引言
實時操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺，應(yīng)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(shù)支持和售后服務(wù)，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 Linux、μC/OS 等。
與其它嵌入式操作系統(tǒng)相比，嵌入式 Linux 具有開放源代碼、高可靠性以及強大的網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)勢，因此選用了嵌入式 Linux 系統(tǒng)作為移動終端的軟件平臺。
2 車輛監(jiān)控系統(tǒng)概述
車輛監(jiān)控系統(tǒng)是融全球定位技術(shù)（GPS）、地理信息技術(shù)（GIS）和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）于一體的高科技系統(tǒng)，由移動終端、GPRS 網(wǎng)絡(luò)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 GPS 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(jīng)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 GPRS 通信模塊之間的通信遵循 PPP（Point to Point Protocol，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（Serving GPRS Support Node，GPRS 業(yè)務(wù)支持節(jié)點）。SGSN 進行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并按照 GPRS 特有的 GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS 隧道協(xié)議）將數(shù)據(jù)封裝成 GTP 包，然后通過 GPRS 骨干網(wǎng)傳送到相應(yīng)的 GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）。GGSN 也進行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，再根據(jù)外部數(shù)據(jù)網(wǎng)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 GPS 信號、處理 GPS 數(shù)據(jù)以及通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)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(shè)計
3.1 總體設(shè)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(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 移動終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖 2 GPS 信號接收程序的層次結(jié)構(gòu)
3.2 GPS 信號接收程序
對于移動終端，它的第一個任務(wù)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(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
其中，tty 層、N_TTY 行規(guī)程（Line Discipline）層和低層驅(qū)動程序是嵌入式 Linux 系統(tǒng)中串行通信驅(qū)動模塊三個固有的邏輯層，這三層之間有相互調(diào)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(shè)備進行選擇，如：TTY 行規(guī)程（N_TTY）用于連接終端輸入驅(qū)動設(shè)備和終端顯示驅(qū)動設(shè)備，而 PPP 行規(guī)程（N_PPP）用來連接終端驅(qū)動設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動設(shè)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(jīng)過 N_TTY 行規(guī)程模塊進行規(guī)范處理。低層驅(qū)動程序用來直接對硬件進行操作，而 flip_buffer 是低層驅(qū)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(nèi)核給接在串口 1 上的 GPS 接收器提供了一個設(shè)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?qū)υO(shè)備節(jié)點 /dev/ttyS0 的操作就會被內(nèi)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(qū)動程序事先注冊到系統(tǒng)中的中斷處理函數(shù)，從而調(diào)用函數(shù) receive_chars( ) 把數(shù)據(jù)填充到 flip_buffer 中，然后調(diào)用函數(shù) tty_flip_buffer_push( ) 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(yīng)用層的 GPS 信號接收程序來讀取。
當應(yīng)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(shè)備，于是調(diào)用函數(shù) tty_read( )，接著調(diào)用函數(shù) read_chan( ) 讀取 tty 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。
3.3 GPS 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 ASCII 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。
在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，主要關(guān)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，忽略掉其他信息[3]。此后，移動終端上的 GPRS 通信程序負責將相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。
3.4 GPRS 通信程序
3.4.1 撥號到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的基本原理
移動終端要想通過 GPRS 通信模塊訪問 Internet，首先得附著在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)上，然后發(fā)起 PDP（Packet Data Protocol，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 Internet。
圖 4 PDP 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 chat）撥號到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)。pppd 是一個用戶空間的后臺服務(wù)進程（daemon），而 chat 是 pppd 所帶一個輔助工具，用來與 GPRS 通信模塊建立會話。在 PDP 上下文激活過程中，chat 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(jié)構(gòu)如圖 5 所示。
圖 5 pppd 撥號程序的層次結(jié)構(gòu)
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(quán)（如PAP/CHAP），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(yīng)運而生。PPP 協(xié)議模塊中策略性的內(nèi)容都移到了 pppd 中，由 pppd 完成對鑒權(quán)、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(shè)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(diào)用的語句，等等。隨后 pppd 調(diào)用 chat，chat 也會讀取相應(yīng)的配置文件（其中包含一些應(yīng)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(quán)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(shè)備文件來進行通信，設(shè)備文件名是 /dev/ppp。通過 read 系統(tǒng)調(diào)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(yīng)該由 pppd 處理的數(shù)據(jù)包發(fā)給 pppd）。通過 write 系統(tǒng)調(diào)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 ioctl 系統(tǒng)調(diào)用，pppd 可以設(shè)置 PPP 協(xié)議模塊的參數(shù)，可以建立/關(guān)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(guān)）完成之后，pppd 執(zhí)行第 ⑩ 步，在函數(shù) make_ppp_unit( ) 中調(diào)用 ioctl(PPPIOCNEWUNIT) 創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）。當 PPP 協(xié)議模塊在處理 PPPIOCNEWUNIT 時，調(diào)用函數(shù) register_netdev( ) 向內(nèi)核注冊 PPP 網(wǎng)絡(luò)接口，該網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(guān)閉 pppd 進程。
至此，移動終端完成了向 GPRS 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(jīng)與監(jiān)控中心建立了網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(nèi)核根據(jù) IP 地址和路由表，找到 PPP 網(wǎng)絡(luò)接口，然后調(diào)用函數(shù) ppp_start_xmit( )，此時控制權(quán)就轉(zhuǎn)移到了 PPP 協(xié)議模塊。函數(shù) ppp_start_xmit( ) 調(diào)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(diào)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(shè)置調(diào)用壓縮等擴展功能之后，又經(jīng)函數(shù) ppp_push( ) 調(diào)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(jīng)函數(shù) ppp_async_push( ) 調(diào)用函數(shù) tty->driver->write( )（定義在低層驅(qū)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(diào)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(diào)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(diào) 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(diào)用函數(shù) ppp_async_input( ) 把數(shù)據(jù) buffer 轉(zhuǎn)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(diào)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(jīng)函數(shù) ppp_do_recv( )、ppp_receive_frame( ) 進行 PPP 協(xié)議相關(guān)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(jīng) socket 接口傳遞給應(yīng)用層的 GPRS 通信程序。
4 總結(jié)
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(yīng)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(yīng)用到這個領(lǐng)域。
本文作者創(chuàng)新點：本方案充分利用了嵌入式 Linux 平臺所提供的系統(tǒng)功能，大大簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)，并且具有良好的可擴展性。在詳細介紹 GPS 信號的接收過程并給出一個簡潔的 GPS 數(shù)據(jù)處理辦法后，本文提供了一種切實可行的撥號到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的方法，從而實現(xiàn)了移動終端跨越 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與 Internet 上監(jiān)控中心的通信。