基于ARM-Linux的GPS信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭建京，張 云 ，袁國(guó)良，顏廷管

（1.上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201306；3.上海地測(cè)瑟福信息科技有限公司 上海 201306）

目前，GPS已經(jīng)在建筑工程測(cè)量方面取得了廣泛的應(yīng)用[1]，為國(guó)家制定建設(shè)工業(yè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程提供了新的檢驗(yàn)技術(shù)和方法。當(dāng)我們需要對(duì)一些高動(dòng)態(tài)建筑物如橋梁、超高層大廈的形變和位移等進(jìn)行長(zhǎng)期或定時(shí)性檢測(cè)時(shí)，往往對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)的GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量要求很高[2]。常見(jiàn)的高精度GPS接收機(jī)如徠卡GMX902 GPS雙頻接收機(jī)，采用RS232串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。串行通信中，數(shù)據(jù)位信號(hào)流在信號(hào)線上傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生畸變，畸變的程度主要由傳輸距離決定，當(dāng)信號(hào)嚴(yán)重畸變時(shí)，接收方出現(xiàn)誤碼，在規(guī)定的誤碼率下，當(dāng)波特率、信號(hào)線、信號(hào)的性質(zhì)及大小一定時(shí)，串行通信的傳輸距離就一定，如RS232傳送距離最大約15 m，最高傳輸速率約20 kb/s[3]。為了加大傳輸距離，必須加調(diào)制解調(diào)器，因此串口通信不能滿足實(shí)際測(cè)量中長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制的需求。

常見(jiàn)的網(wǎng)線主要有雙絞線、同軸電纜、光纜3種，其中5類(lèi)、6類(lèi)雙絞線最大傳輸距離都是100 m左右，同軸電纜最大傳輸距離約200米，而光線的傳輸距離可達(dá)幾千米[4]，于是文中提出了一種基于ARM-Linux的GPS信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案能夠克服徠卡GMX902系列接收機(jī)只有串口短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜毕荩哂袑?shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中虛線箭頭表示徠卡GMX902系列接收機(jī)默認(rèn)的串口數(shù)據(jù)傳輸方式。文中設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)采用徠卡GMX902高精度GPS雙頻接收機(jī)接收GPS信號(hào)，GPS天線是適應(yīng)高動(dòng)態(tài)的航空專(zhuān)用天線。系統(tǒng)使用飛凌ARMTE6410型開(kāi)發(fā)板作為信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的控制器和處理器，在TCP/IP協(xié)議下通過(guò)網(wǎng)線將GPS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)的信號(hào)解析軟件，解析軟件能接收到高質(zhì)量的GPS數(shù)據(jù)并做相應(yīng)處理。另外該系統(tǒng)能夠通過(guò)上位機(jī)調(diào)試軟件對(duì)ARMTE6410開(kāi)發(fā)板收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程進(jìn)行配置和交互處理。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram GPS signal storage and retransmission system

2 系統(tǒng)硬件模塊

GPS信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)如圖2所示。徠卡GMX902是一款24通道，L1/L2雙頻高精度GPS接收機(jī)，它能夠以20 Hz的采樣頻率自動(dòng)、實(shí)時(shí)、全天候的采集GPS碼/相位原始數(shù)據(jù)。GMX902采用12 V電源供電，一路GPS天線輸入，兩路RS_232串口輸出[5]。飛凌ARMTE6410開(kāi)發(fā)板采用Samsung Shanghai S3C6410處理器；支持5 V電壓供電；兩個(gè)五線RS_232串口和一個(gè)三線RS_232串口；一個(gè)100 M網(wǎng)口[6]。ARMTE6410開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行內(nèi)核版本為2.6.36的Linux操作系統(tǒng)，文中設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的服務(wù)器端運(yùn)行在該操作系統(tǒng)上。

圖2 系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Fig.2 System hardware development platform

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要完成兩個(gè)模塊：1）設(shè)計(jì)徠卡GMX902接收機(jī)與ARMTE6410的數(shù)據(jù)傳輸模塊運(yùn)行在ARMTE6410開(kāi)發(fā)板上，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)從GMX902發(fā)送過(guò)來(lái)的GPS信號(hào)。2）在TCP/IP協(xié)議下完成ARMTE6410與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，服務(wù)器端運(yùn)行在AMRTE6410開(kāi)發(fā)板，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)控模塊即客戶端，運(yùn)行在上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)與ARMTE6410和徠卡GMX902接收機(jī)的信息交互功能，如建立/斷開(kāi)連接、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)端口、設(shè)置串口、設(shè)置保存日期、重啟接收機(jī)、保存日志文件等。

GPS數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊的軟件流程圖如圖4所示，該模塊運(yùn)行在ARMTE6410開(kāi)發(fā)板上，設(shè)置為開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)。程序啟動(dòng)后阻塞等待串口數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)可以直接發(fā)送到數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待服務(wù)器模塊轉(zhuǎn)發(fā)，也可以存儲(chǔ)到SD卡，然后從SD卡轉(zhuǎn)發(fā)GPS信號(hào)數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of the software test system

圖4 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of the data acquisition and storage module

網(wǎng)絡(luò)通信/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊軟件流程圖如圖5所示。該模塊按圖示的流程完成GPS信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)。服務(wù)器端創(chuàng)建TCP socket并綁定端口號(hào)，然后監(jiān)聽(tīng)阻塞等待客戶端的連接請(qǐng)求?？蛻舳送瓿蒚CP socket的創(chuàng)建并向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)與服務(wù)器“三次握手”之后建立連接。連接建立之后服務(wù)器開(kāi)發(fā)向上位機(jī)客戶端轉(zhuǎn)發(fā)GPS信號(hào)數(shù)據(jù)，客戶端接收GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給GPS信號(hào)解析軟件，解析結(jié)果在客戶端界面顯示，這個(gè)過(guò)程重復(fù)執(zhí)行，直到服務(wù)器端GPS數(shù)據(jù)發(fā)送完畢或者停止發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)，運(yùn)行在上位機(jī)的客戶端調(diào)試軟件可以按自定義的通信協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求命令，如建立/斷開(kāi)連接、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)端口、設(shè)置串口、設(shè)置保存日期、重啟接收機(jī)、保存日志文件等，服務(wù)器接到請(qǐng)求后按照相同的通信協(xié)議響應(yīng)，將響應(yīng)的信息返回給客戶端調(diào)試軟件，該過(guò)程也可以重復(fù)執(zhí)行，直到斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接。

4 應(yīng)用測(cè)試

運(yùn)行在上位機(jī)中的客戶端如圖6所示，為了便于測(cè)試和對(duì)比，客戶端同時(shí)接收兩路信號(hào)并顯示原始數(shù)據(jù)的接收狀態(tài)。一路是如圖1中虛線線頭所示的徠卡GMX902接收機(jī)通過(guò)默認(rèn)串口直接和上位機(jī)連接，向上位機(jī)的GPS信號(hào)解析軟件發(fā)送數(shù)據(jù)。另一路是文中設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)線向上位機(jī)客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)。長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和戶外遠(yuǎn)距離測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確傳輸高質(zhì)量的GPS信號(hào)給上位機(jī)解析軟件，能夠適應(yīng)實(shí)際測(cè)量的需求。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊軟件流程圖Fig.5 Software flow chart of the network communication/data retransmission module

圖6 客戶端測(cè)試界面Fig.6 The client testing interface

5 結(jié) 論

通過(guò)文中的分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了通過(guò)網(wǎng)線傳輸高質(zhì)量GPS信號(hào)數(shù)據(jù)的可行性。文中設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)解決了徠卡GMX902接收機(jī)只有短距離傳輸GPS數(shù)據(jù)的問(wèn)題，滿足了實(shí)際測(cè)量需求。測(cè)試數(shù)據(jù)表明該方案穩(wěn)定可靠并具有很高的實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)進(jìn)入企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，并且能夠?yàn)榻窈笸?lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供建議和可靠依據(jù)。

[1]都建明，張小二，董建軍.GPS技術(shù)在建筑測(cè)量中的運(yùn)用[J].科技向?qū)В?011（26）:301.

DU Jian-ming，ZHANG Xiao-er，DONG Jian-jun. GPS technology in the application of construction survey[J].Guide of Sci-tech Magazine，2011（26）:301.

[2]李玥，劉克福.高層及超高層建筑工程的GPS定位控制研究[J].中國(guó)科技博覽，2011（32）:306.

LI Yue，LIU Ke-fu.GPS positioning control research in high and super-high building engineering[J].China Science and Technology Review，2011（32）:306.

[3]盧海峰，江潮元，陽(yáng)小光.基于串口通信的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006（6）:2043-2045.

LU Hai-feng，JIANG Chao-yuan，YANG Xiao-guang.Key technical research of on-line monitoring system based on serial communication[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2006（6）:2043-2045.

[4]李勇，汪成義.以太網(wǎng)光纖介質(zhì)的距離限制與突破[J].中國(guó)有線電視，2004（9）:29-32.

LI Yong，WANG Cheng-yi.Breaking through distance limit of ethernet based on fiber media[J].China Cable Television，2004（9）:29-32.

[5]瑞士徠卡測(cè)量系統(tǒng).徠卡GMX902 L1/L2雙頻GPS接收機(jī)說(shuō)明文檔[EB/OL].（2006） [2012-10-11].http://www.leicageosystems.com.cn/brochure/GMX902.pdf.

[6]飛凌嵌入式技術(shù)有限公司.飛凌ARMTE6410開(kāi)發(fā)板說(shuō)明[EB/OL]. （2012）.[2012-10-11].http://www.witech.com.cn/product/TE-6410.html.