基于嵌入式Linux 的移動(dòng)終端的軟件設(shè)計(jì)

引言

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用程序都是建立在它之上。實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可分為兩種：商用型和免費(fèi)型。商用型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價(jià)格昂貴。免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，目前主要有 Linux、μC/OS 等。

　　與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，嵌入式 Linux 具有開放源代碼、高可靠性以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)勢(shì)，因此選用了嵌入式 Linux 系統(tǒng)作為移動(dòng)終端的軟件平臺(tái)。

　　2 車輛監(jiān)控系統(tǒng)概述

　　車輛監(jiān)控系統(tǒng)是融全球定位技術(shù)（GPS）、地理信息技術(shù)（GIS）和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）于一體的高科技系統(tǒng)，由移動(dòng)終端、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成[1]。移動(dòng)終端安裝在各個(gè)移動(dòng)車輛上，其上的 GPS 接收器實(shí)時(shí)采集衛(wèi)星定位信息，然后通過串口 1 傳送給 ARM 處理器。ARM 處理器先解算出有用的數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度、速度、狀態(tài)等），然后按照 TCP/UDP 協(xié)議的格式封裝成 TCP/UDP 數(shù)據(jù)包，接著加上 IP 報(bào)頭和報(bào)尾封裝成 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。由于 ARM 處理器與 GPRS 通信模塊之間的通信遵循 PPP（Point to Point Protocol，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議），因而，需要將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)按照 PPP 幀的幀格式封裝成 PPP 幀，然后傳遞給接在串口 2 上的 GPRS 通信模塊。GPRS 通信模塊通過無線鏈路將數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)送到 SGSN（Serving GPRS Support Node，GPRS 業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）。SGSN 進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并按照 GPRS 特有的 GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS 隧道協(xié)議）將數(shù)據(jù)封裝成 GTP 包，然后通過 GPRS 骨干網(wǎng)傳送到相應(yīng)的 GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）。GGSN 也進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，再根據(jù)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的協(xié)議格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行新的封裝，并且根據(jù)其目的 IP 地址選擇路由進(jìn)行傳送，從而最終傳送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示，并對(duì)被監(jiān)控車輛的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢。同時(shí)，監(jiān)控中心也可以向移動(dòng)終端發(fā)送文本信息和控制命令。

　　由此可見，移動(dòng)終端的核心功能是接收 GPS 信號(hào)、處理 GPS 數(shù)據(jù)以及通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信（包括向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息和接收監(jiān)控中心的指令）。

　　3 移動(dòng)終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

　　在移動(dòng)終端上，軟件系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：GPS 信號(hào)接收程序、GPS 數(shù)據(jù)處理程序和 GPRS 通信程序。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺(tái)下，移動(dòng)終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 移動(dòng)終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 2 GPS 信號(hào)接收程序的層次結(jié)構(gòu)

　　3.2 GPS 信號(hào)接收程序

　　對(duì)于移動(dòng)終端，它的第一個(gè)任務(wù)就是接收 GPS 信號(hào)。在嵌入式 Linux 系統(tǒng)平臺(tái)下，GPS 信號(hào)接收程序的層次結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

　　其中，tty 層、N_TTY 行規(guī)程（Line Discipline）層和低層驅(qū)動(dòng)程序是嵌入式 Linux 系統(tǒng)中串行通信驅(qū)動(dòng)模塊三個(gè)固有的邏輯層，這三層之間有相互調(diào)用的接口函數(shù)。嵌入式 Linux 系統(tǒng)提供了多種行規(guī)程供各類設(shè)備進(jìn)行選擇，如：TTY 行規(guī)程（N_TTY）用于連接終端輸入驅(qū)動(dòng)設(shè)備和終端顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)備，而 PPP 行規(guī)程（N_PPP）用來連接終端驅(qū)動(dòng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。GPS 信號(hào)接收程序使用了 N_TTY 行規(guī)程，GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過 N_TTY 行規(guī)程模塊進(jìn)行規(guī)范處理。低層驅(qū)動(dòng)程序用來直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，而 flip_buffer 是低層驅(qū)動(dòng)程序和 N_TTY 行規(guī)程之間的高速接口，它保存 GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)。

　　在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中，內(nèi)核給接在串口 1 上的 GPS 接收器提供了一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn) /dev/ttyS0 以及標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口[2]。這樣，GPS 信號(hào)接收程序?qū)υO(shè)備節(jié)點(diǎn) /dev/ttyS0 的操作就會(huì)被內(nèi)核映射成對(duì) GPS 接收器的操作。當(dāng) GPS 接收器接收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，會(huì)觸發(fā)低層驅(qū)動(dòng)程序事先注冊(cè)到系統(tǒng)中的中斷處理函數(shù)，從而調(diào)用函數(shù) receive_chars( ) 把數(shù)據(jù)填充到 flip_buffer 中，然后調(diào)用函數(shù) tty_flip_buffer_push( ) 將數(shù)據(jù)傳遞給 N_TTY 行規(guī)程模塊。N_TTY 行規(guī)程模塊中的函數(shù) n_tty_receive_buf( ) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理后將其存入 tty 緩沖區(qū)中，供應(yīng)用層的 GPS 信號(hào)接收程序來讀取。

　　當(dāng)應(yīng)用層的 GPS 信號(hào)接收程序開始運(yùn)行時(shí)，它會(huì)向文件系統(tǒng)發(fā)出讀請(qǐng)求，文件系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此請(qǐng)求的對(duì)象為 tty 設(shè)備，于是調(diào)用函數(shù) tty_read( )，接著調(diào)用函數(shù) read_chan( ) 讀取 tty 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

　　3.3 GPS 數(shù)據(jù)處理程序

　　GPS 接收器與嵌入式 Linux 平臺(tái)之間的通信協(xié)議有很多種，這里采用的通信協(xié)議是 NMEA-0183，它規(guī)定了 GPS 數(shù)據(jù)的輸出速率為 4,800 波特，其輸出都是 ASCII 字符，工作模式為 8-N-1。通信協(xié)議 NMEA-0183 中包含的語句有 GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 等，要想知道車輛的位置信息，至少要提取出 GPGGA、GPGLL、GPRMC 中的一種。NMEA-0183 協(xié)議報(bào)文的語句格式如圖 3 所示。

圖 3 NMEA0183 的報(bào)文格式

　　其中，$ 為串頭，表示串的開始；AA 為識(shí)別符；XXX 為語句名；ddd…ddd 為數(shù)據(jù)字段，字母或數(shù)字；* 表示串尾；hh 表示 $ 與 * 之間所有字符代碼的校驗(yàn)和； CR > 為回車控制符； LF > 為換行控制符。

　　在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，主要關(guān)心的是時(shí)間、車輛的位置和速度等信息。因此，在移動(dòng)終端上，GPS 數(shù)據(jù)處理程序的主要功能是從 GPS 接收器接收到的數(shù)據(jù)中提取出 GPRMC 定位語句，忽略掉其他信息[3]。此后，移動(dòng)終端上的 GPRS 通信程序負(fù)責(zé)將相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。