基于S3C2440的車載GPS/GPRS跟蹤監控系統研究與實現

摘 要：為了實現個人及集群車輛的安全管理，在S3C2440的硬件平臺基礎上，利用嵌入式Linux操作系統強大的內核與外設的功能，開發了具有導航跟蹤與監控功能的智能終端系統，介紹了該系統各個部分的組成原理與設計方法，優化了通信服務器的性能，解決了同類產品普遍存在的通信服務器性能瓶頸問題。

關鍵詞：ARM; GPS; GPRS; Linux

中圖分類號：

TN911-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Research and Realization of Vehicle-mounted GPS/GPRS

Tracking and Monitoring System Based on S3C2440

LAI Yin-jing， ZHANG Shu-guang

(North China Institute of Computing Technology， Beijing 100083， China)

Abstract： In order to achieve the safety management of vehicles belong to individuals and groups， the S3C2440-based intelligent terminal system with navigation， tracking and monitoring functions were developed by using the strong core and the external functions of embedded Linux OS. The principle and design method of each assembly are introduced. The performance of the communication server is optimized. The communication server bottleneck problems generally existing in similar products were solved.

Keywords： ARM; GPS; GPRS; Linux

收稿日期：2011-04-06

0 引 言

隨著交通系統的不斷發展和完善，定位導航系統的應用范圍和領域也越來越廣泛，基于GPS，GPRS/GSM，GIS等的車輛跟蹤與監控系統正在受到人們越來越多的青睞，顯示出強大的發展潛力［1］。GPS(Global Position System，全球定位系統)是美國從20世紀70年代開始的研制，1993年正式投入運行，它能夠全球、全天候、連續實時地為用戶提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息。GPS的出現從根本上改變了人們獲取空間信息的方式，特別是在交通工具導航、監控、跟蹤等領域具有很大的應用價值和發展潛力。

本文在ARM9的硬件平臺基礎上，利用嵌入式Linux操作系統強大的管理平臺的內核與外設的功能，開發了具有導航跟蹤與監控功能的智能終端系統。

1 跟蹤系統概述

根據車載系統的實際需要，本文在分析GPS的定位原理與GPRS的無線網絡結構及特點的基礎上，對硬件平臺各器件和模塊進行選擇，提出了終端硬件電路的設計方案；對實時嵌入式操作系統Linux的啟動代碼移植、內核定制、根文件系統的制作、驅動開發等方面進行了研究；通過選擇導航電子地圖數據，坐標轉換庫和圖形用戶界面等設計了終端的應用程序，并為服務中心的導航監控程序給出一個可行的方案。

2 硬件設計

本系統的終端是以ARM9TDMI-S內核的三星S3C2440A為中央處理器，外設模塊有GPS模塊，GPRS模塊；使用實時多任務內核為Linux 2.6.14。

本系統硬件設計框圖如圖1所示，系統結構分為六部分，分別為處理器、存儲系統、人機接口系統、GPS定位部分、電源管理、GPRS無線通信部分。使用S3C2440作為主控處理器芯片協調其他四個子系統正常工作，完成GPS定位數據采集、存儲、圖形顯示、音頻采集與播放、用戶輸入，以及與GPRS的通信功能。

2.1 S3C2440介紹

S3C2440［2］是三星推出的一款基于ARM920TDMI-S內核的16/32位RISC嵌入微處理器，它是專為手持設備與一般的消費電子而設計的，能滿足小型嵌入式系統中低成本低功耗高性能小體積的要求，頻率穩定運行在405 MHz，最高可達533 MHz。S3C2440集成了豐富的片上資源，在開發過程中可有效減少外圍的設備部件，以降低系統的成本。

圖1 系統的硬件設計框圖

2.2 存儲系統

本系統使用的SDRAM是由韓國現代公司的HY57V561620芯片，作為數據存儲空間。該芯片具有32 MB的存儲空間和16 b數據寬度，適合需要大容量和高帶寬的嵌入式系統使用，芯片采用3.3 V的外部電源。整個存儲空間被分為4個Bank，每個Bank的容量為4M×16 b。

使用的NAND FLASH是三星公司推出的K9F1208芯片，作為程序存儲空間。芯片工作電壓為3.3 V，該芯片的存儲容量為64 MB，整個存儲空間被分為4 096個Block，每個Block又被分成32個Page，而每個Page的容量為528 B(512 B+16 B)，其中16 B空間是作為I/O緩沖器使用的。

考慮到系統需要存儲大量的地圖信息，而NAND FLASH只有64 MB，其中絕大部分的空間已被Linux操作系統的啟動代碼及操作系統的鏡像和系統根文件系統占用。因此，在設計系統時加入了SD卡接口電路。S3C2440集成了SDI接口，該接口支持各種容量的SD卡，并可工作在DMA模式和中斷模式。

2.3 人機接口模塊

LCD液晶屏由于具有體積小、重量輕、低電壓、低功耗等特點，非常適合本系統的要求。LCD屏顯示圖像，不但需要LCD驅動器，還需要有相應的LCD控制器。LCD控制器則有專門的外部電路來實現。S3C2440芯片集成了LCD控制器，可以支持各種單色，偽彩，真彩液晶屏，TFT彩屏，還提供1通道的LCD專用DMA。本系統中所外接的LCD是NEC 35寸觸摸式、彩色液晶屏，型號為NL2432HC22-23B。

2.4 GPS模塊

GPS系統采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛星之間的距離作為基本觀測量。通過對4顆或4顆以上的GPS衛星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。根據所接收到的經緯度信息，與電子地圖數據進行比較，可在地圖上顯示出車輛當前的位置和行駛方向。

GPS模塊是GPS15L/H。接口特性如下：RS 232輸出，可輸入RS 232或者具有RS 232極性的TTL電平。可選的波特率為：300 b/s，600 b/s，1 200 b/s，2 400 b/s，4 800 b/s，9 600 b/s，19 200 b/s。

串口輸出協議：輸出NEMA0183格式的ASCII碼語句，輸出：GPALM，GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG(NMEA標準語句)；PGRMB，PGRME，PGRMF，PGRMM，PGRMT，PGRMV (GARMIN定義的語句)。還可將串口設置為輸出包括GPS載波相位數據的二進制數據。輸入：初始位置、時間、秒脈沖狀態、差分模式、NMEA輸出間隔等設置信息。在缺省的狀態下，GPS模塊輸出數據的波特率為4 800 b/s，輸出信息包括：GPRMC，GPGGA，GPGSA，GPGSV，PGRME等，每秒鐘定時輸出。

2.5 GPRS模塊

考慮到監控車輛是移動的，因此車載終端和監控中心之間的數據傳輸必須采用無線的方式。本系統采用西門子公司的GPRS模塊SIM300，該模塊適合工作在環境變化大，周圍環境較惡劣的場所。本模塊具有標準AT命令接口［3］，可以提供GSM語音、短消息和GPRS上網等業務。根據系統的功能要求，本系統只要實現S3C2440與模塊之間的通信，并將GPS的經緯信息發給服務中心，并進行服務中心與客戶終端之間的話音信息傳送。

3 應用程序的設計

3.1 導航程序的設計思路

開發終端導航應用軟件至少做以下幾個方面的工作：

(1) 導航電子地圖一般都是分層的數字矢量地圖，具有一定的分層結構，比如道路層、興趣點層、文本層等。它提供最低層的地理位置經緯度信息，還有對經緯度信息以及每個數據字段進行詮釋的相關文檔。

(2) 平面、球面坐標的轉換程序，導航電子地圖的原始數據都是經緯度的坐標信息，需要將這些經緯度的坐標信息轉換為平面坐標的形式才能制作出電子地圖。在開發過程中，實現某種功能還需要平面坐標和球面坐標的來回轉換。

(3) 圖形用戶界面。本系統選用QT/Embeded來作為圖形用戶接口界面。QT Designer是一個跨平臺的符合C++規范的圖形用戶界面程序開發工具。QT本身是一個類庫，它遵循C++規范，同時對C++作了一些擴充。它主要用于Linux系統，是構造KDE桌面環境的基礎。

3.2 導航程序的開發

導航電子地圖數據實際上是分層的矢量地圖形式，首先需要使用QT的圖形顯示函數將矢量地圖分層畫出，分為道路層、道路名層、交叉結點層、興趣點層等，然后在此基礎上開發出相應的功能。整幅地圖可用一個對象來表示，每個矢量地圖層可看作是大對象內的一個小對象，它們之間是包含關系。以后的操作是根據不同的功能對不同的矢量層對象進行操作。

3.3 服務中心的程序設計

服務中心的軟件，主要負責對車輛的位置進行監控，并對運營車輛進行調控。設計本系統時，為節省開發時間，使用了第三方的地圖軟件，在開發時主要做的就是在PC機端接上GPRS模塊，用于接收終端發送過來的位置信息，把接收到的信息進行解析，并把取得的數據提供給地圖軟件。

車輛跟蹤監控是系統最基本、最重要的功能，是指系統有效運行時對車輛行駛狀態進行實時監控，在電子地圖上實時地顯示地圖匹配后受控車輛的運行軌跡［4］。監控中心通信服務器接收到車載單元發送來的信息后轉發給指定的監控臺，監控臺系統軟件對定位數據解析后，根據位置信息將車輛在電圖上顯示出來。車輛跟蹤監控程序設計流程圖如圖2所示。

圖2 本系統的工作流程圖

4 Linux交叉編譯環境的建立及程序的實現

基于Linux操作系統的應用開發環境一般是由目標系統硬件(開發板)和宿主PC機所構成［1］。目標硬件開發板用于運行操作系統和系統應用軟件，而目標板所用到的操作系統的內核編譯、應用程序的開發和調試則需要通過宿主PC機來完成(所以稱為交叉編譯)。雙方之間一般通過串口，并口或以太網接口建立連接關系。

4.1 Boot-loader啟動代碼的原理

在嵌入式系統中，系統引導程序(Boot-loader)可以完成對ARM板上的主要部件如CPU，SDRAM，FLASH，串行口等進行初始化操作，也可以下載文件到系統板，對FLASH進行擦除與編程。Boot-loader主要作用是初始化一些必要的設備，然后調用內核，同時傳遞參數給內核。其工作流程如下：檢測SDRAM的位置和大小并進行初始化；初始化并啟動一個串口，作為內核的控制臺；檢測系統結構，檢測機器類型；創建和初始化內核，傳遞系統內存的大小和位置，以及根文件系統的位置。

4.2 配置MINICOM

在Linux操作系統Xwindow界面下建立終端(在桌面上點擊右鍵→新建終端)，在終端的命令行提示符后輸入MINICOM，回車，出現WINCOM的啟動畫面，然后按照提示設置即可。

4.3 編程和調試

在此交叉編譯環境下，根據前面提到的GPS定位原理，經過編程和調試，在目標平臺的液晶顯示屏上可顯示本地的地理位置信息。

5 結 論

本文在分析課題的研究背景與意義，根據系統的需求，給出系統的總體設計方案，完成了基于S3C2440的ARM9處理器設計的車載GPS/GPRS系統的設計研究，包括系統硬件平臺的設計以及嵌入式操作的移植和上層應用軟件開發的總體思路。

基于S3C2440硬件平臺，利用Linux嵌入式操作系統進行平臺資源的整合，并根據GPS提供的位置信息進行車輛定位，利用GPRS無線通信手段實現終端與服務中心的通信，完成車輛的監控。本系統對通信服務器的性能做了優化，解決了同類產品普遍存在的通信服務器性能瓶頸問題，能夠為使用者帶來管理和決策的信息化依據，提供管理的科學性與準確性。

參 考 文 獻

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