一种便携式GPS数据通用采集平台设计

王昱，高玉平



一种便携式GPS数据通用采集平台设计

王昱1,2,3，高玉平1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院研究生院，北京 100039）

针对现有的GPS数据采集设备在数据共享、硬件兼容性和便携性方面存在不足的问题，提出一种新的GPS数据采集设备的设计方案。该设计在硬件上采用ARM微控器和SD卡储存器，软件上结合UC/OS-II嵌入式实时操作系统和FAT32文件系统。对样机的测试表明，满足设计要求，具有数据可共享，低功耗，兼容多种GPS-OEM板，便于携带的特点。

全球定位系统；ARM微控器；数据采集；文件系统

全球定位系统（GPS，global positioning system）作为一种成熟的卫星定位技术，在通信、导航、航天、守时等诸多重要领域都有广泛应用。这些应用都需要对GPS-OEM板输出的各类数据进行采集、存储和分析。GPS应用中，数据采集是非常重要的一环。目前，GPS数据采集设备的设计方案通常有3个不足之处：1）通用性不足，通常只能采集一款GPS-OEM板输出的数据；2）便携性不足，采集设备通常体积大，功耗高，不易随身携带；3）不易实现数据共享，数据储存器件（如闪速存储器（flash memory），磁盘）不易拆卸，储存器件上没有用文件系统格式化，数据直接储存，而没有组成文件形式，造成多个用户之间对数据无法共享。导致以上不足的原因有以下3点：1）通用性不足是由于生产厂家生产的不同型号GPS-OEM板之间的软、硬件接口不同造成的[1]。用户需要为不同型号的GPS-OEM板设计专用的数据采集方案。2）便携性不足由GPS-OEM板的应用场合所决定。目前大部分GPS-OEM板在室内或车内使用，设计时不考虑便携性问题，因而目前大部分数据采集设备体积大，功耗高，不宜随身携带。3）数据采集设备的储存器通常使用闪速存储器或硬盘，硬件上不易拆卸，数据不以文件形式储存，导致数据不易与其他用户共享。

针对以上问题，在参考同类数据采集设备的设计思路后[2]，进一步设计一种便携式GPS数据通用采集平台，该平台具有以下几个特点：1）设备硬件中使用ARM单片机，安全数字卡（SD卡）作为系统主要控制模块和储存模块，功耗低，体积小，便于携带；2）设备有多个用于数据采集的接口，用户可使用此设备采集多款不同型号的GPS-OEM板数据，增强了兼容性；3）将采集的数据储存在SD卡上并组成数据文件（如：MOTO.bin，JAVAD.dat等），软件方面采用文件系统，将接收的数据储存为文件[3]，硬件中使用SD卡，便于拆修，使多个不同用户可共享数据。

1 采集平台硬件设计

1.1 采集平台硬件构成

图1为采集平台结构简图。图1中，ARM微控器的型号为LUMINARY8962，液晶显示器（LCD）的型号为TCLML56，SD卡为东芝2 G高容量储存卡。

图1 数据采集器系统结构图

GPS采集平台的核心是ARM微控器。按键KEY 1~KEY 4，指示灯LED 1~LED 4，键盘和片选电路通过通用输入输出口（GPIO）和ARM连接，SD卡通过SSI总线和ARM通信，GPS-OEM板通过串口（UART）和ARM微控器通信，LCD通过IIC总线和ARM微控器进行通信。电池或稳压电源连接在电平转换电路上，电平转换电路主要是由电平转换芯片SP6201和SP6205所组成的，将12 V外部电压转换为5 V和3.3 V电源电压。ARM微控器通过片选电路控制4块GPS-OEM板，片选电路只被允许使能1块GPS-OEM板工作，即在一个时间段内，只有1块GPS-OEM板工作。

1.2 采集平台运行状态分析

如果设备工作正常，连接正确，在使用者操作正确的情况下，采集平台上电后，可以设置GPS-OEM板，采集GPS数据，显示定位数据等。

采集平台使用高容量SD卡（SD2.0以上版本）；使用键盘设置GPS-OEM板的数据格式、数据类型、输出速率等信息；使用LCD显示定位数据和软件进程执行情况。使用LED 1~LED 4表明设备运行状态。运行状态如表1所示。

表1 设备工作状态表

注：“1”表示亮，“0”表示灭

用户通过观察发光二极管LED1~LED4的显示状态, 可以得知设备目前的运行状态，并可依照 LED 1~LED 4的显示，对设备进行操作。如：LED 1~LED 4为“1000”，则用户开始设置第1块OEM板；LED 1~LED 4为“1010”，即天线接收到不足3颗卫星的信号，用户则需调整天线位置。

2 采集平台软件设计

2.1 软件任务分析

采集平台功能的实现，主要包含3个任务：1）选定GPS-OEM板并进行传输设置；2）保存GPS数据，提取定位数据并显示；3）在SD卡损坏时导出数据。以上3个任务之下都包含了一些更小的线程，用户不参与线程调度，所有线程调度都依靠UC/OS-II操作系统[4]，只在程序初始化阶段为线程设定优先级即可。与前后台软件编写方式相比，片上操作系统保证软件的可移植性和稳定性更加良好，而代价是响应速度较慢。在此次设计中，响应速度要求并不高，所以采用在嵌入式操作系统基础上编写程序的方式。为了使数据可以被其他用户共享，使用FAT32文件系统存储数据，这种文件系统较为常用，在所有WINDOWS系列操作系统下都可以读取。

2.2 软件任务实现

软件任务流程如图2和图3所示。图2主要针对硬件和操作系统初始化任务，设备上电后首先需要初始化操作系统和SPI、IIC、LCD液晶显示器等软、硬件，然后开始运行任务0，任务0流程如图3所示。图3所示的任务0中，创建3个基本任务，分别是：任务1—— 选定GPS-OEM板并进行传输设置；任务2—— 接收GPS数据，并进行处理和存储，任务3—— 在SD卡损坏时通过串口导出数据。

图2 设备初始化流程

图3 任务0流程

在任务0中，首先创建了3个任务，然后等待按键（KEY 1~KEY 3）所产生的外部中断，在中断处理程序中判断中断源。如果是KEY1，则建立任务1的信号量，任务1进入就绪状态，当中断处理程序结束，程序进入任务1，程序继续运行[3]。

在任务1中，LCD提示用户设置GPS-OEM板，并等待按键（KEY 1~KEY 3）输入高电平，如果按键KEY 1输入高电平，则开始设置MOTO-VP-6型号的GPS-OEM板。用户此时可通过键盘输入设置信息，如：输出数据类型，传输速率，工作模式等信息，这些信息都通过LCD显示出来，用户在输入完毕后，按下KEY 4确认，则数据采集平台改变GPS-OEM板的设置。设置完成后，OEM板会通过串口返回设置正确的消息，程序释放任务1信号量，返回任务0。如果OEM板返回设置不正确的消息，则用户需要重新输入设置信息。如果是KEY 2或KEY 3输入高电平，则分别设置JAVAD系列或NOVATEL系列的GPS-OEM板，程序流程同KEY 1。

在任务2中，平台采集GPS-OEM板输出的数据，将数据以文件方式进行存储。首先判断SD卡内是否有文件系统，若没有，则在SD卡内建立一个FAT32文件系统（通常叫做格式化），建立引导区，文件分配表（FAT表）和根目录。根目录中记录着SD卡内文件种类、数目、大小和各个文件的起始簇地址（簇是指SD卡的1次读、写、擦除的最小单位，1簇含有8块，每块为512字节）。如果已有文件系统，则开始记录数据，并将数据以文件形式储存在SD卡上。在FAT32文件系统下，将数据组成文件的方法非常成熟，这里不再赘述[4]。数据采集平台将提取GPS数据中的定位信息，并用LCD显示出来。

在任务3中，采集平台运行SD储存器发生损坏时的应急处理程序。当SD引导区或文件分配表发生损坏而不能通过读卡器正常读取文件时，可以通过任务3将数据通过串口传输到电脑上。

3 测试及结论

使用本采集平台样机对MOTO-VP-6型号的GPS-OEM板连续进行了数据采集实验。如采集定位数据，采样间隔为15 s，数据采集平台可记录3 000个小时以上的数据。实验中总共采集200 M的数据，误码率低于10×10-8。采集数据实例如图4所示。

测试结果证明，数据采集平台可以采集多种GPS-OEM板的数据，并且具有通过SD卡与其他用户共享数据，便于携带的特点，满足了设计要求，弥补了现有GPS数据采集器的一些不足。

另一方面，由于对样机进行测试的时间有限，对整个系统的可靠性还缺乏全面分析，所以数据采集平台在工作时的可靠性还待进一步研究。

[1] Motorola Inc. Motorola oncore user’s guide[K]. USA: Motorola Inc, 1997.

[2] 许林生, 高玉平, 王宏远. GPS载波相位测量定位设备的设计与实现[J]. 时间频率学报, 2008, 31(1): 10-16.

[3] 任哲, 潘树林, 房红征. 嵌入式操作系统基础[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.

[4] 王凡, 潘克修. MMC卡的文件系统及其实现方法[EB/OL]. (2007-7-10)[2010-02-05]. http://www.360doc.com/content/08/0712/14/60419-1422690.shtml.

A design of portable generalGPS data acquisition platform

WANG Yu1,2,3, GAO Yu-ping1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

In view of the deficiency in data sharing, hardware compatibility and portability for the existing GPS data acquisition equipments, we put forward a design scheme of GPS data acquisition equipment. In this design scheme, an ARM micro-controller and a SD(secure memory digital) card are adopted in the hardware, and the UC/OS-II embedded real-time operation system and the FAT32 file system are combined with the software. The test of the prototype shows that the design of the GPS data acquisition platform meets the demands of design and it has the virtues such as small size, portability, low power consumption, data-sharing, being compatible with many different types of GPS-OEM board.

GPS; ARM micro-controller; data acquisition; file system

P228.4

A

1674-0637(2011)01-0041-06

2010-07-05

王昱，男，硕士，主要从事卫星数据传输分系统控制下位机的研究。