牛 立,王景中

（北方工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院多媒體實(shí)驗(yàn)室,北京100144）

Windows CE是一個(gè)開(kāi)放的、可裁剪的、32位實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統(tǒng)，具有可靠性好、實(shí)時(shí)性高、內(nèi)核體積小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種智能式設(shè)備的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)通過(guò)微軟提供的Platform Builder定制需要的Windows CE5.0系統(tǒng)，運(yùn)行在硬件平臺(tái)上。硬件平臺(tái)采用博創(chuàng)科技PXA270實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)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(dǎo)航芯片采用天寶iQ 46240，將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給處理器。串口是計(jì)算機(jī)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(xiě)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(jì)方法。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)有效性確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)型格式。此設(shè)計(jì)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(jì)

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(jī)和下位機(jī)通信。上位機(jī)可以讀取下位機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置下位機(jī)的狀態(tài)。一般串行通信協(xié)議可分為兩類(lèi)，即讀和寫(xiě)。讀寫(xiě)協(xié)議的描述如圖1所示，常用的效驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，GPS接收裝置作為下位機(jī)只負(fù)責(zé)提供固定格式的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)箱作為上位機(jī)不必發(fā)送指令，只負(fù)責(zé)定時(shí)讀取GPS接收裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)。即可以簡(jiǎn)化通信協(xié)議，提高工作效率。

1.1 設(shè)計(jì)開(kāi)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(duì)應(yīng)的SDK并安裝；

(4)利用PB將定制的wince系統(tǒng)下載到實(shí)驗(yàn)箱上，并與 PC機(jī)同步[2]。

1.2 同步I/O方式讀取的設(shè)計(jì)方法

為完成串口通信同步I/O方式程序設(shè)計(jì)，分為三個(gè)部分，每個(gè)部分有一個(gè)函數(shù)完成其對(duì)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(duì)應(yīng)了串口設(shè)置的三個(gè)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(jì)的核心代碼實(shí)現(xiàn)

1.3.1 打開(kāi)并設(shè)置通信串口參數(shù)

以同步讀取方式打開(kāi)串口COM1

1.3.2 GPS定位信息的接收

在成功打開(kāi)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(jìn)行接收處理，通過(guò)等待EV_RXCHAR事件的發(fā)生來(lái)啟動(dòng)ReadFile函數(shù)完成對(duì)GPS定位信息的接收：

2 對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行處理

對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所使用的iQ46240接收芯片，其發(fā)送到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)(采用NEMA0183語(yǔ)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”、“$GPRMC”等。 這些幀頭標(biāo)識(shí)了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各幀均以回車(chē)符和換行符作為幀尾識(shí)別一幀的結(jié)束。本文中，定位數(shù)據(jù)經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等均可以從“$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(dǎo)航數(shù)據(jù)有效性確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)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(huì)的方法確定待測(cè)點(diǎn)的位置。假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)安置GPS接收機(jī),可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，加上接收機(jī)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(gè)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(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn) 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(jī)的距離。 Δti(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星 1、2、3、4 的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。c為GPS信號(hào)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(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得，Vti代表衛(wèi)星鐘差,Vt0為接收機(jī)的鐘差。

由以上4個(gè)方程式可計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo) x、y、z和接收機(jī)的鐘差Vt0。因此導(dǎo)航數(shù)據(jù)能夠有效計(jì)算必須保證接收到4個(gè)衛(wèi)星的星歷。對(duì)固定格式的導(dǎo)航電碼中提取衛(wèi)星符號(hào)進(jìn)行確認(rèn),如果滿足4個(gè)衛(wèi)星的接收狀態(tài)即可確定當(dāng)前接收的導(dǎo)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(biāo)，為精確起見(jiàn)，4顆衛(wèi)星可以保證獲得三維空間坐標(biāo)。

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(jìn)行的[5]。幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號(hào)分割，因此在處理緩存數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)搜索ASCII碼“$”來(lái)判斷是否是幀頭。對(duì)幀頭類(lèi)別進(jìn)行識(shí)別后，再通過(guò)對(duì)所經(jīng)歷逗號(hào)的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)來(lái)判斷當(dāng)前處理的是哪一種定位導(dǎo)航參數(shù)，并做相應(yīng)的處理。eVC支持CString類(lèi)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(qiáng)制轉(zhuǎn)化為字符串類(lèi)型。

WCHAR wszbuf[512];

mbstowcs(wszbuf,(char*)buf,strlen((char*)buf));字符串類(lèi)型進(jìn)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(biāo)

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(biāo)準(zhǔn)。

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

當(dāng) iSatelliteNum＞3&&state==‘1’ 時(shí)說(shuō)明接收到的是有效數(shù)據(jù)，可對(duì)strRecv中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并賦給經(jīng)緯度和時(shí)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(diǎn)型數(shù)據(jù)，通過(guò)atof函數(shù)實(shí)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(chǔ)的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的處理。

3 程序運(yùn)行結(jié)果分析

程序運(yùn)行后，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上收集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)以上結(jié)果分析，可知通過(guò)串口在不同時(shí)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(diǎn)地圖數(shù)據(jù)，在編寫(xiě)程序時(shí)調(diào)用超圖接口函數(shù)打開(kāi)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(diǎn)并以文本方式輸出到界面。

表1 提取到的部分?jǐn)?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(jì)，對(duì)GPS全球定位系統(tǒng)定位信息的接收和數(shù)據(jù)提取進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論。主要解決了EVC編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)串口通信功能、對(duì)GPS定位信息的提取和處理的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)對(duì)wince5.0自定義平臺(tái)下開(kāi)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(xiàng)目中盲用定位模塊。

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