基于uClinux的GPSOne/GPS双定位信息接收

摘要 阐述uClinux串口编程的基本方法;简要介绍操作系统的几种I/O模型，特别对基于select的I/O复用模型在监听多个设备时的适用性进行较详细的分析;比较多个串口下使用轮询方法和使用select机制处理的差别;结合GPSOne与GPS双定位导航系统的实例，给出双串口定位信息接收的软件实现方法。关键词 GPSGPSOneselectI/O复用串口 　　GPS是当前在导航系统中应用最广泛的定位技术之一,但GPS也有其自身的不足。例如，当GPS终端在建筑密集的地方或在高架桥底下等恶劣的地理位置时，定位信号比较容易丢失，往往难以获取有效的定位信息。由美国高通公司开发的GPSOne定位模块，提供的定位信号是基于网络与蜂窝的定位技术。即使在卫星信号不好的情况下，只要存在联通的网络信号，利用蜂窝定位技术，就可以较容易地获得定位信号。此信号可作为GPS信号丢失情况下的一种补偿信号。 　　GPSOne是传统GPS定位技术与CDMA网络技术巧妙结合的混合型定位技术，即GPSOne=AGPS+AFLT+CellID。它是第一种可以在室内稳定工作的基于GPS技术的解决方案，是唯一商用的GPS定位解决方案，同时也是目前世界上最经济有效的集成型无线GPS解决方案。利用 GPSOne能够弥补GPS自身不足的这一特点，本导航系统的定位信息获取模块采用GPS和GPSOne双定位方案，以实现更精确、可靠的定位。该定位信息获取模块的硬件架构是ARM+GPS+GPSOne;CPU采用Philips公司LP系列的LPC2210的ARM7芯片，操作系统采用 uClinux。本系统获取定位信息的关键，在于编写好串口通信程序，从而更好地实时接收和处理当前的位置信息。由于系统功能较为复杂，需要实现GUI界面交互、定位、报警、数据库查询、语音提示等多项功能，故对串口数据的接收，利用I/O复用机制进行处理更利于系统实现和管理。 1 uClinux串口编程操作方法 　　在Linux中，设备分为3类：字符设备、块设备和网络设备。uClinux用设备文件表示大部分I/O设备。文件系统提供了统一的接口来访问一般意义上的文件和设备文件。 　　系统串口COM1与COM2，分别对应uClinux系统的/dev/ttyS0、/dev/ttyS1两个串口设备文件。串口属于字符型设备，对串口的编程也就是对相应文件进行读/写、控制等操作。串口编程的基本步骤是：先打开串口，设置串口属性，然后进行收发数据，最后关闭串口。 (1) 打开串口　　通过使用标准的文件打开函数open，达到访问串口设备驱动的目的。例如，以读写的方式打开串口1，可用下面的方法实现：　　fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR); (2) 设置串口属性　　主要是设定结构体termios各成员的值。基本设置包括：波特率、数据位、校验位、停止位、输入和输出模式等。一般在设置时，先获取系统已有的串口属性，并在它的基础上进行修改。另外，设置时要用到系统预定义的宏。　　(结合实例的说明略。——编者注) (3) 收发数据　　uClinux下串口发送和接收数据，通过使用文件操作中的read和write的方法来实现。例如： 　　write(fd, buffer ,Length); 　　read(fd, buffer ,Length); (4) 关闭串口　　关闭串口只须关闭已打开的串口文件描述符，如close(fd) ; 2 常用的几种I/O模型 　　通常在操作I/O时，会用到下面几种模型之一：阻塞型I/O、非阻塞型I/O和复用型I/O。下面以读取串口数据为例，简要说明它们的基本工作原理和特点。 2.1 阻塞型I/O 　　顾名思义，它以阻塞方式操作I/O，如图1所示。若一个进程以阻塞方式调用read函数读取串口数据，则该进程会一直睡眠在read系统调用上。此时系统内核会一直等待数据，直到串口有数据到达为止。当串口数据准备好后，内核就把数据从内核拷贝至用户空间;而当数据拷贝完成后，才唤醒串口读取进程，通知它读取数据报。

图1 阻塞I/O模型 2.2 非阻塞I/O 　　图2中，在非阻塞I/O模型下，I/O操作是即时完成的。当进程调用read函数时，设置了O_NONBLOCK标志，那么即使串口没有数据可读，read函数也会立即返回。此时其返回值为EAGAIN，表明串口数据未就绪。如果串口有数据可读，则read函数会读取该数据，并返回所读数据的长度。通常轮询I/O的方法就是采用这种模型来读取串口数据的，此时进程必须通过反复调用来检测是否有数据可读。如果轮询频率过低，则容易丢失数据;轮询频率过高，则占用太多处理器的处理周期。

图2 非阻塞I/O模型 2.3 I/O复用 　　上述两种I/O模型，是最常用的两种操作I/O的方式;但在面向较复杂、需要处理多个I/O的系统时，这两种模型存在着不足之处。例如：在应用进程中需要对多个I/O设备进行监听，当某个设备可读或可写时，进程能马上得知，并进行相关处理。这时若采用阻塞方式操作I/O，则进程会阻塞在某个设备的I /O读写操作上而不能适用于这种情况;若采用非阻塞方式，则往往需要定时或循环地探测所有设备，才作相应处理，这种作法相当耗费系统中央处理器的执行周期。可见，上述的两个I/O模型都不能满足这类应用，故此需要引入一种特别的I/O处理机制，即I/O复用。 　　所谓I/O复用，是指当一个或多个I/O条件(可读、能写或出现异常)满足时，进程能立即知道，从而正确并高效地对它们进行处理。 　　在uClinux下，系统提供select函数和poll函数，用来支持I/O复用的实现。如图3所示，若使用select的系统调用来查询是否有数据可读时，进程是在等待多个I/O描述接口的任一个变为可读，但此期间并不阻塞进程。当有数据报已准备好时，返回可读条件，并通知进程再次进行系统调用准备读取相应的I/O数据。此时内核就开始拷贝准备好的数据至用户空间，并返回指示进程处理数据报。

图3 I/O复用模型 　　与上面提及的两种I/O模型不同的是：在这个处理过程中，使用了两次系统调用来达到读取数据的目的。虽然两次系统调用的开销似乎更大，但它的最大好处在于能同时等待多个描述符准备好。因此select调用功能更多地是借助了内核来监听I/O设备描述符的。下面具体介绍select函数的功能及应用。 3 uClinux中基于select的I/O复用机制和工作原理 　　在系统存在多个输入或输出流但不希望其中任一个流被阻塞的场合，经常使用复用I/O的方法解决。uClinux中，用户程序多使用select机制实现I/O复用控制，select函数允许进程对一个或多个设备文件进行非阻塞的读或写操作。 　　select的函数定义于中，原型如下： 　　int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 　　该函数允许进程指示内核等待多个事件中的任一个发生，并仅在一个或多个事件发生或经过某指定的时间后才唤醒进程。该函数的第1个参数n表示文件描述符集合中最大值再加1;第2个参数readfds，表示可读的文件描述符集合，用于查看是否有可读取数据;第3个参数writefds表示可写的文件描述符集合，用于查看是否能写入数据;第4个参数exceptfds用于异常控制;最后一个参数timeout决定了select将会阻塞多久才把控制权移交给调用它的进程。调用select之前，必须对此参数进行初始化。若timeout值为0，则select直接返回0。此时I/O操作没有等待就立即返回，相当于一种非阻塞I/O的调用。 　　在应用中，通常先调用select查看哪个I/O设备可读/写。如果没有可读/写的设备，并且没有设置超时返回功能，那么进程将阻塞在select调用上;如果有，则select函数返回，紧接着可通过测试参数readfds和writefds来确定哪个I/O设备可读或能写，而后以非阻塞方式操作该 I/O设备，从而实现期望功能。 　　在实现select应用的过程中，还会使用到这些select相关接口： 　　void FD_ZERO(fd_set *fdset); 　　void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); 　　void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); 　　int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); 　　其中，fd_set表示设备文件描述符集合，fd表示设备文件描述符。FD_ZERO函数用于清除设备文件描述符集合所有元素;FD_SET函数用于把某个文件描述符添加至文件描述符集合;FD_CLR函数用于从文件描述符集合中删除某个文件描述符;而FD_ISSET用于检测设备文件描述符集合的某个文件描述符是否有效，有效则表示该位对应的设备有数据可读或可写。 4 轮询检测方法与select方法的比较 4.1 轮询检测方法 　　轮询检测方法是指对串口进行非阻塞的读写操作。当操作未成功时，让进程或线程挂起一段时间，然后再使用非阻塞调用来重新查询串口是否有可读/写数据。用此方法，相当于系统不断地对接收或者发送操作的执行结果进行探测，直到把数据发出去或者接收完成定量的数据，才退出此轮询循环。而对于接收与发送不确定哪个时刻会到达的情况，即随机性比较高的读/写操作，采用轮询方法会造成CPU资源浪费。如果轮询频率过低，则会使系统少接收一部分数据或接收过慢;反之，则接收方会因为等待太久而不能接收更多新的数据。轮询频率过高的情况，会让CPU过度频繁地查询串口状态，造成过多的耗用CPU执行周期，降低其利用率。 4.2 select机制能充分利用系统时间的原因 　　与频繁调用非阻塞读写函数来轮询监听I/O的方法相比， select调用允许用户把进程本身挂起来，同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动。只要确认在任何被监控的文件描述符上出现活动，select调用将返回指示该设备文件已经准备好的信息。这样就使进程能相对实时地监测到I/O设备上随机的变化，而不必由进程本身去探测输入数据是否准备好。 5 利用select I/O的机制实现GPS与GPSOne数据的接收 　　本文提出的基于GPS与GPSOne信号的双定位的解决方案，即对系统两个串口定位信号的监听与处理，充分利用uClinux下基于Select的 I/O复用机制，更利于较复杂系统的控制和管理。 　　方案实现的程序流程如图4所示。

图4 双定位信息获取的程序流程 　　以下代码为使用Select I/O机制接收GPS信息和GPSOne信息的软件实现： 　　int Maxfd = fd_gps>fd_gpsOne? fd_gps: fd_gpsOne;//得到串口描述符中较大的一个　　struct timeval tv;//定义超时控制结构　　fd_set fds; //文件描述符集合变量　　tv.tv_sec = 5;//设定超时值 5 s 　　tv.tv_usec = 0; 　　while(1){//通过GPSOne串口，发送GPSOne定位请求　　　　Rt = send_port (fd_gpsone, "AT+GPSSTRTr", strlen("AT+GPSSTRTr"); 　　　　if (Rt) == -1) 　　　　　　printf("Error happened!"); 　　　　FD_ZERO (%26;amp;fds);//初始化文件描述符集合　　　　FD_SET(*fd_gps, %26;amp;fds);//设置文件描述符集合的相应位　　　　FD_SET(fd_gpsOne, %26;amp;fds);//使用select，让内核开始监听GPSOne和GPS串口设备　　　　fd_sel = select((Maxfd)+1, %26;amp;fds_gps, NULL, NULL, %26;amp;tv); 　　　　if (fd_sel < 0){ 　　　　　　printf("Error happened while receiving gps data.n");} 　　　　else if (FD_ISSET(*fd_gps, %26;amp;fds)){//若GPS串口设备有数据可读　　　　　　recv_len = recv_port(fd_gps, buf, 254); 　　　　　　if (recv_len > 0){ 　　　　　　　　memcpy (gps_info, buf, recv_len);//信息保存到　　　　　　　　gps_info数组中gps_info_process(gps_info);//解析定位信息处理　　　　　　} 　　　　} 　　　　else if (FD_ISSET(*fd_gpsOne, %26;amp;fds)){//若GPSOne串口设备有数据可读　　　　　　recv_len = recv_port(*fd_gpsOne, buf, 254); 　　　　　　if (recv_len > 0){memcpy (gpsOne_info, buf, recv_len); //信息保存到gpsOne_info数组中　　　　　　gpsOne_info_process(gpsOne_info);//解析定位信息处理　　　　　　} 　　　　} 　　　　sleep(1); 　　} 6 设计总结 　　本文详细说明了串口编程的基本方法和步骤，并提出一种基于select的I/O复用机制处理多个串口信息的方案，同时给出这种方案的具体实现。此方案具有较高的可靠性，保证了多个串口的信息可以很好地被接收和处理，而且不相互干扰，利于系统更好地管理多个文件设备。特别是在数据采集和数据传输领域中，select利用内核同时监听多个设备描述符机制，可以被广泛地应用于嵌入式系统多路I/O采集的设计中。 参考文献 [1] Kurt Wall. GNU/Linux编程指南[M].张辉，译. 北京：清华大学出版社,2005. [2] Richard Stevens W. UNIX网络编程[M]. 第2版. 第1卷%26;#183;套接口API和X/Open传输接口API.北京：清华大学出版社,1998：121131. [3] 马忠梅,李善平,康慨,等. ARM%26;amp;Linux嵌入式系统教程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005:255261. [4] 周立功.ARM嵌入式系统实验教程(2).广州：广州周立功单片机发展有限公司,2005:213219. [5] 邓滔，徐勇. GPS与嵌入式Linux平台串行通信研究[J]. 工业控制计算机,2005,18(1).