GPS导航数据抽取的设计与研究
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摘 要: 为解决盲用定位模块在嵌入式平台下实现的问题,根据串口通信同步方式实现Windows CE 5.0操作系统下GPS导航数据的提取,并对获得的数据提出一种格式转换的方法。以PXA270嵌入式系统平台实现系统原型,在有限硬件条件下验证了系统的功能及可行性。实验结果表明,该系统运行稳定,实验数据可靠有效,可以有效结合电子地图数据提取出周边的位置信息。
Windows CE作业系统是Windows家族中最新的成员,专门设计给掌上型电脑(HPCs)所使用的电脑环境。这样的作业系统可使完整的可携式技术与现有的Windows桌面技术整合工作。 Windows CE 被设计成针对小型设备(它是典型的拥有有限内存的无磁盘系统)的通用操作系统,
Windows CE 可以通过设计一层位于内核和硬件之间代码来用设定硬件平台,这即是众所周知的硬件抽象层(HAL)(在以前解释时,这被称为 OEMC (原始设备制造)适应层,即 OAL; 内核压缩层,即 KAL。 以免与微软的 Windows NT 操作系统 HAL 混淆) 。
Windows CE 是一个开放的、可裁剪的、32位实时嵌入式窗口操作系统,具有可靠性好、实时性高、内核体积小的特点,广泛应用于各种智能式设备的开发。系统通过微软提供的Platform Builder定制需要的Windows CE5.0系统,运行在硬件平台上。硬件平台采用博创科技PXA270实验箱,该实验箱嵌入式处理器是基于ARMV5E的Xscale核心PXA270,并支持串口通信。
GPS导航芯片采用天宝iQ 46240,将接收到的数据通过串口发送给处理器。串口是计算机系统与外部串行设备之间的数据传输通道,是嵌入式通信最可靠、最通用的通信方式。程序员利用Windows API函数可以编写出高效、可移植性的应用程序。Windows CE不支持Windows下常用的串行通信异步I/O方式(Overlapped,非阻塞),因此在嵌入式环境下采用了同步I/O方式的通信程序设计方法。
实验设计根据GPS导航数据有效性确认的标准,对提取的数据进行处理,把缓存中接收到的GPS数据格式转化为电子地图上常用的浮点型格式。此设计已应用于智能阅读器盲用定位模块中。
1 串口通信同步I/O方式的程序设计
串口通信是串行通信的一种,串行通信的模式一般分为上位机和下位机通信。上位机可以读取下位机的状态数据,也可以设置下位机的状态。一般串行通信协议可分为两类,即读和写。
串口通信的概念非常简单,串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时,规定设备线总长不得超过20米,并且任意两个设备间的长度不得超过2米;而对于串口而言,长度可达1200米。典型地,串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成:(1)地线,(2)发送,(3)接收。由于串口通信是异步的,端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手,但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。
在实验设计中,GPS接收装置作为下位机只负责提供固定格式的数据,实验箱作为上位机不必发送指令,只负责定时读取GPS接收装置发送的数据。即可以简化通信协议,提高工作效率。
1.1 设计开发环境
在Windows NT/ME环境下安装eVC4.0编程环境,设置顺序如下:
(1)安装同步软件Microsoft AcTIveSync 4.0;
(2)安装eVC4.0;
(3)利用PB(Platform Builder5.0)定制Wince系统对应的SDK并安装;
(4)利用PB将定制的wince系统下载到实验箱上,并与PC机同步[2]。
1.2 同步I/O方式读取的设计方法
为完成串口通信同步I/O方式程序设计,分为三个部分,每个部分有一个函数完成其对应的功能[3]。函数原型为:
ONOpenCom(); //打开并设置串口
ReadThreadFunc(LPVOID lparam); //串口接收线程
OnSeriesRead(CWnd *pWnd, BYTE *buf, int bufLen);
//串口接收数据成功回调函数
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。
xi,yi,zi(i=1,2,3,4)分别代表卫星1、2、3、4在t时刻的空间直角坐标,可由卫星导航电文求得,Vti代表卫星钟差,Vt0为接收机的钟差。
由以上4个方程式可计算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vt0。因此导航数据能够有效计算必须保证接收到4个卫星的星历。对固定格式的导航电码中提取卫星符号进行确认,通常,3颗卫星可以在二维平面上得到经度纬度坐标,为精确起见,4颗卫星可以保证获得三维空间坐标。
2.2 有效数据提取和数据格式转化
有效数据的提取和数据格式转化都是在回调函数中进行的[5]。eVC支持CString类型格式,由于定位信息格式固定,本文先利用mbstowcs函数将缓存中的字符型数据转换为宽字符型,然后强制转化为字符串类型。
WCHAR wszbuf[512];
mbstowcs(wszbuf,(char*)buf,strlen((char*)buf));字符串类型进行处理,然后利用Find函数,搜索"$GPGGA",
strRecv.Find(_T("$GPGGA"),1);
state=strRecv.Mid(pos+37,1);
得到GPS 质量指示指标
strSatelliteNum=strRecv.Mid(pos+39,1) ;
int iSatelliteNum=atoi((LPSTR)(LPCTSTR)strSatelliteNum);
当iSatelliteNum>3&& state = =‘1’时说明接收到的是有效数据,可对strRecv中的数据进行提取,并赋给经纬度和时间变量。
strLatitude =strRecv.Mid(pos+16,8);
strLongitude=strRecv. Mid(pos+27,9);
double Longitude_new = (atof(strLongitude))/100;
这样将经度纬度信息提取到GPS结构数组中,后续的处理和高层决策可根据该结构中存储的数据作出相应的处理。
3 程序运行结果分析
结果分析,可知通过串口在不同时段接收的数据是比较稳定的,能够以此为基础提取到有效的数据和定位信息,本系统结合超图格式(pwr,pmw)的北京市公交站点地图数据,在编写程序时调用超图接口函数打开电子地图数据,将串口接收到的数据读入,得到附近的公交站点并以文本方式输出到界面。
本文结合相关程序代码陈述了基于eVC环境下串口通信程序的设计,对GPS全球定位系统定位信息的接收和数据提取进行了详细的分析和讨论。主要解决了EVC编程环境下实现串口通信功能、对GPS定位信息的提取和处理的问题。实验对wince5.0自定义平台下开发GPS接收装置给出了代码样例供参考,并已应用于智能阅读器项目中盲用定位模块。