：全球定位系统；数字地图；定位导航；Linux；ARM辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第II页IIBased on the ARMfembeddedGPScomm un icatio nsAbstractAs t

3、he global positioning system in the aerospace,aviation, marine, ocean processes,geodesy, la nd n avigati on, and exte nsive use of its military broad applicatio n prospects, makingthe GPS positioning and navigation system into the field of competing domestic and foreig nobject of study. This paper p

4、rese nts a structured ARM-based processors, ope n sourceembedded linux system and the open map data to build an embedded GPS positioning and navigati on system map desig n. Based on GPS satellite positi oning tech no logy, the dyn amiccan be a moving target position (longitude and latitude), time, s

5、tatus and other information transmitted in real time via wireless com muni cati on link to the mon itori ng cen ter, which isdisplayed on the electronic map of the trajectory of the mobile terminal movement, And theterminal positi on, velocity, directi on of moveme nt, alarm in formatio n of in tere

6、st to users to monitor and query parameters. This paper prese nts an embedded ARM-based auto-positi oningsystem, with a small footpri nt, high performa nee, high reliability and con figurable features, andcan be successfully ported to a variety of hardware and operating system platforms. Buildi ng t

7、hesystem hardware and software platform, based on the GPS map n avigati on by study ing thecritical theory and tech no logy, in clud ing the positi oning data protocol an alysis, system digitalmap to select, coord in ate conv ersi on, vector map visualizati on and roam ing, zoo ming andother operati

8、 ons, desig n and Developme nt of the upper GPS, map software modules, en abli ngGPS map n avigatio n fun cti on.KeyWordsGlobal positio ning system; Digital map; Orie ntation navigatio n; Lin ux; ARM辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第III页IV目录1绪论.11.1选题背景.11.2系统开发的目的及意义 .11.3嵌入式系统的现状及发展状况 .21.4嵌入式系统概述与ARM微处理器 .31.4.1

9、嵌入式系统的定义 .31.4.2嵌入式系统分类.31.4.3嵌入式系统的特点.41.4.3 ARM简介.52需求分析.62.1可行性分析.62.1.1技术可行性分析 .62.1.2经济可行性分析.62.1.3使用可行性分析 .72.1.4法律可行性分析.72.2需求分析的任务和目的 .73开发环境介绍.93.1嵌入式系统科研平台 .93.2开发平台简介.93.3 UP-TECHPXA270-S开发平台逻辑图 .104概要设计.11辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第VI页V4.1 GPS原理及定位说明 .114.1.1 GPS概述.114.1.2 GPS接口.134.2系统总体功能分析 .15

10、4.3系统硬件平台设计.164.4系统软件平台设计.175详细设计与实现.205.1NMEA0183协议格式分析 .205.2串口I/O应用开发 .205.3GIS地图子系统设计.215.3.1系统数字地图 .215.3.2地图数据的读取.215.3.3地图数据对象模型设计 .225.3.4地图数据坐标转换处理.225.3.5矢量地图的表示 .235.3.6地图的漫游和缩放 .245.3.7系统软件模块集成 .245.4GPS子系统实现.256测试.34.6.1测试目的.346.2软件测试的内容.346.3测试结果.34辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第VI页VI6.3.1功能测试.346.

11、3.2性能测试.34633子模块的测试.356.3.4综合测试.356.4测试结果分析.35结论.36.致谢.37.参考文献.38辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第1页101 绪论1.1选题背景下面详细分绍一下GPS技术、嵌入式系统及ARM微处理器。应用的一部分，使用计 算机对企业单位的各项信息进行管理， 具有着手工管理所无法比拟的优点。例如:检索迅 速、查找方便、可靠性高、存储量大、保密性好、寿命长、成本低等。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经 融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美

12、国政府宣布2000年至2006期间，在保证 美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到 改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技 术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。1.2系统开发的目的及意义从美国的GPS全球卫星定位系统开始，这项以位置信息为聚焦点的技术逐渐进入了 人们的视野，并受到了极大的重视，发

13、展速度迅猛。定位技术不仅对国家安全、军事发 展有着战略性的意义，而且通过与现有的商业应用服务相结合， 为广大民众提供了一种 基于位置信息的新型现代服务模式，带来了新鲜的用户体验，并逐步渗透到人们日常生 活的方方面面，正在成为生活中不可缺少的一种服务。近十年来互联网的飞跃式发展，在引领了第三次信息产业革命的同时，也带来了其 中诸多问题和隐患，其中的信息安全和网络安全问题就是一个明显例子。尤其是伴随着 移动宽带接入技术的普及和发展，无线宽带网络安全隐患更是让政府相关监管部门和企 业感到忧心忡忡。在这样的背景下，考虑无线宽带网络的自身特点和安全防护需求，定位技术与网络安全技术相结合所产生的基于位置信

14、息的安全防护技术应运而生，而且必辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第2页10将有着广阔的发展空间和应用前景。嵌入式GPS地图定位导航系统是综合运用GPS定位技术、GIS地理信息技术和嵌 入式系统等多种高新技术的应用系统，能够为用户提供随时随地的定位、导航和授时服 务。近几年涌现出大量的GPS定位导航设备以及解决方案，被广泛地应用到城市智能 交通管理、现代物流调运、车辆监控等领域，极大地改善了人类的生产和生活，推动了 信息化社会的发展。但目前嵌入式GPS定位导航系统从系统平台、开发环境到地图数 据、应用软件等几乎都处在一个商业化的封闭的环境下，造成了开发成本昂贵，安全性 低，扩展性差，数据更新和

15、交换困难，缺乏软件自主权等问题。因此本文通过研究嵌入式GPS地图定位导航系统的相关理论、方法和技术，提出 一套结构完整的基于ARM/linux的嵌入式GPS地图定位导航系统的设计方案及其实 现。对设计和开发基于开放系统平台和数据标准的， 安全、稳定、低成本的嵌入式GPS地图定位导航。1.3嵌入式系统的现状及发展状况嵌入式系统无所不在，它几乎包括了我们周围的所有电器设备：掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、上网手机、多媒体、汽车、微波炉等家庭自动化系统、电梯、 安全系统、自动售货机、医疗系统、立体音响、蜂窝式电话、自动取款机等等。据统计， 每年只有10%20%的计算机芯片是为台式或便携式电脑而

16、设计的， 这也意味着每年有1030亿CPU是为嵌入式系统设计制造的。越来越多的设备需要复杂的嵌入式操作系 统，因此为了适应嵌入式设备的复杂性和多样性，缩短其开发周期，嵌入式系统应运而 生。中国有世界上最大的家用电子产品消费市场，彩电、VCD、游戏机、学习机的拥有数量都居世界第一。随着消费结构的改变，人们对家电的灵活性和可控性提出了更高的 要求：这些只能通过家电的数字化和网络化来实现；随着电话通信费用和通信类电子产 品的价格进一步下调，PDA结合数字手机将成为今后个人数据通信和事务处理的最佳选 择；同时，对于现代化的医疗、测控仪器和机电产品也需要有专用的嵌入式系统软件的辽宁科技大学本科生毕业设计

17、(论文)第3页3支持。这些需求都极大地刺激了国内嵌入式系统的发展和产业化过程。1.4嵌入式系统概述与ARM微处理器1.4.1嵌入式系统的定义根据IEEE ( In stitute of Electrical a nd Electro nics En gi neers)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”，这主要是从应用上加以定义的。目前 国内普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。它一般由 嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分

18、组成， 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。1.4.2嵌入式系统分类由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式 特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它一个明确的定义。因此，目前通常把嵌 入式系统概念的重点放在操作系统上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。根据不同 的分类标准嵌入式系统有不同的分类方法。依据系统是否必须作为独立单元工作或必须 具有网络功能，是否必须执行实时操作的标准，可以将嵌入式系统大致分为如下类型。1、单机嵌入式系统单机嵌入式系统以单机方式工作，获取输入并产生输出。输入可以是来自传感器的 电信号，或者是来自人的命令，比如按下按钮。输出可

19、以是驱动另一个系统的电信号， 或者是为用户显示信息的LCD(Liquid Crystal Display)显示。在制造厂和汽车厂里很多用 于过程控制的嵌入式系统可以被划入此类。在过程控制系统中，输入来自传感器，传感 器将温度等物理信号转换为电信号，电信号成为能够控制阀门等设备的输出。在一些单 机系统中，执行某项特定任务的响应时间不是至关重要的。2、实时嵌入式系统有些嵌入式系统被要求在指定的时间内完成特定的任务。这样的系统被称为实时嵌辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第4页10入式系统。例如，例如当潮湿度超过特定阈值的时候，必须30毫秒内打开阀门的系统。 如果该任务未能30毫秒内完成则可能产生严

20、重的后果。这种必须严格符合实时约束条 件的系统被称作“硬实时嵌入式系统”。还有很多系统有实时要求，但是对实时的要求 不强，例如语音通信系统，语音包的延迟只会造成短暂的静默，不会有什么严重的后果， 类似的这种系统被成为“软实时嵌入式系统”。3、网络设备有些嵌入式系统与一个网络相连接，该网络通常是基于TCP/IP（Tra nsfer Con trolnProtocol/I nternet Protocol）协议族的，比如In ternet或者一个公司的企业内部互联网。这 些系统能够监控某些参数（比如温度和压力）并将数据通过网络传送到中央系统实现在线 监控。一个典型的例子就是对制造工厂的设备进行监控

21、的系统。该系统通过TCP/IP网络将数据传送到中央管理系统，中央管理系统可以时运行Web浏览器的PC机。这些系 统又被称为“In ternet信息设备”。4、移动设备随着能够支持极高速率的无线网络的出现，移动设备除语音服务外还能支持高速数 据服务。这些设备需要运行功能强大的移动操作系统别从网站下载信息。现场人员可以 使用像手提电脑和掌上电脑这样的设备完成数据采集，所输入的数据保留在本地存储器中，随后上传到公司的数据库中。这些设备都要求有功能强大的处理器和操作系统以及 比较低的功耗。1.4.3嵌入式系统的特点大体上看，嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比有一下几个主要的不同点：1、 嵌入式系统通

22、常是面向特定系统应用的。嵌入式处理器大多数是专门为特定应用 设计的，通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点，一般是包含各种外围设备接口的 系统。2、 嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业。它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。3、 嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。只有这样才能适应嵌入式系 统的应用需要，在产品价格性能等方面具备竞争力。4、嵌入式系统的生命周期相当长。当嵌入式系统应用到产品以后，还可以进行软件 升级，它辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第5页10的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。5、嵌入式系统不具备本地系统

23、开发能力，通常需要有一套专门的开发工具和环境。143 ARM简介ARM是一种基于RISC（精简指令集计算机）构建的通用的32位微处理器。RISC是一种 设计思想，目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。重 点在于降低由硬件执行的指令的复杂度，这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和 更高的智能。 因此，RISC设计对编译器有更高的要求。 相反， 传统的复杂指令集的计算 机则更侧重于硬件执行指令的功能性，使CISC指令变的更复杂。ARM公司是业界领先 酌16/32位嵌入式处理器技术提供商，其产品占领了约75%的RISC处理器市场。ARM处理器核具有性能高、成本低和消耗小的

24、特点，由于市场占有率高，应用广泛，ARM处理器的某些标准已经成为便携式通信设备、手持计算机、多媒体数字消费等嵌入式解 决方案中事实上的标准。辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第6页62 需求分析需求分析是对用户提出的软件功能、性能等应用问题及其环境进行分析与理解，采 用一系列的分析方法和技术，把系统分析阶段产生的系统规格说明和项目规划逐步精确 化、完全化、一致化，借助于当前系统的逻辑模型导出目标系统逻辑模型，最终形成需 求规格说明文档的过程。2.1可行性分析可行性分析不是去开发一个软件项目，也不是解决问题。而是分析这个软件项目是 否值得去开发，其中的关键和技术难点是什么，问题能否得到解决，怎样

25、达到目的等。 可行性分析的主要内容包括技术可行性分析，经济可行性分析，是有可行性分析和法律 可行性分析。2.1.1技术可行性分析嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统是目前最流行的一 种连接软件与硬件的系统，功能及其强大。随着信息技术的发展和数字化产品的普及，In teract得到广泛深入的应用；从消费电器到工业设备，从民用器材到军用器材，嵌入式 系统设备应用到网络、手持通信设备、国防军事、消费电子和自动化控制等各种领域。 嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力使其成为21世纪的应用热点之一。嵌入式系统

26、通常是面向特定应用的，然而，嵌入式系统本身不仅与一般PC上的应用系统不同，而且针 对不同的具体环境而设计的嵌入式应用之间的差别也很大。由于嵌入式系统的专用性和 多样性，在嵌入式系统上部署Linux系统一般都需要进行大量的繁琐的移植工作，因此， 探索在特定嵌入式平台上构建定制嵌入式Linux系统的一般原理和方法，可以减少移植工作的盲目性，加快嵌入式Linux主要研究内容到目标平台的移植进度，加速产品进入市场的时间(Time to Market)。2.1.2经济可行性分析嵌入式LINUX系统是早期就被大家熟悉的一种简单的操作系统，运用C/C+等基础语言。这无疑给本系统节省了一笔开销。软件系统开发中

27、的费用主要包括：系统开发 使用的软硬件费用、人员费用和系统运行时的软硬件费用等。由于GPS定位导航系统辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第7页10原有的硬件设施很完善，整体达到系统运行的要求并不需要很大的软硬件投入。因此， 新系统使用后不需购置硬件，硬件的升级费用也非常低。总之，系统开发所获得效益将远大于系统开发所需的费用，所以GPS定位导航系统的开发在经济可行性方面是可行的。2.1.3使用可行性分析该系统界面设计清晰，操作简洁、方便，有完善的异常处理机制，首次使用本系统 的用户可参照帮助文档使用本系统，使用方面可行。2.1.4法律可行性分析本系统没有违反国家相关法律，法律方面可行。2.2需求

28、分析的任务和目的GPS定位导航系统需求分析的范围主要包括军用和民用。民用就像汽车导航仪，手机导航等。军用譬如导弹制导等。嵌入式GPS地图定位导航系统是综合运用GPS定位技术、GIS地理信息技术和嵌入式系统等多种高新技术的应用系统，能够为用户提供随时随地的定位、导航和授时服务。近几年涌现出大量的GPS定位导航设备以及解决方案，被广泛地应用到城市智能交通管理、现代物流调运、车辆监控等领域，极大地改 善了人类的生产和生活，推动了信息化社会的发展。但目前嵌入式GPS定位导航系统从系统平台、开发环境到地图数据、应用软件等几乎都处在一个商业化的封闭的环境下， 造成了开发成本昂贵，安全性低，扩展性差，数据更

29、新和交换困难，缺乏软件自主权等 问题。因此本文通过研究嵌入式GPS地图定位导航系统的相关理论、方法和技术，提出 一套结构完整的基于ARM/linux的嵌入式GPS地图定位导航系统的设计方案及其实 现。对设计和开发基于开放系统平台和数据标准的，安全、稳定、低成本的嵌入式GPS地图定位导航系统作出有益的探索。随着3G时代的到来又为移动定位技术的发展开启了新的篇章。数据传输能力的提 高，终端多媒体能力的普及以及终端芯片中内置GPS方案的出现，针对移动定位技术 的限制越来越少。目前，全球范围内普遍使用的3G移动定位技术主要有4种，分别是 基于网络的CELL-ID，TOA/TDOA定位技术，基于终端的O

30、TDOA定位技术以及网络 与终端混合的A-GPS辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第8页6定位技术。移动定位技术的飞速发展和全球移动用户数量的迅猛增长，也为基于用户位置的移动定位业务(Location Based Service, LBS)提供了前所未有的发展机遇和极其诱人的 市场前景。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第9页103 开发环境介绍3.1嵌入式系统科研平台In tel公司推出的PXA270微处理器具备强劲的处理能力，独一无二的WirelessMMX技术和先进的SpeedStep动态电源管理技术，使得PXA270强劲的多媒体处理能 力与独特的节电技术均处于业界领先地位。深圳市亿道电

31、子技术有限公司推出基于In tel PXA270的SophiaSandgate I评估板，提供丰富的软硬件资源。3.2开发平台简介基于In tel XScale架构的两款高端嵌入式系统教学科研平台UP-TECHPXA255、UP-TECHPXA270A和UP-TECHPXA270-S。其中UP-TECHPXA255采用In tel XScale架构PXA255嵌入式微处理器，UP-TECHPXA270A和UP-TECHPXA270-S基于In tel XSCALE架构最新的PXA270嵌入式微处理器。PXA270最高主频可达624MHz，加 入了Wireless MMX技术，大大提升了多媒体处

32、理能力；同时PXA270还加入了In tel SpeedStep动态电源管理技术，在保证CPU性能的情况下，最大限度地降低移动设备 功耗。PXA270可以广泛应用于PDA、智能手机、PMP产品中。UP-TECHPXA270系列教学科研平台主要是面向计算机、软件专业的高端平台，微 处理器主频稳定运行在520MHz，采用13X13mm VFBGA封装，内部集成iwmmx指令， 加速处理器对多媒体数据的处理速度。可运行Linux 2.4.x和Linux 2.6.x内核，支持QT/E、mini GUI等嵌入式图形界面，提供完整的驱动和应用程序。既适合作为计算机、 软件等专业开设嵌入式软件课程的教学平台

33、，又适合广大从事PMP、PDA、智能手机的厂商和科研单位作为参考设计平台。UP-TECHPXA270-S教学科研平台由处理器核心板、主板及LCD三部份组成。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第10页103.3UP-TECHPXA270-开发平台逻辑图图3.1开发平台逻辑辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第11页114 概要设计4.1GPS原理及定位说明4.1.1 GPS概述GPS( Global Positioning System全球定位系统)是美国从本世纪70年代开始研制, 历时20年，耗资200亿美元，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力 的新一代卫星导航与定位系统。GPS的

34、主要优点包括：(1) 全球，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。(2) 定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。(3) 功能多，应用广：目前已广泛的应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地 壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等学科领域。GPS由三个独立的部分组成：空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处 理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线

35、和电源组成。GPS定位原理：GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空 间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安 置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间厶t，再加上接收机所接收到的卫 星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第12页10HS2卫屋3（X1 -x）2+（yi努+（Z -z）2 昭0（吻-H）=di（X2 -x） 2+2 -yf+（Z2-Z）2 叫c（悅旷Hd2 （X3-X）2+3-yy+（Z3-Z）2叫C（tV%）=d3 （X4 -x）2+（y4-疔+（sz）2 Wc

36、（Tr H,d4上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di=cAti （i=1、2、3、4）。di （i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti （i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的 时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。xi、yi、zi （i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角 坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i （i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟

37、的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。目前GPS系统提供的定位精度是优于10米， 而为得到更高的定位精度， 通常采用 差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第13页10标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接 收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改 正，从而提高定位精度。4.1.2 GPS接口在UP-NetARM3000平台上所选配的GPS模块是GPS15L/H。接口特性如

38、下：RS-232输出，可输入RS232或者具有RS-232极性的TTL电平。可选的波特率为：300、600、1200、2400、4800、9600、19200。GPS15与PC串口的连接见示意图如下：，白錮：备用电澜输入 卩）红线；电源*.、（引黄塢：数捋出蓝熱数播入榕色天缆外酣吐粧图4.1.2串口连接示意图串口输出协议：输出NEMA0183格式的ASCII码语句，输出:GPALM , GPGGA, GPGLL,GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG（NMEA标准语句）；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV（GARMIN定义的语句）。还可将串口设置为输

39、出包括GPS载波相位数据的二进制数据。输入：初始位置、时间、秒脉冲状态、差分模式、NMEA输出间隔等设置信息。在缺省的状态下，GPS模块输出数据的波特率为4800,输出信息包括：GPRMC、GPGGA、GPGSA、GPGSV、PGRME等，每秒钟定时输出，如下图所示。W (+)电源保险1AGPS 15与串口连接示意图-e7DB-9孔狀串口接头PIN 5：GROUNDPIN 3 DATA OUTPIN 2 DATA IM辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第14页10聲an-瞬终箱7冋区_ i _ E _文件电）鼎W查看迥盹）传馳）WQE）$PGRMB02O0KN脑28tPGRHH.HGS 8何6

40、(GPRHC, 004857,7,3851.3330, N ,09如.9410010112,003,3PE*70tGPGGH. 004857.3851.3330, N. 09U719410. H, 8.0011. H. H, ,4F$GPGSfl?fl,l.,*1E$GPGSV,34,12,01,90,009,00,02,00.000,00,03.00,000,00,64,00,000,00*70$PGRMEM.M用00$PGRMB02册KN腹28PGRHH,WGS 84*06tGPRHC5004858, V, 3851.3338 M, 9%47.%10,1L, 810112,003.3fE-

41、7F$GPGGfl, 904858,3851.3330 N的弘7弘10出0 00 IL MO iGPGSAfA,l*1E$GPG$V ,3 212,050MO削6風000,07妙刖0妙,08 M卿何7 $PGRME,JM,tHf,N*00$PGRMBQ0,2O0,KN加28tPGRHH.HGS 84*86tGPRHC, 084859 M 3851.3330 ,N, 09447.9410,11,f,010112,003.3hE*7Ef GPGGR, 004859,3851.3330, NT09U7.9U0. H, 0, N.T. NT. H,r41tGPGSflil,.i ,*1EiGPGSV,

42、3,3,12,09,00,000,00.10,00,000,00,11,00,000,00,12,00,000,00-71 $PGR归MM用00$PGRMB02Q0KN脸28tPGRHH.WGS 84-86AHSI?4800 8-1-19CEDLL福.打印在具体的应用场合，有时会要求模块输出不同的波特率，或输出其他语句信息，因 此，需要通过相应软件修改GPS模块的缺省配置。在这里，我们使用模块自带的设置 软件SNSRCFG.exe见下图：=辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第15页104.2系统总体功能分析本系统的功能框图如图所示:辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第16页10本系统主要实现的

43、功能是通过GPS信号接收模块获取终端当前位置的GPS卫星信号，交由GPS数据处理模块处理，获得当前位置的准确定位信息（包括经纬度、高 度、速度、方向和时间等）；由GIS地图处理模块负责读取保存在存储介质中的矢量数 字地图，并进行坐标、投影等相关转换处理，最后将地图绘制到显示设备中；GPS数据处理模块输出的定位信息可以在数字地图上直观地显示出当前位置，起到可视化定位导航的目的；用户同时可以在地图浏览模式下对地图进行平移和缩放等操作来查看地 图。系统提供图形用户界面GUI，在屏幕上以图形化的方式显示地图和数据，提供给用 户人机交互接口。4.3系统硬件平台设计本系统硬件平台方案中，采用基于ARM92

44、0T内核的S3C2410作为系统的嵌入式处理器，其在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的性能，它的处理能力能够满足GPS/GIS数据处理等复杂应用的要求。且有很好的软硬件及操作系统支持，提供了全面图4.2系统功能框图辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第17页10的、通用的片上外设，大大降低了系统的成本。存储设备中，使用64MB的SDRAM作 为内存储器，满足操作系统内核及应用程序运行的空间要求。使用64MB的NANDFLASH为外部存储器，负责保存启动代码、操作系统内核映像、根文件系统和其他系 统文件。考虑到数字地图和其他资料等外部大容量文件存储的需要，提供SD卡、USB设备等扩展接口，USB

45、Host接口还可用于向FLASH中读写数据。系统提供两个RS232标 准的串口，其中串口1用于连接GPS接收模块，获取GPS定位数据，串口2用于系统 控制台调试功能。使用带触摸屏的TFT-LCD，显示定位和地图信息，提供图形界面方便 用户控制。系统电源以12 V电池为主要供电方式，同时提供交直转换接口、复位电路。 此外还包括CS8900 10M网卡扩展设备上网功能、用于系统调试的JTAG接口及其他各 类根据功能需求扩展的外部设备。本系统硬件平台组成如图所示：图4.3系统硬件平台组成示意图4.4系统软件平台设计辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第18页10依据功能将系统软件平台层次分为硬件抽象层

46、HAL/BSP、嵌入式操作系统Kernel、设备驱动层、中间件层、应用平台层和应用层等。系统软件平台的体系结构组成如图所示。BSP负责系统的初始化和操作系统内核的启动。本文选择并移植经典的开源bootloade和驱动的方案，作为本系统的硬件抽象层，这种方案更灵活高效、功能更强。操作系统内核负责处理器管理、存储器管理和进程调度等，其系统调用为应用层提 供操作硬件的接口和开发API。本文选择嵌入式Linux操作系统，它遵循GPL完全源代 码公开，免费成本低，有大量的应用软件和优秀的开发工具支持，内核稳定而精悍，运 行所需资源少，方便裁剪定制，支持广泛的硬件平台。目前基于Linux的嵌入式GPS/G

47、IS的产品相对较少，因此是本文研究的一个重要意义。Linux内核中有很大一部分代码是各种设备的驱动程序，它对大多数已有的各类硬件设备提供了广泛的驱动支持， 并且更新很快。 我们只需要开发或移植系统中特定型号 设备如LCD、触摸屏、网口等的驱动程序即可，非常方便。rApplication (GPS、GIS App)1Application Platform (Qtopia)厂Middleware (GUI、LIB)JrDevice Drivers、广、Linux Kernel、HAL BSP (bootloader drivers)_丿J基砒软件平台辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第19页10

48、中间件层主要有文件系统filesysytem、图形用户接口GUI等。文件系统对系统中 包含的大量各种文件进行管理。GUI负责GIS地图显示和图形用户界面等涉及复杂图形图像处理的应用，选择Trolltech公司研发的面向嵌入式系统的Qt版本Qte,它是一个 专门为小型设备提供图形用户界面的应用框架和窗口系统，也是完整的自包含的C+GUI和基于Linux的嵌入式平台开发工具，提供了丰富的可定制的窗口部件和的图形界 面。应用平台采用建立在Qt/E之上的Qtopia，它是一个类似桌面系统的应用环境，为 基于Linux操作系统的智能终端提供了一个完整的图形环境。包括一系列常见的实用程 序，以及核心的应用

49、框架和插件系统。可以使用其提供的API和工具开发上层的应用程 序。用户应用程序层负责具体的业务逻辑，实现系统各项应用功能需求。在本系统中该 层最主要的就是实现GPS定位信息的接收和处理，以及GIS数字地图两大核心业费信 息功能，并提供图形用户界面。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第20页105 详细设计与实现5.1NMEA0183协议格式分析本系统选用Compass Systems公司生产的GM611型GPS信号卫星接收机，它具有 标准的NMEA-0183格式的定位数据输出。NMEA-0183协议是目前GPS接收机上使用 最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都

50、遵守或兼 容这个议。GPS接收机根据NMEA-0183协议的标准规范，以ASCII码的形式将位置、 速度等信息通过串口传送到外部设备。NMEA0183协议定义的语句中最常用兼容性最广的有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等，它们定义 了6种数据帧类型， 每种数据帧都包含了有关当前位置的详尽的定位信息， 通过提取和 解析相关数据帧，即可获取当前所在点的位置信息。 所有NMEA数据帧格式均以ASCII码“$开始，以回车换行符（即vLF）结束，ASCII码“$后是一个5字符的标志 符，信息中的数据区是由ASCII码的逗号来划分界限，ASCII码“*”后

51、的为校验和。 本系统实现定位导航功能只需获得所在位置的经度、纬度、速度、方向、时间等GPS定位数据，因此只需对GPRMC（推荐最小定位信息）数据帧进行提取和解析。如图所示是GPRMC数据帧的格式tGPRMC,063544,R,3203.4996,N*118453568000.9,097.6.139108- .fi*7D图5.1 $GPRMC帧的格式5.2串口I/O应用开发本系统的GPS接收机通过RS-232标准的接口与开发板的串口连接，进行输入/输出 通信。因此要获取GPS定位数据，就要在嵌入式linux环境下开发GPS应用程序，通过 串口I/O操作，与GPS接收机进行数据交互。移植的嵌入式L

52、inux 2.6.16内核源码中包含了完整的串口驱动程序，串口驱动程序 通过ttyS设备进行注册，其中串口1、串口2对应的设备名依次为“/dev/ttySO、“/dev/ttyS1。对串口的操作就跟普通文件一样。GPS串口I/O的应用开发流程包含以下几个步骤：首先调用open函数打开串口；接下来设置串口属性为：波特率4800bps,数据位8位，停止位1位，无校验位；然后调用read/write函数读写串口；最后待所有操作 结束后调辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第21页21用close函数关闭串口。5.3GIS地图子系统设计GIS地图子系统最主要的是实现数字地图的功能。 该模块负责读取保存在

53、存储介质 中的数字地图，经过坐标相关的转换处理，最后将地图绘制到显示设备中。同时将GPS定位模块输出的定位信息显示出来，并在地图上标注出当前位置，起到可视化定位导航 的目的。5.3.1系统数字地图本文选择完全开放的交换地图数据格式MIF(MapInfo Interchange Format)格式作为本系统的地图数据源。MIF地图数据文件是以纯文本方式存储的，完全开放的明码形式的数据格式，开发者可以完全地了解和解析其中的任意字段内容，对程序开发和数据 交换提供了极大的便利。MIF格式地图数据的点、线、面要素可以存储在同一个文件中。 除了各点坐标之外，还详细记录了点、线、面要素的形状和颜色等绘图特

54、征，图形绘制 效果较好。系统矢量地图数据是由MIF格式的文件和MID格式的文件共同组成。其中，MIF文件存储所有空间对象的图形数据，主要包括每个点对象的点位坐标、符号样式；每个 线对象的节点个数、节点坐标、线样式；每个面对象的包含的子面个数、每个子面的节 点数、节点坐标、填充模式等内容。而MID文件则按记录顺序保存了每个空间对象的 所有属性信息数据。这两个文件都是文本性质的文件，用户可以方便地通过相应的文件 读写方法实现对文件内容的读写。5.3.2地图数据的读取在详细了解地图数据格式的基础上，可分别读取MIF/MID文件中的各字段信息，构造地图各图元对象。为了使地图图元要素的图形信息与属性信息

55、相匹配，在读取MIF文件中要素的图形数据时，要同时对同名的MID文件中相应要素的属性数据进行读取。 读取MIF文件中的点信息比较简单，只要按顺序读取各坐标和属性即可。而在读取线状 和面状图元时，需要先判断有几个线段和面块区域，然后分别读取各线段和面块的各点坐标及其属性。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第22页105.3.3地图数据对象模型设计地图子系统需要建立一个层次清晰合理的地图对象体系结构，包含各类型地图图元的图形和属性信息，并提供绘制、数据转换、几何操作相关等方法。如图所示为系统地图数据对象模型。其中MapLayer类为地图图层（对应MIF地图文件），负责管理图 层中的所有图形要素。图

56、层中包含各种类型的图元对象MapObject，图元又包含图形几何数据MapGeometry和属性数据MapAttr。几何数据可用于图元图形的绘制和几何操作，属性数据则用于图元的标注和查找。SpatialRefere nceSys定义的是相关的空间参考系统， 投影和坐标系等，用于实现坐标转换和几何操作等。三种图元几何数据类型即基本的点、 线、面类型，分别为Map Poi nt、Map Pli ne、Map Regio n，它们继承自Map Geometry类。MapGeometry定义了所有要素的公共属性和绘制接口，点、线、面各图元要素类则定 义各自的特有属性，并实现自身的绘制方法。图5.2系统

57、地图数据对象模型5.3.4地图数据坐标转换处理在系统数字地图中各图元的点坐标是经纬度坐标，而且由GPS接收机获取的定位坐标也是经纬度坐标。而地图在计算机上进行绘制和几何操作，并最终显示在屏幕上， 使用的是平辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第23页21面直角坐标系。因此，要将地理空间中的各种实体的经纬度坐标转换为平面 坐标。通过投影变换，可以将经纬度坐标转换为平面坐标。地图投影的方法很多，不同的 投影方法具有不同性质和大小的投影变形。目前我国现行的大于及等于1:50万比例尺的各种地形图都采用高斯-克吕格投影，即高斯投影6。高斯投影直角坐标公式为：A =5 +-smpcos+- smcos (5

58、 tau p + 9tf +4聊) + 2 6Y = /Wco$ +ricos,沁一tan，+ -co$5(5-18tan:+tan4炉)+6 120式(1)中X、Y为平面直角坐标系的纵坐标与横坐标，入、?为椭球面上地理坐标系的经纬度；s为由赤道至纬度的子午线弧长；N为纬度处的卯酉圈曲率半径(可据纬度由制 图用表查取)，其中-一 一，为地球的第二偏心率，a,b分别为地球椭圆体的长短轴。5.3.5矢量地图的表示本系统的嵌入式GUI使用Qt/Embedded,它提供了强大的图形绘制功能，支持多种 图形接口。Qt的二维绘制引擎的基础是QPainter，它可以用于在屏幕上的窗口部件上或 屏幕外的像素映

59、射中绘制，可以绘制点、线、矩形、椭圆、多边形、弧等多种几何图形， 以及像素、图像和文本，还可以设置pen、brush和font等绘制样式，可以很好的表现地 图的各种图元对象。图层类Map Layer中保存一个地图文件中的所有图元要素，在类Map Poi nt、Map Pl in e、Map Regio n中，使用QPoi ntArry类型的成员分别保存点、线、面等图元图 形数据中的点坐标集合。将其转化为屏幕设备坐标后，可直接依据QPointArry，绘制本系统中主要的图元要素点、线、面、文本等，只要使用QPainter的方法drawPoints()、drawLine()、drawPolygon

60、()、draeText()，将各图形的坐标集合作为参数传递即可。考虑 到面状要素会覆盖前面绘制的点状和线状要素，因此在绘制时首先绘制所有面状要素，然后是线状要素、点状要素和文本要素。绘制地图时往往数据量比较大，Qt提供的双缓冲机制首先在屏幕外的像素映射QPixmap中绘制，当遇到重绘事件paintEvent时，再 在处理函数中使用bitBlt方法把这个像素映射复制到它应该在的屏幕窗口中。使用这个 方法可以在地图进辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第24页10行平移等几何操作时，不需要重复绘制已绘制的部分，提高了程序效 率。5.3.6地图的漫游和缩放数字地图漫游和缩放的基本理论是图形的几何变换理论，将图形坐标经过二维变换 矩