1、 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 I 页 I 基于 ARM 的嵌入式 GPS 通讯 摘 要 由于全球定位系统在航天、航空、航海、海洋上程、大地测量、陆地导航以及军事上的大量运用及其广阔的应用前景，使得 GPS定位导航系统成为国内外相关领域竞相研究的对象 。 本文提出了一套结构完整的基于 ARM 处理器、开源嵌入式 linux 系统和开放式地图数据来构建嵌入式 GPS 地图定位导航系统的设计方案。 基于 GPS的卫星 定位 技术，可以将移动目标的动态位置 (包括经度和纬度 )、时间、状态等信息通过无线通信链 路实时传送到监控中心，从而在电子地图上显示出移动终端运动的轨迹，并对终端的位置、
2、速度、运动方向、报警信息等用户感兴趣的参数进行监控和查询。本文提出一种基于 ARM的嵌入式自动 定位 系统，具有占用资源少、高性能、高可靠性及可配置的特点，并可以成功移植到多种硬件和操作系统平台上。 在构建系统软硬件平台的基础上，通过研究 GPS 地图定位导航关键理论和技术，包括定位数据协议分析，系统数字地图选择，坐标转换，矢量地图的可视化和漫游、缩放等操作，设 计和开发上层 GPS、地图软件模块，从而实现 GPS 地图定位导航功能。 关键词 ：全球定位系统；数字地图；定位导航； Linux； ARM 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 II 页 II Based on the ARM e
3、mbedded GPS communications Abstract As the global positioning system in the aerospace, aviation, marine, ocean processes, geodesy, land navigation, and extensive use of its military broad application prospects, making the GPS positioning and navigation system into the field of competing domestic and
4、 foreign object of study. This paper presents a structured ARM-based processors, open source embedded linux system and the open map data to build an embedded GPS positioning and navigation system map design. Based on GPS satellite positioning technology, the dynamic can be a moving target position (
5、longitude and latitude), time, status and other information transmitted in real time via wireless communication link to the monitoring center, which is displayed on the electronic map of the trajectory of the mobile terminal movement, And the terminal position, velocity, direction of movement, alarm
6、 information of interest to users to monitor and query parameters. This paper presents an embedded ARM-based auto-positioning system, with a small footprint, high performance, high reliability and configurable features, and can be successfully ported to a variety of hardware and operating system pla
7、tforms. Building the system hardware and software platform, based on the GPS map navigation by studying the critical theory and technology, including the positioning data protocol analysis, system digital map to select, coordinate conversion, vector map visualization and roaming, zooming and other o
8、perations, design and Development of the upper GPS, map software modules, enabling GPS map navigation function. KeyWords: Global positioning system; Digital map; Orientation navigation; Linux; ARM 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 III 页 III 目 录 1 绪论 .1 1.1 选题背景 . 1 1.2 系统开发的目的及意义 . 1 1.3 嵌入式系统的现状及发展状况 . 2 1.4 嵌入式
9、系统概述 与 ARM 微处理器 . 3 1.4.1 嵌入式系统的定义 . 3 1.4.2 嵌入式系统分类 . 3 1.4.3 嵌入式系统的特点 . 4 1.4.3 ARM 简介 . 5 2 需求分析 .6 2.1 可行性分析 . 6 2.1.1 技术可行性分析 . 6 2.1.2 经济可行性分 析 . 6 2.1.3 使用可行性分析 . 7 2.1.4 法律可行性分析 . 7 2.2 需求分析的任务和目的 . 7 3 开发环境介绍 .9 3.1 嵌入式系统科研平台 . 9 3.2 开发平台简介 . 9 3.3 UP-TECHPXA270-S 开发平台逻辑图 . 10 4 概要设计 . 11 4
10、.1 GPS 原理及定位说明 . 11 4.1.1 GPS 概述 . 11 4.1.2 GPS 接口 . 13 4.2 系统总体功能分析 . 15 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 IV 页 IV 4.3 系统硬件平台设计 . 16 4.4 系统软件平台设计 . 17 5 详细设计与实现 . 20 5.1NMEA0183 协议格式分析 . 20 5.2 串口 I/O 应用开发 . 20 5.3GIS 地图子系统设计 . 21 5.3.1 系统数字地图 . 21 5.3.2 地图数据的读取 . 21 5.3.3 地图数据对象模型设计 . 22 5.3.4 地图数据坐标转换处理 . 22 5
11、.3.5 矢量地图的表示 . 23 5.3.6 地图的漫游和缩放 . 24 5.3.7 系统软件模块集成 . 24 5.4GPS 子系统实现 . 25 6 测试 . 34 6.1 测试目的 . 34 6.2 软件测试的内容 . 34 6.3 测试结果 . 34 6.3.1 功能测试 . 34 6.3.2 性能测试 . 34 6.3.3 子模块的测试 . 35 6.3.4 综合测试 . 35 6.4 测试结果分析 . 35 结论 . 36 致谢 . 37 参考文献 . 38 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 1 页 1 1 绪论 1.1 选题背景 下面详细分绍一下 GPS 技术、嵌入式系统
12、及 ARM 微处理器。 应用的一部 分 ,使用计算机对企业单位的各项信息进行管理，具有着手工管理所无法比拟的优点。例如 :检索迅速、查找方便、可靠性高、存储量大、保密性好、寿命长、成本低等。 由于 GPS 技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域 。 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布 2000 年至 2006 期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消 SA 政策， GPS 民用信号精度在全球范围内得到改善，利用 C/A 码进行单点定位的精度由 100 米提高到 20 米 ，这将进一步
13、推动 GPS 技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激 GPS 市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车 GPS 导航系统， 2000 年后的市场将达到30 亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到 50 亿元人民币。可见， GPS 技术市场的应用前景非常可观 。 1.2 系统开发的目的及意义 从美国的 GPS 全球卫星定位系统开始，这项以位置信息为聚焦点的技术逐渐进入了人们的视野，并受到了极大的重视，发展速度迅猛。定位技术不 仅对国家安全、军事发展有着战略性的意义，而且通过与现有的商业应用服务相结合，为广大民众提供了一种基于位置信息的新型现代服务模式，带来了新
14、鲜的用户体验，并逐步渗透到人们日常生活的方方面面，正在成为生活中不可缺少的一种服务。 近十年来互联网的飞跃式发展，在引领了第三次信息产业革命的同时，也带来了其中诸多问题和隐患， 其中 的信息安全和网络安全问题就是一个明显例子。尤其是伴随着移动宽带接入技术的普及和发展，无线宽带网络安全隐患更是让政府相关监管部门和企业感到忧心忡忡。在这样的背景下，考虑无线宽带网络的自身特点和安全防 护需求，定辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 2 页 2 位技术与网络安全技术相结合所产生的基于位置信息的安全防护技术应运而生，而且必将有着广阔的发展空间和应用前景。 嵌入式 GPS 地图定位导航系统是综合运用 G
15、PS 定位技术、 GIS 地理信息技术和嵌入式系统等多种高新技术的应用系统，能够为用户提供随时随地的定位、导航和授时服务。 近几年涌现出大量的 GPS 定位导航设备以及解决方案，被广泛地应用到城市智能交通管理、现代物流调运、车辆监控等领域，极大地改善了人类的生产和生活，推动了信息化社会的发展。但目前嵌入式 GPS 定位导航系统从系统平台、开发环境到地图数据 、应用软件等几乎都处在一个商业化的封闭的环境下，造成了开发成本昂贵，安全性低，扩展性差，数据更新和交换困难，缺乏软件自主权等问题。 因此本文通过研究嵌入式 GPS 地图定位导航系统的相关理论、方法和技术，提出一套结构完整的基于 ARM/li
16、nux 的嵌入式 GPS 地图定位导航系统的设计方案及其实现。对设计和开发基于开放系统平台和数据标准的，安全、稳定、低成本的嵌入式 GPS地图定位导航 。 1.3 嵌入式系统的现状及发展状况 嵌入式系统无所不在，它几乎包括了我们周围的所有电器设备：掌上 PDA、移动计算设备、电视机顶 盒、上网手机、多媒体、汽车、微波炉等家庭自动化系统、电梯、安全系统、自动售货机、医疗系统、立体音响、蜂窝式电话、自动取款机等等。据统计，每年只有 10 20 的计算机芯片是为台式或便携式电脑而设计的，这也意味着每年有10 30 亿 CPU 是为嵌入式系统设计制造的。越来越多的设备需要复杂的嵌入式操作系统，因此为了
17、适应嵌入式设备的复杂性和多样性，缩短其开发周期，嵌入式系统应运而生。 中国有世界上最大的家用电子产品消费市场，彩电、 VCD、游戏机、学习机的拥有数量都居世界第一。随着消费结构的改变，人们对家电的灵活性和可 控性提出了更高的要求：这些只能通过家电的数字化和网络化来实现；随着电话通信费用和通信类电子产品的价格进一步下调， PDA 结合数字手机将成为今后个人数据通信和事务处理的最佳选择；同时，对于现代化的医疗、测控仪器和机电产品也需要有专用的嵌入式系统软件的辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 3 页 3 支持。这些需求都极大地刺激了国内嵌入式系统的发展和产业化过程。 1.4嵌入式系统概述 与
18、ARM 微处理器 1.4.1 嵌入式系统的定义 根据 IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers)的定义，嵌入式系统 是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置” ,这主要是从应用上加以定义的。目前国内普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 1.4.2 嵌入式系统分类 由于嵌入式系统本身是一
19、个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它一个明确的 定义。因此，目前通常把嵌入式系统概念的重点放在操作系统上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。根据不同的分类标准嵌入式系统有不同的分类方法。依据系统是否必须作为独立单元工作或必须具有网络功能，是否必须执行实时操作的标准，可以将嵌入式系统大致分为如下类型 。 1、 单机嵌入式系统 单机嵌入式系统以单机方式工作，获取输入并产生输出。输入可以是来自传感器的电信号，或者是来自人的命令，比如按下按钮。输出可以是驱动另一个系统的电信号，或者是为用户显示信息的 LCD(Liquid Crystal Disp
20、lay)显示。在制造厂 和汽车厂里很多用于过程控制的嵌入式系统可以被划入此类。在过程控制系统中，输入来自传感器，传感器将温度等物理信号转换为电信号，电信号成为能够控制阀门等设备的输出。在一些单机系统中，执行某项特定任务的响应时间不是至关重要的。 2、 实时嵌入式系统 有些嵌入式系统被要求在指定的时间内完成特定的任务。这样的系统被称为实时嵌入式系统。例如，例如当潮湿度超过特定阈值的时候，必须 30 毫秒内打开阀门的系统。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 4 页 4 如果该任务未能 30 毫秒内完成则可能产生严重的后果。这种必须严格符合实时约束条件的系统被称作 “ 硬实时嵌入式系统 ” 。还
21、有很多 系统有实时要求，但是对实时的要求不强，例如语音通信系统，语音包的延迟只会造成短暂的静默，不会有什么严重的后果，类似的这种系统被成为 “ 软实时嵌入式系统 ” 。 3、 网络设备 有些嵌入式系统与一个网络相连接，该网络通常是基于 TCP/IP(Transfer Controln Protocol/Internet Protocol)协议族的，比如 Internet 或者一个公司的企业内部互联网。这些系统能够监控某些参数 (比如温度和压力 )并将数据通过网络传送到中央系统实现在线监控。一个典型的例子就是对制造工厂的设备进行监控的系 统。该系统通过 TCP/IP 网络将数据传送到中央管理系统
22、，中央管理系统可以时运行 Web 浏览器的 PC 机。这些系统又被称为 “ Internet 信息设备 ” 。 4、 移动设备 随着能够支持极高速率的无线网络的出现，移动设备除语音服务外还能支持高速数据服务。这些设备需要运行功能强大的移动操作系统别从网站下载信息。现场人员可以使用像手提电脑和掌上电脑这样的设备完成数据采集，所输入的数据保留在本地存储器中，随后上传到公司的数据库中。这些设备都要求有功能强大的处理器和操作系统以及比较低的功耗。 1.4.3 嵌入式系统的特点 大体上看，嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比有一下几个主要的不同点： 1、 嵌入式系统通常是面向特定系统应用的。嵌入式处理器
23、大多数是专门为特定应用设计的，通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点，一般是包含各种外围设备接口的系统。 2、 嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业。它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3、 嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。只有这样才能适应嵌入式系统的应用需要，在产品价格性能等方面具备竞争力。 4、 嵌入式系统的生命 周期相当长。当嵌入式系统应用到产品以后，还可以进行软件辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 5 页 5 升级，它的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。 5、嵌入式系统不具备本地系统开发能力，通常需要有一套
24、专门的开发工具和环境。 1.4.3 ARM 简介 ARM是一种基于 RISC(精简指令集计算机 )构建的通用的 32位微处理器。 RISC是一种设计思想，目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度，这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此， RISC设计对编译器有更高的要求。相反，传统的复杂指令 集的计算机则更侧重于硬件执行指令的功能性，使 CISC指令变的更复杂。 ARM公司是业界领先酌 16 32位嵌入式处理器技术提供商，其产品占领了约 75的 RISC处理器市场。 ARM处理器核具有性能高、成本低和消耗小的特点，由
25、于市场占有率高，应用广泛， ARM处理器的某些标准已经成为便携式通信设备、手持计算机、多媒体数字消费等嵌入式解决方案 中 事实上的标准 。 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页 6 2 需求分析 需求分析是对用户提出的软件功能、性能等应用问题及其环境进行分析与理解，采用一系列的分析方法和技术，把系统分析阶段产生的系统规格说明和项目规划逐步精确化、 完全化、一致化，借助于当前系统的逻辑模型导出目标系统逻辑模型，最终形成需求规格说明文档的过程。 2.1 可行性分析 可行性分析不是去开发一个软件项目，也不是解决问题。而是分析这个软件项目是否值得去开发，其中的关键和技术难点是什么，问题能否得
26、到解决，怎样达到目的等。 可行性分析的主要内容包括技术可行性分析，经济可行性分析，是有可行性分析和法律可行性分析。 2.1.1 技术可行性分析 嵌入式系统是以 应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统 是目前最流行的一种连接软件与硬件的系统 ，功能及其强大 。 随着信息技术的发展和数字 化 产 品的 普及，Interact得到广泛深入的应用；从消费电器到工业设备，从民用器材到军用器材，嵌入式系统设备应用到网络、 手 持通信设备、国防军事、消费电子和自动 化 控制等 各 种领域。嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力使其成
27、为 2l世纪的应用热点之一。嵌入式系统通常是面向特定应用的，然而，嵌入式系统本身不仅与 一 般 PC上的应用系统不同， 而 且针对不 同 的具体环境 而设计的 嵌入式应用之 间 的差 别 也很大 。 由于嵌入式系统的专用性和多样 性，在嵌入式系统上部署 Linux系统一 般都需要进行大量的繁琐的移植工作，因此，探索在特定嵌入式平台上构建定制嵌入式 Linux系统的一般原理和方法，可以减少移植工作的盲目性，加快嵌入式 Linux 主要研究内容到目标平台的移植进度，加速产品进入市场的时间 (Time to Market)。 2.1.2 经济可行性分析 嵌入式 LINUX 系统是早期就被大家熟悉的一种简单的操作系统，运用 C/C+等基
