引言
實時操作系統（RTOS）是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺，應用程序都是建立在它之上。實時嵌入式操作系統的種類繁多，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功能穩定、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在價格方面具有優勢，目前主要有 Linux、μC/OS 等。
與其它嵌入式操作系統相比，嵌入式 Linux 具有開放源代碼、高可靠性以及強大的網絡功能等優勢，因此選用了嵌入式 Linux 系統作為移動終端的軟件平臺。
2 車輛監控系統概述
車輛監控系統是融全球定位技術（GPS）、地理信息技術（GIS）和通用分組無線業務（GPRS）于一體的高科技系統，由移動終端、GPRS 網絡和監控中心組成[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據（經緯度、速度、狀態等），然后按照 TCP/UDP 協議的格式封裝成 TCP/UDP 數據包，接著加上 IP 報頭和報尾封裝成 IP 數據報。由于 ARM 處理器與 GPRS 通信模塊之間的通信遵循 PPP（Point to Point Protocol，點對點協議），因而，需要將 IP 數據報按照 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據進一步發送到 SGSN（Serving GPRS Support Node，GPRS 業務支持節點）。SGSN 進行相應的協議轉換，并按照 GPRS 特有的 GTP（GPRS Tunnel Protocol，GPRS 隧道協議）將數據封裝成 GTP 包，然后通過 GPRS 骨干網傳送到相應的 GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS 網關支持節點）。GGSN 也進行相應的協議轉換，再根據外部數據網的協議格式對數據進行新的封裝，并且根據其目的 IP 地址選擇路由進行傳送，從而最終傳送到監控中心。監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，并對被監控車輛的準確位置、速度、運動方向、行車狀態等參數進行監控和查詢。同時，監控中心也可以向移動終端發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 數據以及通過 GPRS 網絡與監控中心進行通信（包括向監控中心發送定位信息和接收監控中心的指令）。
3 移動終端軟件系統的設計
3.1 總體設計
在移動終端上，軟件系統主要由三個部分組成：GPS 信號接收程序、GPS 數據處理程序和 GPRS 通信程序。在嵌入式 Linux 系統平臺下，移動終端的軟件系統結構如圖 1 所示。
圖 1 移動終端的軟件系統結構
圖 2 GPS 信號接收程序的層次結構
3.2 GPS 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 系統平臺下，GPS 信號接收程序的層次結構如圖 2 所示。
其中，tty 層、N_TTY 行規程（Line Discipline）層和低層驅動程序是嵌入式 Linux 系統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。嵌入式 Linux 系統提供了多種行規程供各類設備進行選擇，如：TTY 行規程（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 行規程，GPS 接收器接收到的數據必須經過 N_TTY 行規程模塊進行規范處理。低層驅動程序用來直接對硬件進行操作，而 flip_buffer 是低層驅動程序和 N_TTY 行規程之間的高速接口，它保存 GPS 接收器接收到的數據。
在嵌入式 Linux 系統中，內核給接在串口 1 上的 GPS 接收器提供了一個設備節點 /dev/ttyS0 以及標準的文件系統接口[2]。這樣，GPS 信號接收程序對設備節點 /dev/ttyS0 的操作就會被內核映射成對 GPS 接收器的操作。當 GPS 接收器接收到衛星信號時，會觸發低層驅動程序事先注冊到系統中的中斷處理函數，從而調用函數 receive_chars( ) 把數據填充到 flip_buffer 中，然后調用函數 tty_flip_buffer_push( ) 將數據傳遞給 N_TTY 行規程模塊。N_TTY 行規程模塊中的函數 n_tty_receive_buf( ) 對數據進行規范化處理后將其存入 tty 緩沖區中，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，它會向文件系統發出讀請求，文件系統發現此請求的對象為 tty 設備，于是調用函數 tty_read( )，接著調用函數 read_chan( ) 讀取 tty 緩沖區中的數據。
3.3 GPS 數據處理程序
GPS 接收器與嵌入式 Linux 平臺之間的通信協議有很多種，這里采用的通信協議是 NMEA-0183，它規定了 GPS 數據的輸出速率為 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 為數據字段，字母或數字；* 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。
在車輛監控系統中，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 數據處理程序的主要功能是從 GPS 接收器接收到的數據中提取出 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的數據發送給監控中心。
3.4 GPRS 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 Internet，首先得附著在 GPRS 網絡上，然后發起 PDP（Packet Data Protocol，分組數據協議）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
在嵌入式 Linux 系統平臺下，移動終端利用 pppd（包含 chat）撥號到 GPRS 網絡。pppd 是一個用戶空間的后臺服務進程（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 協議層。PPP 協議模塊不僅提供簡單的數據鏈路層功能，它還提供諸如鑒權（如PAP/CHAP），數據壓縮/解壓（如CCP）和數據加密/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 協議模塊的參數、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程 N_TTY 向 GPRS 通信模塊發送 AT 命令，接著 chat 將控制權返還給 pppd。pppd 將行規程切換為 N_PPP，而 pppd 與 PPP 協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 read 系統調用，pppd 可以讀取 PPP 協議模塊的數據包（當然，PPP 協議模塊只會把應該由 pppd 處理的數據包發給 pppd）。通過 write 系統調用，pppd 可以把要發送的數據包傳遞給 PPP 協議模塊，而通過 ioctl 系統調用，pppd 可以設置 PPP 協議模塊的參數，可以建立/關閉連接。
此后，pppd 執行了 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 執行第 ⑩ 步，在函數 make_ppp_unit( ) 中調用 ioctl(PPPIOCNEWUNIT) 創建一個網絡接口（如ppp0）。當 PPP 協議模塊在處理 PPPIOCNEWUNIT 時，調用函數 register_netdev( ) 向內核注冊 PPP 網絡接口，該網絡接口的傳輸函數指向函數 ppp_start_xmit( )。值得注意的一點是，如果關閉進程 pppd，行規程會由 N_PPP 切換回默認的 N_TTY，因此，在移動終端與監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控中心進行通信的網絡接口（如ppp0）。
3.4.3 移動終端與監控中心的數據交互
前面，移動終端已經與監控中心建立了網絡鏈接。接下來，移動終端就可以與監控中心進行通信了。GPRS 通信程序的層次結構如圖 1 的右半部分所示。
在移動終端向監控中心發送定位信息的過程中，移動終端上的 GPRS 通信程序通過 socket 接口發送 TCP/IP 數據包，內核根據 IP 地址和路由表，找到 PPP 網絡接口，然后調用函數 ppp_start_xmit( )，此時控制權就轉移到了 PPP 協議模塊。函數 ppp_start_xmit( ) 調用函數 ppp_xmit_process( ) 去發送隊列中的所有數據包，而函數 ppp_xmit_process( ) 會進一步調用函數 ppp_send_frame( ) 去發送單個數據包。函數 ppp_send_frame( ) 根據前面 pppd 對 PPP 協議模塊的設置調用壓縮等擴展功能之后，又經函數 ppp_push( ) 調用函數 pch->chan->ops->start_xmit( ) 發送數據包。函數 pch->chan->ops->start_xmit( ) 是具體的傳輸方式，對于串口發送方式，則是 ppp_async.c:ppp_asynctty_open 中注冊的函數 ppp_async_send( )，函數 ppp_async_send( ) 經函數 ppp_async_push( ) 調用函數 tty->driver->write( )（定義在低層驅動程序中）把數據發送到串口 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 tty_register_ldisc( ) 向 tty 注冊了行規程 N_PPP 的處理接口，也就是一組回調函數。在移動終端接收監控中心指令的過程中，當 GPRS 通信模塊收到數據時，就會回調 N_PPP 行規程中的函數 ppp_asynctty_receive( ) 來接收數據。函數 ppp_asynctty_receive( ) 調用函數 ppp_async_input( ) 把數據 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 中的數據包，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 ppp_input( ) 讓 PPP 協議模塊處理該數據包。在函數 ppp_input( ) 中，數據被分成兩路，一路是協議控制數據包，放入隊列 pch->file.rqb 中，交給 pppd 處理。另外一路是用戶數據包，經函數 ppp_do_recv( )、ppp_receive_frame( ) 進行 PPP 協議相關的處理后，再由函數 netif_rx( ) 提交給上層的 TCP/IP 協議模塊進行處理，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（包括車輛監控系統）發展非常迅速，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 系統憑借其自身的優勢將會被越來越多地應用到這個領域。
本文作者創新點：本方案充分利用了嵌入式 Linux 平臺所提供的系統功能，大大簡化了應用程序的開發，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 數據處理辦法后，本文提供了一種切實可行的撥號到 GPRS 網絡的方法，從而實現了移動終端跨越 GPRS 網絡與 Internet 上監控中心的通信。