GPS導航數(shù)據(jù)提取的設(shè)計與研究*

牛 立,王景中

（北方工業(yè)大學 信息工程學院多媒體實驗室,北京100144）

Windows CE是一個開放的、可裁剪的、32位實時嵌入式窗口操作系統(tǒng)，具有可靠性好、實時性高、內(nèi)核體積小的特點，廣泛應(yīng)用于各種智能式設(shè)備的開發(fā)。系統(tǒng)通過微軟提供的Platform Builder定制需要的Windows CE5.0系統(tǒng)，運行在硬件平臺上。硬件平臺采用博創(chuàng)科技PXA270實驗箱，該實驗箱嵌入式處理器是基于ARMV5E的Xscale核心PXA270，并支持串口通信。

GPS導航芯片采用天寶iQ 46240，將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給處理器。串口是計算機系統(tǒng)與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，是嵌入式通信最可靠、最通用的通信方式。程序員利用Windows API函數(shù)可以編寫出高效、可移植性的應(yīng)用程序。Windows CE不支持Windows下常用的串行通信異步I/O方式(Overlapped,非阻塞)，因此在嵌入式環(huán)境下采用了同步I/O方式的通信程序設(shè)計方法。

實驗設(shè)計根據(jù)GPS導航數(shù)據(jù)有效性確認的標準，對提取的數(shù)據(jù)進行處理，把緩存中接收到的GPS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為電子地圖上常用的浮點型格式。此設(shè)計已應(yīng)用于智能閱讀器盲用定位模塊中。

1 串口通信同步I/O方式的程序設(shè)計

串口通信是串行通信的一種，串行通信的模式一般分為上位機和下位機通信。上位機可以讀取下位機的狀態(tài)數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置下位機的狀態(tài)。一般串行通信協(xié)議可分為兩類，即讀和寫。讀寫協(xié)議的描述如圖1所示，常用的效驗碼有異或、累加和、CRC等[1]。

圖1 通信協(xié)議的一般結(jié)構(gòu)

在實驗設(shè)計中，GPS接收裝置作為下位機只負責提供固定格式的數(shù)據(jù)，實驗箱作為上位機不必發(fā)送指令，只負責定時讀取GPS接收裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)。即可以簡化通信協(xié)議，提高工作效率。

1.1 設(shè)計開發(fā)環(huán)境

在Windows NT/ME環(huán)境下安裝eVC4.0編程環(huán)境，設(shè)置順序如下：

(1)安裝同步軟件 Microsoft ActiveSync 4.0；

(2)安裝 eVC4.0；

(3)利用 PB(Platform Builder5.0)定制 Wince系統(tǒng)對應(yīng)的SDK并安裝；

(4)利用PB將定制的wince系統(tǒng)下載到實驗箱上，并與 PC機同步[2]。

1.2 同步I/O方式讀取的設(shè)計方法

為完成串口通信同步I/O方式程序設(shè)計，分為三個部分，每個部分有一個函數(shù)完成其對應(yīng)的功能[3]。函數(shù)原型為：

串口接收的具體流程圖如圖2所示，圖中對應(yīng)了串口設(shè)置的三個功能函數(shù)。

圖2 串口接收的具體程序流程圖

1.3 程序設(shè)計的核心代碼實現(xiàn)

1.3.1 打開并設(shè)置通信串口參數(shù)

以同步讀取方式打開串口COM1

1.3.2 GPS定位信息的接收

在成功打開并設(shè)置通信口后，在主程序中創(chuàng)建線程函數(shù) ReadThreadFunc(LPVOID lparam)：

//創(chuàng)建串口接收線程

hRecvThread=CreateThread(0,0,CommRecvTread,this,0,&IDThread);

然后在線程函數(shù)中采取事件觸發(fā)方式進行接收處理，通過等待EV_RXCHAR事件的發(fā)生來啟動ReadFile函數(shù)完成對GPS定位信息的接收：

2 對導航數(shù)據(jù)的格式進行處理

對于實驗中所使用的iQ46240接收芯片，其發(fā)送到計算機的數(shù)據(jù)(采用NEMA0183語句)主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPRMC”等。 這些幀頭標識了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各幀均以回車符和換行符作為幀尾識別一幀的結(jié)束。本文中，定位數(shù)據(jù)經(jīng)緯度、速度、時間等均可以從“$GPGGA”幀中獲取得到。該幀的結(jié)構(gòu)及各字段釋義如下[4]：

2.1 GPS導航數(shù)據(jù)有效性確認標準

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動衛(wèi)星的瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法確定待測點的位置。假設(shè)t時刻在地面待測點安置GPS接收機,可以測定GPS信號到達接收機的時間，加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下4個方程式。衛(wèi)星定位示意圖如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星定位示意圖

上述 4個方程式中待測點 x、y、z和Δt0為未知參數(shù)，其中 dt=c(Δt0=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星 1、2、3、4 到接收機的距離。 Δti(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星 1、2、3、4 的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間。c為GPS信號的傳播速度(c為光速)。

xi,yi，zi(i=1，2，3，4)分別代表衛(wèi)星 1、2、3、4 在 t時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導航電文求得，Vti代表衛(wèi)星鐘差,Vt0為接收機的鐘差。

由以上4個方程式可計算出待測點的坐標 x、y、z和接收機的鐘差Vt0。因此導航數(shù)據(jù)能夠有效計算必須保證接收到4個衛(wèi)星的星歷。對固定格式的導航電碼中提取衛(wèi)星符號進行確認,如果滿足4個衛(wèi)星的接收狀態(tài)即可確定當前接收的導航電碼可用于數(shù)據(jù)處理。通常，3顆衛(wèi)星可以在二維平面上得到經(jīng)度緯度坐標，為精確起見，4顆衛(wèi)星可以保證獲得三維空間坐標。

2.2 有效數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化

有效數(shù)據(jù)的提取和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化都是在回調(diào)函數(shù)中進行的[5]。幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號分割，因此在處理緩存數(shù)據(jù)時，可以通過搜索ASCII碼“$”來判斷是否是幀頭。對幀頭類別進行識別后，再通過對所經(jīng)歷逗號的個數(shù)計數(shù)來判斷當前處理的是哪一種定位導航參數(shù)，并做相應(yīng)的處理。eVC支持CString類型格式，由于定位信息格式固定，本文先利用mbstowcs函數(shù)將緩存中的字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為寬字符型，然后強制轉(zhuǎn)化為字符串類型。

WCHAR wszbuf[512];

mbstowcs(wszbuf,(char*)buf,strlen((char*)buf));字符串類型進行處理，然后利用Find函數(shù)，搜索"$GPGGA",

strRecv.Find(_T("$GPGGA"),1);state=strRecv.Mid(pos+37,1);得到GPS質(zhì)量指示指標

strSatelliteNum=strRecv.Mid(pos+39,1);

得到接收到的衛(wèi)星數(shù)量字符，將衛(wèi)星數(shù)量字符型轉(zhuǎn)化為整型判斷衛(wèi)星數(shù)量是否大于4，作為判斷是否為有效數(shù)據(jù)的標準。

intiSatelliteNum=atoi ((LPSTR)(LPCTSTR)strSatelliteNum);

當 iSatelliteNum＞3&&state==‘1’ 時說明接收到的是有效數(shù)據(jù)，可對strRecv中的數(shù)據(jù)進行提取，并賦給經(jīng)緯度和時間變量。

strLatitude=strRecv.Mid(pos+16,8);strLongitude=strRecv.Mid(pos+27,9);將提取到得經(jīng)度緯度字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為浮點型數(shù)據(jù)，通過atof函數(shù)實現(xiàn)。

double Longitude_new=(atof(strLongitude))/100;

double Latitude_new=(atof(strLatitude))/100;

這樣將經(jīng)度緯度信息提取到GPS結(jié)構(gòu)數(shù)組中，后續(xù)的處理和高層決策可根據(jù)該結(jié)構(gòu)中存儲的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的處理。

3 程序運行結(jié)果分析

程序運行后，在實驗平臺上收集的部分數(shù)據(jù)如表1所示。

對以上結(jié)果分析，可知通過串口在不同時段接收的數(shù)據(jù)是比較穩(wěn)定的，能夠以此為基礎(chǔ)提取到有效的數(shù)據(jù)和定位信息，本系統(tǒng)結(jié)合超圖格式(pwr，pmw)的北京市公交站點地圖數(shù)據(jù)，在編寫程序時調(diào)用超圖接口函數(shù)打開電子地圖數(shù)據(jù)，將串口接收到的數(shù)據(jù)讀入，得到附近的公交站點并以文本方式輸出到界面。

表1 提取到的部分數(shù)據(jù)

本文結(jié)合相關(guān)程序代碼陳述了基于eVC環(huán)境下串口通信程序的設(shè)計，對GPS全球定位系統(tǒng)定位信息的接收和數(shù)據(jù)提取進行了詳細的分析和討論。主要解決了EVC編程環(huán)境下實現(xiàn)串口通信功能、對GPS定位信息的提取和處理的問題。實驗對wince5.0自定義平臺下開發(fā)GPS接收裝置給出了代碼樣例供參考，并已應(yīng)用于智能閱讀器項目中盲用定位模塊。

[1]張文軍.GPS與嵌入式系統(tǒng)軟硬件接口及導航信息提取軟件[J].計算機工程,2005,31(18):210-212.

[2]張冬泉，譚南林，蘇樹強.WindowsCE實用開發(fā)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.

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