基于GPS/GPRS的嵌入式终端系统的与实现

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摘 要 ：设计了一种基于GPS/GPRS的嵌入式车载终端监控系统,介绍了GPRS无线数据传输工作原理,阐述了系统硬件设计方案,研究了嵌入式实时操作系统μC/OS-II的代码移植、内核结构,最后分析了车载监控终端开发关键技术.

关 键 词 ：GPS/GPRS 数据传输 实时操作系统 嵌入式

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0113-02

GPS是美国在1994年完成整体部署全球覆盖卫星定位系统,它最初用于军事导航,后来广泛应用于目标定位、工程测量和汽车导航等场合.GPRS是在G网络上发展出来新的分组数据承载业务,随着GPRS技术在移动通信领域中的发展,已经被应用到许多需要无线数据传输的领域,为许多行业的SCADA（Supervisory　Control　And　Data　Acquisition）系统提供了一种新的无线数据传输方法,具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输和自如切换等优点.本文将GPS和GPRS结合起来,设计了一种嵌入式车辆车载监控终端系统,系统采用S34BOX硬件平台和μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统,在软硬件方面都能较好的满足辆监控调度的要求,具有良好的应用前景.

1.车辆终端的工作原理

基于GSP/GPRS车辆监控系统由车载终端、GPRS网络和监控中心3部分组成,其中车载终端是车辆监控系统中的关键组成部分,它将采集的位置信息、车辆运行状况等车辆数据信息通过GPRS无线网络发送给监控中心；同时接收监控中心的指令作出反应.其工作原理如下：

车载终端的GPS模块通过有源天线接收定位卫星发射的无线载波信号,经过内部解算将无线载波信号转化成数字信息,通过串口将数据信息流按字节发送到处理器；处理器对串口接收到的GPS数据进行解析,提取车辆的动态位置、时间、速度等信息,发送到GPRS模块；GPRS模块接收到的数据信息后,按照TCP/UDP协议格式重新打包,加上IP报头和报尾封装成IP数据报,然后将IP数据报按照PPP帧的帧格式封装,经GPRS空中接口接入无线GPRS网络,由移动通信服务商转接到Inter,最终通过各种网关和路由到达统一的远程数据处理中心,这样在监控中心和移动终端之间建立一条无线数据传输通道,移动终端依靠该数据通道将车辆信息传送到监控中心,数据中心接收数据并对数据做后续处理,监控中心也可以通过该无线通道向车载终端发送控制命令和服务信息.

2.车载终端的硬件设计

车载终端硬件主要由处理模块、GPS　接收模块、GPRS无线通信模块、人机接口、电源模块等部分组成,电源模块给各个模块提供能源动力；人机接口实现用户与终端系统进行互动；终端能够提供定位、导航、通话、报警和远程控制等功能.

处理模块主要控制系统各模块工作,协调系统内部模块间的正常通信,选用嵌入式CPUS34BOX,它是一款专为移动计算的处理器,有ARM内核,处理能力强,具有接口丰富和超低功耗（在GPS接收机没有连接的情况下,整板功耗约为100mW～200mW）等优点.接口丰富,可以扩展多种外设,功耗低,保证终端设备的高可靠性.

GPRS无线通讯模块主要实现车载终端与GPRS网络的通信,选用华为GTM900-C无线模块,它是一款两频段G/GPRS无线模块.它支持标准和增强的AT命令,提供丰富的语音和数据业务等功能,是高速数据传输等各种应用的理想解决方案.内置TCP/IP协议栈,符合工业级要求,可以满足系统的设计要求.

GPS模块实现位置等信息数据的接收和解算功能,本系统GPS模块为Fastrax　IT500,它是一款在恶劣的场合有着高性能的导航的模块.由于FastraxIT500有着领先的冷启动灵敏度（-148dBm）和领先的导航灵敏度（-165dBm）,在其它模块不能定位的环境中IT500也能捕获卫星并开始导航.定位率可以根据客户的要求设置,最高可以达到10Hz,适合高动态的应用.它的高灵敏度还能补偿主系统由于电磁干扰而可能出现的负面影响,适合多种后装应用.

终端系统各个模块所需的电压都为直流电压,电压值各不相同,因此,系统的电源模块设计为多电源供电,其中终端的总输入电压来源于汽车配电盘,为直流12V,处理器模块和存储模块为标准3.3V系统,GPRS无线通信模块和GPS模块的分别是+4.3V和+5V.同时,选用瞬态电压抑制器（TVS）过压进行保护,采用自恢复保险丝（PTC）对过流进行保护.

3.软件设计

本终端系统要实现基本功能较多、实时性要求较高,因此采用嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ作为底层软件的支撑平台,μC/OS-II软硬件体系结构如图1所示,把终端系统基本功能模块化,并划分为若干个主要任务,这样嵌入式系统的操作能有效地管理这些任务,满足系统的实时性要求,同时具有一定的延续性和拓展性,本系统移植嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ.

3.1　μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统

移植μC/OS-Ⅱ到S34BOX体系结构上需要改写3个与处理器相关的文件：OS_CPU_A.A（汇编程序源文件）、OS_CPU.H（C语言头文件）及OS_CPU_C.C（C程序源文件）.

（1）OS_CPU_A.A要改写的4　个与处理器相关的函数,用汇编语言编写,4个函数分别是：OSStartHighRdy（）：运行优先级最高的就绪任务；OSCtxSw（）：任务优先级切换函数；OSInitCtxSw（）：中断级的任务切换函数；OSTickISR（）：时钟节拍中断服务函数.

（2）OS_CPU.H是用C语言编写与操作系统相关的函数,改写和设置OS_CPU.H中与处理器和编译器相关的代码,如数据类型定义、处理器相关宏定义和堆栈增长方向,这些都和处理器相关. （3）修改OS_CPU_C．C文件,OS_CPU_C.C文件中只需修改任务堆栈初始化　OSTaskStklnit（）函数,OSTaskStkInlt（）由任务创建函数OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExT（）调用,负责初始化任务的堆栈结构,堆栈初始化工作结束后,返回新的堆栈栈顶指针.

3.2　应用程序设计

终端应用程序设计采用模块化结构,按终端所要求实现的功能,将终端系统划分为几个主要的任务：终端监控任务、键盘扫描任务、GPRS数据传输任务、短消息任务、GPS数据采集任务、LCD显示任务.

任务是由初始化部分和消息处理循环部分构成；各个任务内部的数据自行完成更新储存；任务内部通过自身的状态控制机制,实现对相同消息在不同状态下进行不同处理.任务采用独立模块控制,其它任务不得对该任务进行直接操作,只能通过消息队列,标志事件组和信号量来控制.

3.2.1　GPS数据的解析

本系统中使用的GPS接收机支持标准的RS232协议,GPS信息数据遵循美国国家海洋电子协会制订NMEA—0183标准,一条NMEA0l83语句由起始符、标识符域、校验以及结束符5部分ASCll码组成,各部分以“,”作为分隔符.

在解析数据帧时,首先检测ASCII码串的第一个字符‘‘$”来判断是否为帧头,检测确定为帧头后再依次检测“G”、“P’、“R’’、“M’’、“C”,如果都确定无误,则可以判断该数据帧为有用帧,再通过依次对所经历逗号的个数来确定出当前数据的定位参数,如运动目标的经度、纬度、高度、速度、方向、时间等信息,存入缓冲区.

3.2.2　GPRS网络通信

GTM900-C模块内置有TCP／IP协议,微处理器向该模块直接发送AT指令便可以建立TCP／IP连接,实现数据传输,GTM900-C的实现TCP连接的步骤：

（1）注册移动的CMNET网关：AT+CGDCONT等于1,”IP”,”CMNET”,返回+CGREG：0,1　表示可以使用GPRS网络；

（2）GPRS初始化：AT%ETCPIP等于”xxx”,”xxx”,注册用户名等待分配IP,返回OK表示分配IP完成；

（3）设置接收服务器的协议类型、IP和端口号：

AT%IPOPEN等于"TCP","xxx.xxx.xxx.xxx",2020,返回CONNECT表示连接成功.连接成功后GPRS就可以与监控中心进行数据通信.采用TCP协议及Socket套接字与监控中心进行数据交换.

4.结语

系统将无线通信技术与嵌入式技术融合在一起,终端快速、可靠的方式连入GPRS网络和互联网,实现数据信息的实时传送,其系统设计方法对于嵌入式系统应用设计有一定参考价值.