1引言

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（）是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用程序都是建立在它之上。實(shí)時(shí)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(fèi)型。商用型的實(shí)時(shí)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(jià)格昂貴。免費(fèi)型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)勢(shì)，因此選用了嵌入式系統(tǒng)作為移動(dòng)終端的軟件平臺(tái)。

2車輛概述

車輛是融全球定位技術(shù)（）、地理信息技術(shù)（GIS）和通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（）于一體的高科技系統(tǒng)，由移動(dòng)終端、網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成[1]。移動(dòng)終端安裝在各個(gè)移動(dòng)車輛上，其上的接收器實(shí)時(shí)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(bào)頭和報(bào)尾封裝成IP數(shù)據(jù)報(bào)。由于ARM處理器與通信模塊之間的通信遵循PPP（PointtoPointProtocol，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議），因而，需要將IP數(shù)據(jù)報(bào)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(wú)線鏈路將數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)送到SGSN（ServingGPRSSupportNode，GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）。SGSN進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)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(wǎng)傳送到相應(yīng)的GGSN（GatewayGPRSSupportNode，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）。GGSN也進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行新的封裝，并且根據(jù)其目的IP地址選擇路由進(jìn)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(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示，并對(duì)被監(jiān)控車輛的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、行車狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢。同時(shí)，監(jiān)控中心也可以向移動(dòng)終端發(fā)送文本信息和控制命令。

由此可見，移動(dòng)終端的核心功能是接收信號(hào)、處理GPS數(shù)據(jù)以及通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)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(dòng)終端軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1總體設(shè)計(jì)

在移動(dòng)終端上，軟件系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：GPS信號(hào)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(tái)下，移動(dòng)終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動(dòng)終端的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2GPS信號(hào)接收程序

對(duì)于移動(dòng)終端，它的第一個(gè)任務(wù)就是接收GPS信號(hào)。在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)下，GPS信號(hào)接收程序的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GPS信號(hào)接收程序的層次結(jié)構(gòu)

其中，tty層、N_TTY行規(guī)程（LineDiscipline）層和低層驅(qū)動(dòng)程序是嵌入式Linux系統(tǒng)中串行通信驅(qū)動(dòng)模塊三個(gè)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(jìn)行選擇，如：TTY行規(guī)程（N_TTY）用于連接終端輸入驅(qū)動(dòng)設(shè)備和終端顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)備，而PPP行規(guī)程（N_PPP）用來連接終端驅(qū)動(dòng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。GPS信號(hào)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(jìn)行規(guī)范處理。低層驅(qū)動(dòng)程序用來直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，而_buffer是低層驅(qū)動(dòng)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(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/ttyS0以及標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)接口[2]。這樣，GPS信號(hào)接收程序?qū)υO(shè)備節(jié)點(diǎn)/dev/ttyS0的操作就會(huì)被內(nèi)核映射成對(duì)GPS接收器的操作。當(dāng)GPS接收器接收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，會(huì)觸發(fā)低層驅(qū)動(dòng)程序事先注冊(cè)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_buffer中，然后調(diào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)接收程序來讀取。

當(dāng)應(yīng)用層的GPS信號(hào)接收程序開始運(yùn)行時(shí)，它會(huì)向文件系統(tǒng)發(fā)出讀請(qǐng)求，文件系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此請(qǐng)求的對(duì)象為tty設(shè)備，于是調(diào)用函數(shù)tty_()，接著調(diào)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(tái)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(yǔ)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(bào)文的語(yǔ)句格式如圖3所示。

圖3 NMEA0183的報(bào)文格式

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

在車輛中，主要關(guān)心的是時(shí)間、車輛的位置和速度等信息。因此，在移動(dòng)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(yǔ)句，忽略掉信息[3]。此后，移動(dòng)終端上的GPRS通信程序負(fù)責(zé)將相關(guān)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(hào)到GPRS網(wǎng)絡(luò)的基本原理

移動(dòng)終端要想通過GPRS通信模塊訪問，首先得附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)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(dòng)終端上撥號(hào)程序的實(shí)現(xiàn)

在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)下，移動(dòng)終端利用pppd（包含）撥號(hào)到GPRS網(wǎng)絡(luò)。pppd是一個(gè)用戶空間的后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程（），而是pppd所帶一個(gè)輔助工具，用來與GPRS通信模塊建立會(huì)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(hào)程序的層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 pppd撥號(hào)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(jiǎn)單的數(shù)據(jù)鏈路層功能，它還提供諸如鑒權(quán)（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(kuò)展功能。由于GPRS通信程序要求透明化地使用這些擴(kuò)展功能，而PPP協(xié)議模塊本身無(wú)法對(duì)各種策略進(jìn)行選擇，于是pppd應(yīng)運(yùn)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(duì)鑒權(quán)、壓縮/解壓和加密/解密等擴(kuò)展功能的選用。

在運(yùn)行pppd的時(shí)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(duì)chat進(jìn)行調(diào)用的語(yǔ)句，等等。隨后pppd調(diào)用chat，chat也會(huì)讀取相應(yīng)的配置文件（其中包含一些應(yīng)答語(yǔ)句對(duì)和AT命令），然后使用默認(rèn)的行規(guī)程N(yùn)_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(jìn)行通信，設(shè)備文件名是/dev/ppp。通過系統(tǒng)調(diào)用，pppd可以讀取PPP協(xié)議模塊的數(shù)據(jù)包（當(dāng)然，PPP協(xié)議模塊只會(huì)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(dòng)終端不直接相關(guān)）完成之后，pppd執(zhí)行第⑩步，在函數(shù)_ppp_()中調(diào)用(PPPIOCNEWUNIT)創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）。當(dāng)PPP協(xié)議模塊在處理PPPIOCNEWUNIT時(shí)，調(diào)用函數(shù)register_netdev()向內(nèi)核注冊(cè)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(diǎn)是，如果關(guān)閉進(jìn)程pppd，行規(guī)程會(huì)由N_PPP切換回默認(rèn)的N_TTY，因此，在移動(dòng)終端與監(jiān)控中心通信的過程中不能關(guān)閉pppd進(jìn)程。

至此，移動(dòng)終端完成了向GPRS網(wǎng)絡(luò)的撥號(hào)，這樣它就擁有了一個(gè)可以用于與監(jiān)控中心進(jìn)行通信的網(wǎng)絡(luò)接口（如ppp0）。

3.4.3移動(dòng)終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互

前面，移動(dòng)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(dòng)終端就可以與監(jiān)控中心進(jìn)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(dòng)終端向監(jiān)控中心發(fā)送定位信息的過程中，移動(dòng)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(shí)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(duì)列中的所有數(shù)據(jù)包，而函數(shù)ppp_xmit_process()會(huì)進(jìn)一步調(diào)用函數(shù)ppp_send_frame()去發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)包。函數(shù)ppp_send_frame()根據(jù)前面pppd對(duì)PPP協(xié)議模塊的設(shè)置調(diào)用壓縮等擴(kuò)展功能之后，又經(jīng)函數(shù)ppp_()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(duì)于串口發(fā)送方式，則是ppp_async.c:ppp_asynctty_open中注冊(cè)的函數(shù)ppp_async_send()，函數(shù)ppp_async_send()經(jīng)函數(shù)ppp_async_()調(diào)用函數(shù)tty->driver->write()（定義在低層驅(qū)動(dòng)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(shí)（ppp_async_init），調(diào)用函數(shù)tty_register_ldisc()向tty注冊(cè)了行規(guī)程N(yùn)_PPP的處理接口，也就是一組回調(diào)函數(shù)。在移動(dòng)終端接收監(jiān)控中心指令的過程中，當(dāng)GPRS通信模塊收到數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)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(duì)列ap->rqueue中。ppp_async另外有一個(gè)tasklet（ppp_async_process）專門處理接收隊(duì)列ap->rqueue中的數(shù)據(jù)包，ppp_async_process一直掛在接收隊(duì)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(dòng)終端將會(huì)有非常廣泛的應(yīng)用前景。隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，更加豐富的功能將會(huì)被集成到移動(dòng)終端上，而嵌入式Linux系統(tǒng)憑借其自身的優(yōu)勢(shì)將會(huì)被越來越多地應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域。