1引言

實時操作系統(tǒng)（）是嵌入式應用軟件的基礎和開發(fā)平臺，應用程序都是建立在它之上。實時嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可分為兩種：商用型和免費型。商用型的實時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但價格昂貴。免費型的實時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢，目前主要有、μC/OS等。

與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，嵌入式具有開放源代碼、高可靠性以及強大的網絡功能等優(yōu)勢，因此選用了嵌入式系統(tǒng)作為移動終端的軟件平臺。

2車輛概述

車輛是融全球定位技術（）、地理信息技術（GIS）和通用分組無線業(yè)務（）于一體的高科技系統(tǒng)，由移動終端、網絡和監(jiān)控中心組成[1]。移動終端安裝在各個移動車輛上，其上的接收器實時采集衛(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報頭和報尾封裝成IP數(shù)據(jù)報。由于ARM處理器與通信模塊之間的通信遵循PPP（PointtoPointProtocol，點對點協(xié)議），因而，需要將IP數(shù)據(jù)報按照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)進一步發(fā)送到SGSN（ServingGPRSSupportNode，GPRS業(yè)務支持節(jié)點）。SGSN進行相應的協(xié)議轉換，并按照GPRS特有的GTP（GPRSTunnelProtocol，GPRS隧道協(xié)議）將數(shù)據(jù)封裝成GTP包，然后通過GPRS骨干網傳送到相應的GGSN（GatewayGPRSSupportNode，GPRS網關支持節(jié)點）。GGSN也進行相應的協(xié)議轉換，再根據(jù)外部數(shù)據(jù)網的協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進行新的封裝，并且根據(jù)其目的IP地址選擇路由進行傳送，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行車輛運動軌跡的顯示，并對被監(jiān)控車輛的準確位置、速度、運動方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進行監(jiān)控和查詢。同時，監(jiān)控中心也可以向移動終端發(fā)送文本信息和控制命令。

由此可見，移動終端的核心功能是接收信號、處理GPS數(shù)據(jù)以及通過GPRS網絡與監(jiān)控中心進行通信（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移動終端軟件系統(tǒng)的設計

3.1總體設計

在移動終端上，軟件系統(tǒng)主要由三個部分組成：GPS信號接收程序、GPS數(shù)據(jù)處理程序和GPRS通信程序。在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺下，移動終端的軟件系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 移動終端的軟件系統(tǒng)結構

3.2GPS信號接收程序

對于移動終端，它的第一個任務就是接收GPS信號。在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺下，GPS信號接收程序的層次結構如圖2所示。

圖2 GPS信號接收程序的層次結構

其中，tty層、N_TTY行規(guī)程（LineDiscipline）層和低層驅動程序是嵌入式Linux系統(tǒng)中串行通信驅動模塊三個固有的邏輯層，這三層之間有相互調用的接口函數(shù)。嵌入式Linux系統(tǒng)提供了多種行規(guī)程供各類設備進行選擇，如：TTY行規(guī)程（N_TTY）用于連接終端輸入驅動設備和終端顯示驅動設備，而PPP行規(guī)程（N_PPP）用來連接終端驅動設備和網絡驅動設備。GPS信號接收程序使用了N_TTY行規(guī)程，GPS接收器接收到的數(shù)據(jù)必須經過N_TTY行規(guī)程模塊進行規(guī)范處理。低層驅動程序用來直接對硬件進行操作，而_buffer是低層驅動程序和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，內核給接在串口1上的GPS接收器提供了一個設備節(jié)點/dev/ttyS0以及標準的文件系統(tǒng)接口[2]。這樣，GPS信號接收程序對設備節(jié)點/dev/ttyS0的操作就會被內核映射成對GPS接收器的操作。當GPS接收器接收到衛(wèi)星信號時，會觸發(fā)低層驅動程序事先注冊到系統(tǒng)中的中斷處理函數(shù)，從而調用函數(shù)receive_chars()把數(shù)據(jù)填充到_buffer中，然后調用函數(shù)tty__buffer_()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()對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理后將其存入tty緩沖區(qū)中，供應用層的GPS信號接收程序來讀取。

當應用層的GPS信號接收程序開始運行時，它會向文件系統(tǒng)發(fā)出讀請求，文件系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此請求的對象為tty設備，于是調用函數(shù)tty_()，接著調用函數(shù)_chan()讀取tty緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

3.3GPS數(shù)據(jù)處理程序

GPS接收器與嵌入式Linux平臺之間的通信協(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)議報文的語句格式如圖3所示。

圖3 NMEA0183的報文格式

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

在車輛中，主要關心的是時間、車輛的位置和速度等信息。因此，在移動終端上，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，忽略掉信息[3]。此后，移動終端上的GPRS通信程序負責將相關的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。

3.4GPRS通信程序

3.4.1撥號到GPRS網絡的基本原理

移動終端要想通過GPRS通信模塊訪問，首先得附著在GPRS網絡上，然后發(fā)起（PacketDataProtocol，分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文激活過程[4]，如圖4所示。只有通過此過程，GPRS通信模塊才能與GGSN建立一條邏輯通路，從而訪問。

圖4 上下文激活過程示意圖

3.4.2移動終端上撥號程序的實現(xiàn)

在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺下，移動終端利用pppd（包含）撥號到GPRS網絡。pppd是一個用戶空間的后臺服務進程（），而是pppd所帶一個輔助工具，用來與GPRS通信模塊建立會話。在上下文激活過程中，完成了第①步，而pppd完成了第②、③、④、⑩步。pppd撥號程序的層次結構如圖5所示。

圖5 pppd撥號程序的層次結構

其中，N_PPP層就是PPP協(xié)議層。PPP協(xié)議模塊不僅提供簡單的數(shù)據(jù)鏈路層功能，它還提供諸如鑒權（如PAP/），數(shù)據(jù)壓縮/解壓（如CCP）和數(shù)據(jù)加密/解密（如ECP）等擴展功能。由于GPRS通信程序要求透明化地使用這些擴展功能，而PPP協(xié)議模塊本身無法對各種策略進行選擇，于是pppd應運而生。PPP協(xié)議模塊中策略性的內容都移到了pppd中，由pppd完成對鑒權、壓縮/解壓和加密/解密等擴展功能的選用。

在運行pppd的時候，pppd首先讀取配置文件中的配置信息，其中包含了設置PPP協(xié)議模塊的參數(shù)、GPRS通信模塊連接的端口（/dev/ttyS1）以及對chat進行調用的語句，等等。隨后pppd調用chat，chat也會讀取相應的配置文件（其中包含一些應答語句對和AT命令），然后使用默認的行規(guī)程N_TTY向GPRS通信模塊發(fā)送AT命令，接著chat將控制權返還給pppd。pppd將行規(guī)程切換為N_PPP，而pppd與PPP協(xié)議模塊之間采用了設備文件來進行通信，設備文件名是/dev/ppp。通過系統(tǒng)調用，pppd可以讀取PPP協(xié)議模塊的數(shù)據(jù)包（當然，PPP協(xié)議模塊只會把應該由pppd處理的數(shù)據(jù)包發(fā)給pppd）。通過write系統(tǒng)調用，pppd可以把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包傳遞給PPP協(xié)議模塊，而通過系統(tǒng)調用，pppd可以設置PPP協(xié)議模塊的參數(shù)，可以建立/關閉連接。

此后，pppd執(zhí)行了PDP上下文激活過程的第②、③、④步。等PDP上下文激活過程的第⑤－⑨步（與移動終端不直接相關）完成之后，pppd執(zhí)行第⑩步，在函數(shù)_ppp_()中調用(PPPIOCNEWUNIT)創(chuàng)建一個網絡接口（如ppp0）。當PPP協(xié)議模塊在處理PPPIOCNEWUNIT時，調用函數(shù)register_netdev()向內核注冊PPP網絡接口，該網絡接口的傳輸函數(shù)指向函數(shù)ppp_start_xmit()。值得注意的一點是，如果關閉進程pppd，行規(guī)程會由N_PPP切換回默認的N_TTY，因此，在移動終端與監(jiān)控中心通信的過程中不能關閉pppd進程。

至此，移動終端完成了向GPRS網絡的撥號，這樣它就擁有了一個可以用于與監(jiān)控中心進行通信的網絡接口（如ppp0）。

3.4.3移動終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互

前面，移動終端已經與監(jiān)控中心建立了網絡鏈接。接下來，移動終端就可以與監(jiān)控中心進行通信了。GPRS通信程序的層次結構如圖1的右半部分所示。

在移動終端向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息的過程中，移動終端上的GPRS通信程序通過socket接口發(fā)送TCP/IP數(shù)據(jù)包，內核根據(jù)IP地址和路由表，找到PPP網絡接口，然后調用函數(shù)ppp_start_xmit()，此時控制權就轉移到了PPP協(xié)議模塊。函數(shù)ppp_start_xmit()調用函數(shù)ppp_xmit_process()去發(fā)送隊列中的所有數(shù)據(jù)包，而函數(shù)ppp_xmit_process()會進一步調用函數(shù)ppp_send_frame()去發(fā)送單個數(shù)據(jù)包。函數(shù)ppp_send_frame()根據(jù)前面pppd對PPP協(xié)議模塊的設置調用壓縮等擴展功能之后，又經函數(shù)ppp_()調用函數(shù)pch->chan->ops->start_xmit()發(fā)送數(shù)據(jù)包。函數(shù)pch->chan->ops->start_xmit()是具體的傳輸方式，對于串口發(fā)送方式，則是ppp_async.c:ppp_asynctty_open中注冊的函數(shù)ppp_async_send()，函數(shù)ppp_async_send()經函數(shù)ppp_async_()調用函數(shù)tty->driver->write()（定義在低層驅動程序中）把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口2（GPRS通信模塊接在串口2上）。

ppp_async.c在初始化時（ppp_async_init），調用函數(shù)tty_register_ldisc()向tty注冊了行規(guī)程N_PPP的處理接口，也就是一組回調函數(shù)。在移動終端接收監(jiān)控中心指令的過程中，當GPRS通信模塊收到數(shù)據(jù)時，就會回調N_PPP行規(guī)程中的函數(shù)ppp_asynctty_receive()來接收數(shù)據(jù)。函數(shù)ppp_asynctty_receive()調用函數(shù)ppp_async_input()把數(shù)據(jù)buffer轉換成sk_buff，并放入接收隊列ap->rqueue中。ppp_async另外有一個tasklet（ppp_async_process）專門處理接收隊列ap->rqueue中的數(shù)據(jù)包，ppp_async_process一直掛在接收隊列ap->rqueue上，一旦被喚醒，它就調用函數(shù)ppp_input()讓PPP協(xié)議模塊處理該數(shù)據(jù)包。在函數(shù)ppp_input()中，數(shù)據(jù)被分成兩路，一路是協(xié)議控制數(shù)據(jù)包，放入隊列pch->file.rqb中，交給pppd處理。另外一路是用戶數(shù)據(jù)包，經函數(shù)ppp_do_recv()、ppp_receive_frame()進行PPP協(xié)議相關的處理后，再由函數(shù)netif_rx()提交給上層的TCP/IP協(xié)議模塊進行處理，最后經socket接口傳遞給應用層的GPRS通信程序。

4總結

近幾年，智能交通系統(tǒng)（包括車輛監(jiān)控系統(tǒng)）發(fā)展非常迅速，因此，移動終端將會有非常廣泛的應用前景。隨著市場需求的不斷擴大，更加豐富的功能將會被集成到移動終端上，而嵌入式Linux系統(tǒng)憑借其自身的優(yōu)勢將會被越來越多地應用到這個領域。