嵌入式Linux平台的GPS数据采集研究

  随着GPS(全球定位系统)和便携移动设备的飞速发展，各种各样以GPS为基础的便携式定位系统相继出现．嵌入式Linux以其开放性、安全性、健壮性和 稳定性越来越成为各种便携设备的主要开发平台，因此GPS模块与嵌入式Linux平台之间的通信成了实现定位系统的基础．
    GPS模块与嵌入式Linux平台之间进行数据传送，大多采用异步串行传送方式，GPS作为终端设备(DTE)与嵌入式平台之间通过RS-232C串行通 信接口进行数据交换．因此，与GPS的数据通信在实现上即是LinuX下的串口编程，对于两者之间的通信协议，可选的协议有很多种，而NMEA0183是 目前普遍采用的一种。

1 NMEA0183通信协议
    NMEA0183是GPS数据的通信协议，GPS的通信协议有很多种，但目前绝大多数GPS模块生产厂商都采用NMEA0183协议作为其遵循的标准，因此在实现GPS与嵌入式Linux平台之间的通信时，应先对NMEA0183协议有一定的了解。
(1)NMEA0183的通信参数．波特率：4800baud；数据位：8；奇偶校验：无；停止位：1位．
(2)NMEA0183的报文格式．NMEA 0183协议报文的语句串(ASCII字符)格式全部信息如图1．
$AAXXX     ,ddd     ……     ,ddd     *hh     <CR><LF>
图1 NMEA0183的报文格式
    图1中具体内容：$为串头，表示串开始；AA为识别符；XXX为语句名；ddd...ddd为数据字段，字母或数字；*表示串尾；hh表示$与*之间所有字符代码的校验和；<CR>为回车控制符；<LF>为换行控制符．
    在实际的GPS应用中，并不会用到NMEA的全部信息，而是根据具体的需要，从中选取有用的信息，忽略其余的信息内容．
    例如：$GPRMC,152252,A,2513.3072,N,10346.3723,E,0.0,230.4,250503,1.3,W,A,* 02
    其中，$GPRMC为串头，表示此语句为定位语句；“*”之前的内容为数据字段，“152252”为UTC24小时制的标准时间，格式为“时时/分分/秒 秒”；“A”表示信号接收状态，“A”表示接收正常，也可能为“V”，则表示一个警告，与卫星通信不正常；“2513.3072”表示纬度值；“N”标明 南北半球，“N”表示北纬，“S”表示南纬；“10346.3723”表示经度值；“E”标明东西半球，“E”表示东经，“W”表示西经；“0.0”表示 速度；“230.4”表示方位角，它的范围为000.0-359.9；“251205”表示UTC标准时间的日期，格式为“日日/月月/年年 ”；“1.3”表示磁偏角，范围为000.0-180.0；“W”表示地磁变化方向．

2 GPS数据的采集
    嵌入式Linux平台下的GPS数据采集涉及到Linux串口编程技术，因此首先介绍Linux串口编程的相关知识，再给出一个简单的代码段，实现GPS定位信息的获取．
2.1 Linux串口通信
    在Linux操作系统中，所有的设备都是被当作文件来进行操作的，所有的设备以设备文件的形式存储在目录/dev/下，串口的设备文件为/dev/ttyS*，其中，ttyS0为串口一，ttyS1为串口二，以此类推．
    Linux下定义了一个查询和操纵终端的标准接口，该接口被称为termios，在系统头文件<termios.h>中定义．它包括一个数据 结构和一系列操纵这些数据结构的函数组成．有关串口的所有参数配置都保存在接口termios的结构struct termios中，该结构定义如下：
struet termios
{
unsigned short c_iflag; /*输入模式标志*/
unsigned short c_oflag; /*输出模式标志*/
unsigned short c_cflag; /*控制模式标志*/
unsigned short c_lflag; /本地模式标志/
unsigned char c_line; /*控制协议*/
unsigned char c_cc[NCCS] /*控制字符*/
}
   其中的c_flag成员是用来控制输入处理选项的，它将影响到终端驱动程序在把输入发送给程序前是否对其进行处理，及怎样对其进行处理．c_oflag成 员是用来控制输出数据的处理，并决定在发送输出数据到显示屏和其他输出设备之前，终端驱动程序是否以及如何来处理它们．c_oflag用于存放各种决定终 端设备硬件特性的控制标志．存放在c_lflag中的本地模式标志用来操纵这样的一些终端特性，比如是否将输入字符显示到显示屏上．c_cc包含了特殊字 符序列的值，比如^(退出)和^H(删除)，以及它们所代表的操作．除了上面的这个包含串口参数配置的数据结构之外，termios中还包含许多控制串口 特性的函数．其中基本的函数如：tcgetattr()和tcsetattr()．tcgetattr()用来初始化一个termios数据结构，之后可 使用其它的函数来操纵由tcgetattr()返回的数据结构．完成这些操作后，使用tcsetattr()来更新串口的设置．
    其它对串口的打开、关闭、读取功能与其它的文件操作一致，使用open()、close()、read()函数完成．
    在采集GPS数据的过程中，需对所读取的数据进行鉴别区分，只选取其中有用的信息进行处理而忽略其余的信息，这需要根据NMEA0183协议中规定的语句格式来进行筛选．
2.2 GPs中定位信息的获取举例
    在嵌入式Linux系统中进行串口编程，读取GPS数据的定位信息．
/*包含必要的头文件*/
#include <termios.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
/*打开串口设备*/
int fd=open("/dev/ttyS0",O_RDWR|O_NOCTTY)/* O_RDWR表示以读写方式打开，O_NOCTTY表示串口不是控制终端*/
struet termios old_options,new_options
/*定义两个termios结构，其中，old_options用于保存原有的设备工作方式，new_options用于设置新的设备工作方式 */
tcgetattr(fd,&old_options) /*获取当前设备方式*/
/*设置结构体new_options中的c_jflag、c_oflag、c_cflag、c_lflag和c_cc，再用cfsetispeed()和cfsetospeed()函数设置波特率 */
new_options.c_cflag &= PARENB; /*无奇偶校验位*/
new_options.c_cflag &= CSIZE; /*不隐藏数据位*/
new_options.c_cflag &= CSTOPB; /*无停止位*/
new_options.c_cflag |=CS8; /*8位数据位*/
new_options.c_oflag=ICRNL; /*将输出的CR转换成NL*/
new_options.c_lflag=(ICANON | ECHO | ECHOE | SIG); /*选择原始输入模式，使输入字符与接收到的字符相同*/
new_options.c_cc[VTIME]=10; /*设置超时计时器为10x0.1=1秒*/
new_options.c_ce[VMIN]=76; /*设置读取的最小字符数为76个*/
cfsetispeed(&new_options,B4800); /*设置输入波特率为4800*/
cfsetospeed(&new_options,B4800); /*设置输出波特率为4800*/
tcflush(fd,TCIOFLUSH); /*丢弃队列中尚未传送或接收的数据*/
tcsetattr(fd,TCSANOW,&new_options); /*设置新的设备方式*/
/*完成终端的设置后，处理串口设备的GPS数据输入，从中选取有用的定位信息*/
int nByteRead =read(fd,buf,LENGTH);
if((buf[O]==$)&&(buf[3]==R)&&(buf[4]==M)&&(buf[5]==C))
/*检查语句串头若为RMC则表示此语句为定位语句，选取此语句内容，其余忽略*/
{
/*检验校验和，如果校验和正确继续，否则返回*/
if(buf[i]= ,){/*提取并分解各逗号间的数据并进行处理或发送至其它应用程序*/}
}
    以上代码只是GPS输出数据中定位信息提取的关键代码，要完成进一步的完整功能还需编写大量的代码，这里就不一一列出．

3 结束语
    GPS设备与嵌入式Linux平台之间的数据是实现嵌入式GIS定位功能的基础，随着基于嵌入式Linux的嵌入式GIS的应用日益广泛，GPS数据的采 集方法成为一项基础性工作，本文针对GPS数据的采集，详细分析了目前普遍采用的NMEA0183协议，并在此基础上对嵌入式Linux环境下的GPS数 据采集进行举例分析．