基于PC/104的實(shí)時(shí)姿態(tài)數據采集系統的設計
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1 引言
數據采集是信息處理的重要環(huán)節。在野外試驗系統中，試驗平臺的姿態(tài)及運動(dòng)狀態(tài)信息測量對試驗結果具有較大影響，因此，對試驗平臺的姿態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集具有現實(shí)意義。而且, 特別是對于導彈導引雷達等設備, 由于要求對現場(chǎng)信息實(shí)現實(shí)時(shí)測量和控制, 并且應用環(huán)境復雜,因而對數據采集系統的精度、便攜性、可靠性與實(shí)時(shí)性具有較強要求。PC/104是嵌入式PC的機械電氣標準[2]，它的制定為嵌入式應用提供了標準的系統平臺，它繼承了IBM－PC的開(kāi)放式總線(xiàn)結構的優(yōu)點(diǎn)，為工程師提供了標準的、高可靠的、功能強大的、使用方便的系統組件。本文詳細論述了基于PC/104平臺的姿態(tài)數據、GPS定位信息采集系統的設計方案。
2 系統硬件設計
2.1 系統組成及功能
采集系統在硬件上主要由地面固定站和便攜式流動(dòng)站組成。固定站包括：嵌入式控制計算機、多種姿態(tài)傳感器、固態(tài)硬盤(pán)和數傳系統；流動(dòng)站包括：便攜式手持機和數傳電臺等組成。系統組成如圖1所示。[1]
圖1 系統組成框圖
地面固定站主要完成實(shí)時(shí)記錄地面GPS接收機的定位及姿態(tài)信息；記錄便攜式流動(dòng)站的GPS定位信息并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[3][9]；對地面設備進(jìn)行參數裝訂和系統設置，實(shí)時(shí)監控地面設備的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示地面站和流動(dòng)站的相對空間位置和姿態(tài)數據并送給試驗設備；實(shí)時(shí)記錄試驗數據，試驗結束后進(jìn)行數據處理分析；打印試驗數據、圖形、曲線(xiàn)及分析結果。其組成為：（1）GPS接收機；（2）無(wú)線(xiàn)傳輸設備；（3）電源模塊；（4）控制計算機（地面固定站控制計算機）；（5）試驗設備；（6）平臺姿態(tài)傳感器等。
流動(dòng)站主要完成實(shí)時(shí)記錄并顯示本站的GPS定位信息[1]、姿態(tài)信息，將所得到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳電臺傳輸給地面固定站進(jìn)行處理。其組成為：（1）GPS接收機；（2）姿態(tài)傳感器；（3）無(wú)線(xiàn)傳輸設備；（4）電源及天線(xiàn)系統；（5）控制計算機（流動(dòng)站手持機）等。
本系統主要用于精確測量試驗設備載體和流動(dòng)站的定位及姿態(tài)信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳設備進(jìn)行通信，同時(shí)提供速度信息，導航信息，用以輸出給試驗設備。固定站和流動(dòng)站無(wú)線(xiàn)傳輸采用半雙工模式，速率為9600bps。
2.2固定站控制計算機設計
固定站系統組件中控制計算機是核心，經(jīng)過(guò)分析，其外部數據輸入/輸出接口有：GPS數據串行RS232輸出1路，平臺姿態(tài)傳感器串行輸出1路，無(wú)線(xiàn)傳輸設備串行輸出1路，試驗設備USB接口輸出1路。
在設計過(guò)程中按照便攜式、模塊化的思想，嵌入式計算機模塊采用DiamondSystems公司的ATHENA模塊，該模塊有CPU子模塊和數據獲取子模塊兩部分組成，可以支持DOS、Linux、Windows 98/NT/XP/2000、Windows CE.Net、VxWork等操作系統，CPU子模塊包括128位圖形加速卡，128M板載內存，支持UDMA33硬盤(pán)、最大可以安裝512M電子盤(pán)，4個(gè)全功能RS-232，2個(gè)UART，2個(gè)異步口，4個(gè)USB 1.1接口。模塊尺寸4.175英寸4.475英寸。完全能夠滿(mǎn)足設計要求，且具有端口備份。
2.3 其他部件的配置
除控制計算機外，其他部件包括：固定站GPS接收機、平臺姿態(tài)傳感器、無(wú)線(xiàn)傳輸設備和流動(dòng)站手持機。
1、GPS接收機：固定站接收機選用NovAtel公司高性能雙天線(xiàn)GPS接收機 BeelineTM 。該卡工作在L1頻率，采用雙GPS天線(xiàn)，通過(guò)原始觀(guān)測量來(lái)獲取基線(xiàn)的方位和俯仰角度，同時(shí)能得到主天線(xiàn)的三維位置和速度信息。數據率最高可達5Hz。流動(dòng)站接收機選用Garmin25 LP GPS模塊。
2、平臺姿態(tài)傳感器：在地面固定站和流動(dòng)站的姿態(tài)傳感器選用Crossbow公司出品的CXILT02E數字傾角傳感器。該產(chǎn)品可提供360度范圍的滾動(dòng)角和180度范圍的俯仰角。電源輸入9～30VDC，采用RS232輸出。
3、無(wú)線(xiàn)傳輸設備：采用Pacific Crest公司的PDL數傳電臺。該電臺在低功率工作時(shí)，最大僅2W，傳輸波特率為4800～38400bps。
4、手持機：選用濟南浪潮超越公司的巧金剛Ⅱ型加固手持式計算機,該機RISC CPU主頻可達400MHz, 超高分辨率顯示, 內置GPS模塊，實(shí)現全球定位, 可提供應用軟件開(kāi)發(fā)系統，方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),支持Windows CE操作系統。
3 系統軟件設計
在進(jìn)行軟件設計時(shí)，固定站系統軟件設計采用了Borland公司的C++ Builder 6.0進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而成[5]。在設計過(guò)程中，利用交互編程技術(shù)使窗口、事件和消息等Windows操作系統的工作方式與底層硬件驅動(dòng)程序相融合，使軟件完全按事件驅動(dòng)的模式來(lái)執行，并在軟件中加強了容錯能力設計，在最大限度上避免了操作人員人為或非正常因素造成的錯誤。
由于設計時(shí)采用手持機作為流動(dòng)站的主控計算機，操作系統為Windows CE，因此，流動(dòng)站軟件設計采用EVC（Embedded Visual C＋＋）作為開(kāi)發(fā)工具。Windows CE是緊湊的、高效的和可升級的操作系統，被廣泛應用在各種嵌入式產(chǎn)品中。EVC是Microsoft公司退出的開(kāi)發(fā)WinCE應用程序的成熟、強大的工具，它和Visual C＋＋開(kāi)發(fā)工具具有一定的相似之處。
3.1 系統軟件組成
整個(gè)軟件系統包括固定站操控軟件和流動(dòng)站操控軟件。如圖2所示。
點(diǎn)擊看原圖
圖2軟件模塊組成圖
流動(dòng)站操控軟件主要完成通過(guò)串行接口接收手持機內部GPS接收機數據、外部姿態(tài)傳感器數據，并將數據進(jìn)行處理、存儲、顯示、打包下行發(fā)送等功能?？偟膩?lái)說(shuō)在結構上主要分為：端口初始化模塊；數據接收模塊；數據處理模塊；數據輸出模塊。在數據打包下行過(guò)程中，軟件將接收的姿態(tài)傳感器數據和GPS接收機數據自定義格式進(jìn)行打包，一起輸出給無(wú)線(xiàn)數傳設備。
固定站操控軟件完成Beeline接收機數據、平臺姿態(tài)傳感器數據和流動(dòng)站通過(guò)數傳設備輸入的數據接收工作，經(jīng)過(guò)處理后，將有效的姿態(tài)數據通過(guò)USB接口輸出給試驗設備使用。在結構上由以下功能模塊組成：
初始化模塊。
該模塊在軟件啟動(dòng)時(shí)，完成程序初始化，對各個(gè)端口的設置，包括串行口協(xié)議設定，USB接口初始化等。另外還要對固定站的Beeline GPS 接收機進(jìn)行初始化設置，以使之按照要求輸出有效數據。
數據接收模塊。
數據接收模塊包括固定站GPS數據接收子程序、流動(dòng)站打包數據接收子程序和固定站平臺姿態(tài)數據接收子程序。
數據處理模塊
數據轉換模塊完成數據包的解包過(guò)程，并且根據流動(dòng)站與固定站定位信息計算兩者間距離及流動(dòng)站以固定站為原點(diǎn)在空間直角坐標系中的方位角和俯仰角。
數據輸出模塊
數據輸出主要用來(lái)將有效的姿態(tài)數據通過(guò)USB接口輸出給受試設備。
3.2 軟件設計難點(diǎn)分析
從圖1中不難看出，無(wú)論是固定站還是流動(dòng)站，對串口進(jìn)行操作都是一個(gè)不可或缺的方面。固定站有3個(gè)串口操作，流動(dòng)站需要3個(gè)串口操作。因此，設計過(guò)程中，統一采用YbCommDevice串口控件實(shí)現。通信參數可直接在屬性中設定，在程序運行過(guò)程中也可通過(guò)輸入界面進(jìn)行多次更改。它支持任意格式的數據包收發(fā)，支持多種數據包協(xié)議，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用，是一個(gè)較為實(shí)用的C++ Builder串口控件[4]。在實(shí)現時(shí)，按照協(xié)議統一的原則，設定串口數據格式為9600bps，1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗。
在軟件的設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現包括GPS數據、傳感器數據等各種數據包均有固定格式，因此， 數據包的格式分析是重要一環(huán)。
1．GPS輸出格式分析[6]：兩型GPS接收機的定位信息格式為NMEA－0183格式。這一格式是較常用的一種數據通信標準，它是在0180和0182的基礎上增加了GPS接收機輸出內容而完成的。此格式直觀(guān)、易處理的優(yōu)點(diǎn)使得幾乎所有的接收機及OEM板都采用了這一格式。典型輸出的語(yǔ)句如下所示：
$ AABBB,ddd ……………………ddd,*hhCR>LF>
其各字段定義如下：
$：起始語(yǔ)句頭；
AA：對話(huà)設備識別符；
BBB：語(yǔ)句名；
，：域分隔符；
ddd…ddd：發(fā)送的數據內容；
*：校驗和符號；
hh：校驗和；
CR>LF>：終止符（回車(chē)、換行）。
2．傾角傳感器輸出格式分析[8]：傾角傳感器數據包為6字節的定長(cháng)數據包，數據格式如表1所示。數據頭字節和最后的校驗和字節用于通信同步，實(shí)際格式為ASCII碼。具體定義如下：
表1：傾角傳感器數據包格式
3．USB接口操作：在對USB進(jìn)行操作的時(shí)候，必須要利用WinDDK將設備驅動(dòng)程序進(jìn)行編譯，主要步驟為：得到設備的廠(chǎng)家標識和產(chǎn)品標識，利用驅動(dòng)程序的GUID值獲取設備的文件名, 用 CreateFile 函數打開(kāi)設備，接著(zhù)利用設備文件名和驅動(dòng)程序里面的 Pipe 名打開(kāi) Pipe, 訪(fǎng)問(wèn)這個(gè) Pipe 對應的 USB 端點(diǎn)，利用CreateFile 得到的設備句柄，從而通過(guò) DeviceIoControl 函數實(shí)現設備規定的動(dòng)作。需要注意的是廠(chǎng)家標識、產(chǎn)品標識和GUID值在驅動(dòng)程序的“*.inf”文件里面就可找到，如果沒(méi)有，則需要聯(lián)系設備生產(chǎn)廠(chǎng)家了；Pipe 名和DeviceIoControl函數的參數需要參考驅動(dòng)程序資料才能找到。
相關(guān)代碼如下：
HANDLE hPipe = OpenDevPipe("Pipe1"); //驅動(dòng)程序里面的 Pipe 名, 對應訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)端點(diǎn)的 I/O,需要與驅動(dòng)一致
if(hPipe != INVALID_HANDLE_VALUE) //打開(kāi) Pipe 成功
{
WriteFile(hPipe, Buffer, BytesToWrite, nBytesWritten, NULL); //把 Buffer 里面的字節寫(xiě)入 hPipe
CloseHandle(hPipe);
}
//使用 DeviceIoControl 訪(fǎng)問(wèn) USB 設備
HANDLE hDevice = OpenDevice();
if(hDevice != INVALID_HANDLE_VALUE) //打開(kāi)設備成功
{
if(DeviceIoControl(hDevice, IOCTL_READ_xxxx, IOBlock, sizeof(IOBLOCK), c, 1, nBytes, NULL))
{ //操作成功，
}
CloseHandle(hDevice);
}
4 結束語(yǔ)
在系統設計中，以PC/104嵌入式計算機模塊為核心，構建了由GPS接收機、無(wú)線(xiàn)數傳設備、傾角傳感器等設備組成的實(shí)時(shí)姿態(tài)數據采集系統，試驗表明，系統能夠實(shí)時(shí)、穩定、連續地提供固定站和流動(dòng)站的姿態(tài)信息、定位信息以及兩者的相對位置信息，從而能更好地掌握試驗設備載體的運動(dòng)狀態(tài)，為得到精確的試驗結論提供保障。
本文主要創(chuàng )新點(diǎn)在于以PC/104嵌入式計算機模塊為核心，構建由GPS接收機、無(wú)線(xiàn)數傳設備、傾角傳感器等設備組成的實(shí)時(shí)姿態(tài)數據采集系統，分析了軟件設計的難點(diǎn)及實(shí)現方法。在工程實(shí)踐上具有實(shí)際意義。
參考文獻：
[1] 王惠南.GPS導航原理與應用[M].科學(xué)出版社，2003.8
[2] 彭樹(shù)生. 3mm接收機的PC104數據采集與控制電路設計[M].微計算機信息（測控儀表自動(dòng)化），2003.NO.11 P.36-38
[3] 劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].科學(xué)出版社，2003.8
[4] 范逸之等.C++ Builder與RS-232串行通信控制[M].清華大學(xué)出版社，2002.6
[5] 陳燦煌.C++ Builder 6徹底研究[M].中國鐵道出版社，2003.1
[6] Beeline GPS Receiver User’s Mannual[S].Novatel Company.
[7] Garmin25 LP GPS Receiver User’s Mannual[S].Novatel Company.
[8] CXTILT02E_02EC User’s Mannual[S].CrossBow Technology,INC
[9] Jeffrey S, Yoaz B et al. Micro GPS: On-Orbit demonstration of a new approach to GPS for space applications[J]. Navigation, ION, 2000, 47(2)
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