基于UM220的北斗數(shù)據(jù)接收處理及簡單應(yīng)用

索菲

摘 要：文章以北斗2號和GPS雙系統(tǒng)接收模塊UM220為硬件平臺，利用嵌入式C#二次開發(fā)BD2/GPS-OEM板的方法，開發(fā)出了能同時(shí)運(yùn)行于PC和Windows CE的跨平臺程序，實(shí)現(xiàn)了PDA與OEM板之間的串行通訊，同時(shí)對接收到的北斗數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的解析應(yīng)用，如利用GDI+繪制北斗二維星空圖、采集PDA終端運(yùn)行軌跡等。

關(guān)鍵詞：北斗2號；Windows CE 操作系統(tǒng)；PDA；串口通訊；網(wǎng)絡(luò)通訊

中圖分類號：TN967.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0001-03

1 概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是除美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)為用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航、受時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)通信能力。近年來隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步建設(shè)完善，北斗巨大的經(jīng)濟(jì)效益已初具端倪，但是由于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)不久，整體用戶數(shù)量少，未形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化機(jī)制，從而導(dǎo)致北斗系統(tǒng)的終端價(jià)格昂貴，所以如何將北斗數(shù)據(jù)有效接收加以廣泛利用成為了當(dāng)前中國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵課題[1]。

加快推進(jìn)北斗民用化進(jìn)程，不僅需要設(shè)備有較好的性能，而且具有便攜、低功耗、低價(jià)格等特點(diǎn)。UM220接收機(jī)模塊是目前市場上尺寸最小的BD2/GPS雙系統(tǒng)模塊，具有集成度高，啟動時(shí)間快，功耗低，協(xié)議簡單通用等特點(diǎn)，可用于車輛導(dǎo)航、車輛監(jiān)控、氣象探測、海洋漁業(yè)和電信電力受時(shí)等領(lǐng)域[2]，特別適合北斗系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。

2 UM220接收機(jī)模塊性能特點(diǎn)和通訊協(xié)議

作為BD/GPS接收機(jī)的核心部件，BD/GPS-OEM板接收來自BD/GPS天線單元的衛(wèi)星信號，通過變頻、放大、濾波等處理過程產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，通過進(jìn)一步的解析數(shù)據(jù)可以為地理信息系統(tǒng)、車載導(dǎo)航、氣象探測等領(lǐng)域提供三維定位功能[3]。本文所用的UM220模塊支持NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式，輸入ASCII形式的數(shù)據(jù)信息。BD/GPS-OEM板輸出的NMEA-0183語句有多種數(shù)據(jù)句型，每種句型包含的數(shù)據(jù)信息不同，通過解析提取可以得到所需要的數(shù)據(jù)，例如：經(jīng)緯度、高程、方位角、地面速率、UTC時(shí)間、幾何精度、衛(wèi)星顆數(shù)、仰角、信噪比等。UM220模塊提供的北斗語句有$BDGGA、$BDGLL、$BDGSA、$BDGSV、$BDRMC、$BDVTG等，每條語句都以特定的格式承載著不同的數(shù)據(jù)信息，例如$BDGSV語句，它的信息內(nèi)容是當(dāng)前衛(wèi)星狀態(tài)信息，其格式如下：

$BDGSV，NoMsg，MsgNo，NoSv，sv1，elv1，az1，cno1，sv2，elv2，az2，cno2，sv3，elv3，az3，cno3，sv4，elv4，az4，cno4*cs

其中：$為起始符；BD為信息來源；GSV為句型識別符；其后依次為GSV消息總數(shù)（NoMsg）；本條GSV消息的編號（MsgNo）；本系統(tǒng)可見衛(wèi)星總數(shù)（NoSv）；第一～第四顆衛(wèi)星的衛(wèi)星號（sv1～sv4）；第一～第四顆衛(wèi)星的仰角（sv1～sv4）；第一～第四顆衛(wèi)星的方位角（sv1～sv4）；第一～第四顆衛(wèi)星的信噪比（sv1～sv4）；校驗(yàn)和（cs）。

3 PDA與BD/GPS-OEM之間的串行通訊

PDA終端軟件是從串口接收數(shù)據(jù)，首先判斷是否需要數(shù)據(jù)，如果不需要，則不進(jìn)行緩存，僅僅顯示數(shù)據(jù)，如果需要則將接收到的數(shù)據(jù)緩存起來，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，與此同時(shí)異步調(diào)用緩存起來的數(shù)據(jù)。發(fā)送之前，需要先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性，如果不完整則將數(shù)據(jù)緩存起來，將下一次接收到的原始數(shù)據(jù)補(bǔ)充在不完整數(shù)據(jù)之后，接收校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。如果數(shù)據(jù)完整，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)不通過，校驗(yàn)不通過的數(shù)據(jù)直接舍棄，若校驗(yàn)通過，則將數(shù)據(jù)發(fā)往各個(gè)子窗體，解析處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示。

由于.NET Framework 2.0類庫中提供了Serial Port類，方便地實(shí)現(xiàn)了所需要串口通訊的多種功能。Serial Port中數(shù)據(jù)的讀取與寫入有較大不同。由于串口不知道數(shù)據(jù)何時(shí)到達(dá)，因此有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的讀取：一、線程實(shí)時(shí)讀串口；二、事件觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)。由于線程實(shí)時(shí)讀串口的效率不是十分高效，因此本文采用事件觸發(fā)的方式。在Serial Port類中有Data Received事件，當(dāng)串口的讀緩存有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)則觸發(fā)Data Received事件，需要注意的是Serial Port. Data Received事件運(yùn)行在輔線程，不能與主線程中的顯示數(shù)據(jù)控件直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須用間接的方式實(shí)現(xiàn)，本文采用了同步委托的方法Invoke[4]，實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖2所示。

{

int n = com.BytesToRead；

byte[] buf = new byte[n]；

com.Read（buf， 0， n）；

if（getBinaryData！=null&&com.IsOpen）

{

lock （thelock）

{

binaryData.Enqueue（buf）；

}

}

stringbuilder.Remove（0， stringbuilder.Length）；

this.Invoke（（EventHandler）（delegate

{

stringbuilder.Append（Encoding.ASCII.GetString（buf， 0， n））；endprint

this.txtShowData.Text+= stringbuilder.ToString（）；

}））；

}

4 北斗數(shù)據(jù)簡單應(yīng)用

前面我們已經(jīng)通過串口通訊獲得了北斗數(shù)據(jù)，本文在移動終端開發(fā)出了一個(gè)簡單的程序?qū)Λ@得的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)加以簡單的分析利用。

本文所選的PDA終端操作系統(tǒng)為Windows Embedded CE 6.0，其設(shè)計(jì)的內(nèi)核具有32，000個(gè)處理器的并發(fā)處理能力，每個(gè)處理有2GB虛擬內(nèi)存尋址空間，同時(shí)還能保持系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，這使得Windows Embedded CE 6.0具備更強(qiáng)的圖形處理能力[5]。

GDI+（Graphics Device Interface Plus）也就是圖形設(shè)備接口，它提供了各種豐富的圖像處理功能，在Windows CE 6.0系統(tǒng)中，它充當(dāng)應(yīng)用程序和硬件設(shè)備之間的中間層，封裝與硬件交互所需的低級API，這些API函數(shù)可用于繪制圖形和文本。作為GDI的升級版，GDI+新增了諸如漸變畫筆、基數(shù)樣條、alpha混合等功能，并且實(shí)現(xiàn)了繪制邊框和填充的分離，使得GDI+在繪圖方面比GDI更加出色[6]，使用GDI+的這些新特性可以輕松繪制出漂亮的衛(wèi)星視圖界面和PDA終端運(yùn)行軌跡。

4.1 二維星空圖的繪制

為了繪制星空圖，首先需要對包含衛(wèi)星方位信息數(shù)據(jù)的$BDGSV語句進(jìn)行解析，以$BDGSV數(shù)據(jù)為例，$BDGSV，2，1，7，161，50，126，38，163，47，235，40，164，32，109，37，166，65，148，40*53

可以看出本系統(tǒng)中的GSV消息總數(shù)2，本條消息為1號消息，本系統(tǒng)可見的衛(wèi)星總數(shù)為7顆，第1～第4顆衛(wèi)星的衛(wèi)星號依次為：161、163、164、166， 第1～第4顆衛(wèi)星的仰角（0～90度）依次為：50、47、32、65，第1～第4顆衛(wèi)星的方位角（0～359度）依次為：126、235、109、148，第1～第4顆衛(wèi)星的信噪比（0～99dBHz）依次為：38、40、37、40。提取繪圖所需的衛(wèi)星的顆數(shù)以及各個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星號、方位角、仰角、信噪比等信息，利用GDI+繪制出北斗二維星空圖，實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖3所示。程序運(yùn)行繪制過程中為避免繪制時(shí)間過長或者星空圖界面閃爍，采用了雙倍緩沖的方法，即先把文本繪制到圖像上，再在完成了所有的繪圖操作后，把整個(gè)圖像繪制到窗口中。

4.2 PDA移動終端的軌跡采集

當(dāng)前基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的巡檢、監(jiān)控和導(dǎo)航等軟件已經(jīng)非常成熟，但是大多都是基于美國的GPS系統(tǒng)的，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的巡檢監(jiān)控軟件剛開始發(fā)展不久，還處于起步階段，而其中，PDA終端的軌跡采集無疑是這類應(yīng)用軟件中的核心功能之一，這類導(dǎo)航監(jiān)控軟件大部分的其他擴(kuò)展應(yīng)用功能都是建立在此基礎(chǔ)之上完成的。因此本文對PDA終端的軌跡采集功能的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了初步討論并且編寫了程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

首先對$BDGGA數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取出經(jīng)緯度等信息。以$BDGGA數(shù)據(jù)為例：$BDGGA，071437.000，2258.8881，N，11321.4923，E，1，5，0.702，48.137，M，0，M，*58

可以看出當(dāng)前移動終端所處的位置是：北緯22度58.8881分，東經(jīng)113度21.4923分，橢球高是48.173米，接收時(shí)間是7點(diǎn)14分37秒（UTC），參與定位的北斗衛(wèi)星是5顆，定位狀態(tài)為單點(diǎn)定位，這里每隔1秒接收一次數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)行跟蹤定位時(shí)可以實(shí)時(shí)得到所處的位置。然后提取出精度、緯度信息，通過高斯正算轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，通過屏幕校正處理，利用GDI+將坐標(biāo)繪制在終端屏幕上，繼而得到終端的運(yùn)行軌跡。

5 網(wǎng)絡(luò)通訊

PDA終端作為客戶端，通過IP地址和PC端服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，將采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)送至PC服務(wù)端，這樣可以利用PC機(jī)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的存儲應(yīng)用。為節(jié)省資源同時(shí)提高通信效率手持機(jī)端將數(shù)據(jù)重新組織按照自定義的格式發(fā)網(wǎng)PC服務(wù)端，自定義數(shù)據(jù)格式表1所示，PC服務(wù)器端接收自定義的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的解析和應(yīng)用。

本文采用Socket接口進(jìn)行PDA端和PC端的網(wǎng)絡(luò)通訊，Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，通常也稱作“套接字”，應(yīng)用程序通常通過“套接字”向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求[7]。Socket接口定義了許多函數(shù)或例程，可以用它們來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序，程序根據(jù)連接啟動的方式以及本地套接字要連接的目標(biāo)，套接字之間的連接過程可以分為三個(gè)步驟：服務(wù)器監(jiān)聽，客戶端請求，連接確認(rèn)。

PDA客戶端：

socketSender = new Socket（AddressFamily.InterNetwork， SocketType.Stream， ProtocolType.Tcp）；

IPHostEntry ipHost = Dns.GetHostEntry（ipaddress）；

PAddress ipAddress = ipHost.AddressList[0]；

IPEndPoint ipEndPoint = new IPEndPoint（ipAddress， portnumber）；

socketSender.Connect（ipEndPoint）；//連接

socketSender.Send（bytesenddata）；//發(fā)送組織好的數(shù)據(jù)

PC服務(wù)端：

listener = new Socket（AddressFamily.InterNetwork， SocketType.Stream， ProtocolType.Tcp）；

portnumber = int.Parse（txtPortNumber.Text.Trim（））；endprint

listener.Bind（new IPEndPoint（IPAddress.Any， portnumber））；

listener.Listen（10）；

byte[] receivedBytes = new byte[4096]；

int bytesNum = socket.Receive（receivedBytes）；

receivedValue = Encoding.ASCII.GetString（receivedBytes， 0， bytesNum）；

6 結(jié)束語

本文討論了在Windows CE6.0操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上如何接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了OEM板與PDA之間的通訊，并且對接收到的北斗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，初步實(shí)現(xiàn)了對于北斗數(shù)據(jù)的簡單應(yīng)用，可進(jìn)一步應(yīng)用于車輛監(jiān)控、車載導(dǎo)航、氣象探測、海洋漁業(yè)和電信電力受時(shí)等領(lǐng)域，對推動實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)民用化、產(chǎn)業(yè)化有著現(xiàn)實(shí)的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉偉.基于“北斗一號”車載導(dǎo)航終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010：1-80.

[2]劉興，王德明，劉維亭.基于Windows CE的GPS-OEM板的數(shù)據(jù)接收與處理[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19（2）：50-53.

[3]Zhou Jing translate. Visual C# 2005 From approaches to master. Beijing Tsinghua University presse [M].2006.

[4]李永隆.PDA程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]徐成，秦云川，劉彥.Windows CE內(nèi)核定制與驅(qū)動程序開發(fā)[M].中國電力出版社，2011.

[6]John C.Database design and programming with access，SQL and visual C[M].[S1]：The MacGraw-Hill Co.Ltd，2002.

[7]Joan Daemen，Vincent Aijme. The Design of Rijindael：AES-the Advanced Eneryption Standard[J]. Springer Verlag， 2003：57-72.endprint