基于嵌入式Linux 的移動(dòng)終端的軟件設計

引言

　　實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）是嵌入式應用軟件的基礎和開(kāi)發(fā)平臺，應用程序都是建立在它之上。實(shí)時(shí)嵌入式操作系統的種類(lèi)繁多，大體上可分為兩種：商用型和免費型。商用型的實(shí)時(shí)操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價(jià)格昂貴。免費型的實(shí)時(shí)操作系統在價(jià)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相比，嵌入式 Linux 具有開(kāi)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 系統作為移動(dòng)終端的軟件平臺。

　　2 車(chē)輛監控系統概述

　　車(chē)輛監控系統是融全球定位技術(shù)（GPS）、地理信息技術(shù)（GIS）和通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)（GPRS）于一體的高科技系統，由移動(dòng)終端、GPRS 網(wǎng)絡(luò )和監控中心組成[1]。移動(dòng)終端安裝在各個(gè)移動(dòng)車(chē)輛上，其上的 GPS 接收器實(shí)時(shí)采集衛星定位信息，然后通過(guò)串口 1 傳送給 ARM 處理器。ARM 處理器先解算出有用的數據（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 數據包，接著(zhù)加上 IP 報頭和報尾封裝成 IP 數據報。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(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議），因而，需要將 IP 數據報按照 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(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路將數據進(jìn)一步發(fā)送到 SGSN（Serving GPRS Support Node，GPRS 業(yè)務(wù)支持節點(diǎn)）。SGSN 進(jìn)行相應的協(xié)議轉換，并按照 GPRS 特有的 GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS 隧道協(xié)議）將數據封裝成 GTP 包，然后通過(guò) GPRS 骨干網(wǎng)傳送到相應的 GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn)）。GGSN 也進(jìn)行相應的協(xié)議轉換，再根據外部數據網(wǎng)的協(xié)議格式對數據進(jìn)行新的封裝，并且根據其目的 IP 地址選擇路由進(jìn)行傳送，從而最終傳送到監控中心。監控中心在具有地理信息處理和查詢(xún)功能的電子地圖上進(jìn)行車(chē)輛運動(dòng)軌跡的顯示，并對被監控車(chē)輛的準確位置、速度、運動(dòng)方向、行車(chē)狀態(tài)等參數進(jìn)行監控和查詢(xún)。同時(shí)，監控中心也可以向移動(dòng)終端發(fā)送文本信息和控制命令。

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

　　3 移動(dòng)終端軟件系統的設計

3.1 總體設計

　　在移動(dòng)終端上，軟件系統主要由三個(gè)部分組成：GPS 信號接收程序、GPS 數據處理程序和 GPRS 通信程序。在嵌入式 Linux 系統平臺下，移動(dòng)終端的軟件系統結構如圖 1 所示。

圖 1 移動(dòng)終端的軟件系統結構

圖 2 GPS 信號接收程序的層次結構

　　3.2 GPS 信號接收程序

　　對于移動(dòng)終端，它的第一個(gè)任務(wù)就是接收 GPS 信號。在嵌入式 Linux 系統平臺下，GPS 信號接收程序的層次結構如圖 2 所示。

　　其中，tty 層、N_TTY 行規程（Line Discipline）層和低層驅動(dòng)程序是嵌入式 Linux 系統中串行通信驅動(dòng)模塊三個(gè)固有的邏輯層，這三層之間有相互調用的接口函數。嵌入式 Linux 系統提供了多種行規程供各類(lèi)設備進(jìn)行選擇，如：TTY 行規程（N_TTY）用于連接終端輸入驅動(dòng)設備和終端顯示驅動(dòng)設備，而 PPP 行規程（N_PPP）用來(lái)連接終端驅動(dòng)設備和網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)設備。GPS 信號接收程序使用了 N_TTY 行規程，GPS 接收器接收到的數據必須經(jīng)過(guò) N_TTY 行規程模塊進(jìn)行規范處理。低層驅動(dòng)程序用來(lái)直接對硬件進(jìn)行操作，而 flip_buffer 是低層驅動(dòng)程序和 N_TTY 行規程之間的高速接口，它保存 GPS 接收器接收到的數據。

　　在嵌入式 Linux 系統中，內核給接在串口 1 上的 GPS 接收器提供了一個(gè)設備節點(diǎn) /dev/ttyS0 以及標準的文件系統接口[2]。這樣，GPS 信號接收程序對設備節點(diǎn) /dev/ttyS0 的操作就會(huì )被內核映射成對 GPS 接收器的操作。當 GPS 接收器接收到衛星信號時(shí)，會(huì )觸發(fā)低層驅動(dòng)程序事先注冊到系統中的中斷處理函數，從而調用函數 receive_chars( ) 把數據填充到 flip_buffer 中，然后調用函數 tty_flip_buffer_push( ) 將數據傳遞給 N_TTY 行規程模塊。N_TTY 行規程模塊中的函數 n_tty_receive_buf( ) 對數據進(jìn)行規范化處理后將其存入 tty 緩沖區中，供應用層的 GPS 信號接收程序來(lái)讀取。

　　當應用層的 GPS 信號接收程序開(kāi)始運行時(shí)，它會(huì )向文件系統發(fā)出讀請求，文件系統發(fā)現此請求的對象為 tty 設備，于是調用函數 tty_read( )，接著(zhù)調用函數 read_chan( ) 讀取 tty 緩沖區中的數據。

　　3.3 GPS 數據處理程序

　　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，它規定了 GPS 數據的輸出速率為 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(yǔ)句有 GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 等，要想知道車(chē)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(yǔ)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(kāi)始；AA 為識別符；XXX 為語(yǔ)句名；ddd…ddd 為數據字段，字母或數字；* 表示串尾；hh 表示 $ 與 * 之間所有字符代碼的校驗和； CR > 為回車(chē)控制符； LF > 為換行控制符。

　　在車(chē)輛監控系統中，主要關(guān)心的是時(shí)間、車(chē)輛的位置和速度等信息。因此，在移動(dòng)終端上，GPS 數據處理程序的主要功能是從 GPS 接收器接收到的數據中提取出 GPRMC 定位語(yǔ)句，忽略掉其他信息[3]。此后，移動(dòng)終端上的 GPRS 通信程序負責將相關(guān)的數據發(fā)送給監控中心。