1 引言
实时操作系统（RTOS）是嵌入式应用软件的基础和开发平台，应用程序都是建立在它之上。实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有 Linux、μC/OS 等。
与其它嵌入式操作系统相比，嵌入式 Linux 具有开放源代码、高可靠性以及强大的网络功能等优势，因此选用了嵌入式 Linux 系统作为移动终端的软件平台。
2 车辆监控系统概述
车辆监控系统是融全球定位技术（GPS）、地理信息技术（GIS）和通用分组无线业务（GPRS）于一体的高科技系统，由移动终端、GPRS 网络和监控中心组成[1]。移动终端安装在各个移动车辆上，其上的 GPS 接收器实时采集卫星定位信息，然后通过串口 1 传送给 ARM 处理器。ARM 处理器先解算出有用的数据（经纬度、速度、状态等），然后按照 TCP/UDP 协议的格式封装成 TCP/UDP 数据包，接着加上 IP 报头和报尾封装成 IP 数据报。由于 ARM 处理器与 G
由此可见，移动终端的核心功能是接收 GPS 信号、处理 GPS 数据以及通过 GPRS 网络与监控中心进行通信（包括向监控中心发送定位信息和接收监控中心的指令）。
3 移动终端软件系统的设计
3.1 总体设计
在移动终端上，软件系统主要由三个部分组成：GPS 信号接收程序、GPS 数据处理程序和 GPRS 通信程序。在嵌入式 Linux 系统平台下，移动终端的软件系统结构如图 1 所示。
图 1 移动终端的软件系统结构
3.2 GPS 信号接收程序
对于移动终端，它的第一个任务就是接收 GPS 信号。在嵌入式 Linux 系统平台下，GPS 信号接收程序的层次结构如图 2 所示。
图 2 GPS 信号接收程序的层次结构
其中，tty 层、N_TTY 行规程（Line Discipline）层和低层驱动程序是嵌入式 Linux 系统中串行通信驱动模块三个固有的逻辑层，这三层之间有相互调用的接口函数。嵌入式 Linux 系统提供了多种行规程供各类设备进行选择，如：TTY 行规程（N_TTY）用于连接终端输入驱动设备和终端显示驱动设备，而 PPP 行规程（N_PPP）用来连接终端驱动设备和网络驱动设备。GPS 信号接收程序使用了 N_TTY 行规程，GPS 接收器接收到的数据必须经过 N_TTY 行规程模块进行规范处理。低层驱动程序用来直接对硬件进行操作，而 flip_buffer 是低层驱动程序和 N_TTY 行规程之间的高速接口，它保存 GPS 接收器接收到的数据。
在嵌入式 Linux 系统中，内核给接在串口 1 上的 GPS 接收器提供了一个设备节点 /dev/ttyS0 以及标准的文件系统接口[2]。这样，GPS 信号接收程序对设备节点 /dev/ttyS0 的操作就会被内核映射成对 GPS 接收器的操作。当 GPS 接收器接收到卫星信号时，会触发低层驱动程序事先注册到系统中的中断处理函数，从而调用函数 receive_chars( ) 把数据填充到 flip_buffer 中，然后调用函数 tty_flip_buffer_push( ) 将数据传递给 N_TTY 行规程模块。N_TTY 行规程模块中的函数 n_tty_receive_buf( ) 对数据进行规范化处理后将其存入 tty 缓冲 区中，供应用层的 GPS 信号接收程序来读取。
当应用层的 GPS 信号接收程序开始运行时，它会向文件系统发出读请求，文件系统发现此请求的对象为 tty 设备，于是调用函数 tty_read( )，接着调用函数 read_chan( ) 读取 tty 缓冲区中的数据。
3.3 GPS 数据处理程序
GPS 接收器与嵌入式 Linux 平台之间的通信协议有很多种，这里采用的通信协议是 NMEA-0183，它规定了 GPS 数据的输出速率为 4,800 波特，其输出都是 ASCII 字符，工作模式为 8-N-1。通信协议 NMEA-0183 中包含的语句有 GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 等，要想知道车辆的位置信息，至少要提取出 GPGGA、GPGLL、GPRMC 中的一种。NMEA-0183 协议报文的语句格式如图 3 所示。
图 3 NMEA0183 的报文格式
其中，$ 为串头，表示串的开始；AA 为识别符；XXX 为语句名；ddd…ddd 为数据字段，字母或数字；* 表示串尾；hh 表示 $ 与 * 之间所有
在车辆监控系统中，主要关心的是时间、车辆的位置和速度等信息。因此，在移动终端上，GPS 数据处理程序的主要功能是从 GPS 接收器接收到的数据中提取出 GPRMC 定位语句，忽略掉其他信息[3]。此后，移动终端上的 GPRS 通信程序负责将相关的数据发送给监控中心。
3.4 GPRS 通信程序
3.4.1 拨号到 GPRS 网络的基本原理
移动终端要想通过 GPRS 通信模块访问 Internet，首先得附着在 GPRS 网络上，然后发起 PDP（Packet Data Protocol，分组数据协议）上下文激活过程[4]，如图 4 所示。只有通过此过程，GPRS 通信模块才能与 GGSN 建立一条逻辑通路，从而访问 Internet。
图 4 PDP 上下文激活过程示意图
3.4.2 移动终端上拨号程序的实现
在嵌入式 Linux 系统平台下，移动终端利用 pppd（包含 chat）拨号到 GPRS 网络。pppd 是一个用户空间的后台服务进程（daemon），而 chat 是 pppd 所带一个辅助工具，用来与 GPRS 通信模块建立会话。在 PDP 上下文激活过程中，chat 完成了第 ① 步，而 pppd 完成了第 ②、③、④、⑩ 步。pppd 拨号程序的层次结构如图 5 所示。
图 5 pppd 拨号程序的层次结构
其中，N_PPP 层就是 PPP 协议层。PPP 协议模块不仅提供简单的数据链路层功能，它还提供诸如鉴权（如PAP/CHAP），数据压缩/解压（如CCP）和数据加密/解密（如ECP）等扩展功能。由于 GPRS 通信程序要求透明化地使用这些扩展功能，而 PPP 协议模块本身无法对各种策略进行选择，于是 pppd 应运而生。PPP 协议模块中策略性的内容都移到了 pppd 中，由 pppd 完成对鉴权、压缩/解压和加密/解密等扩展功能的选用。
在运行 pppd 的时候，pppd 首先读取配置文件中的配置信息，其中包含了设置 PPP 协议模块的参数、GPRS 通信模块连接的端口（/dev/ttyS1）以及对 chat 进行调用的语句，等等。随后 pppd 调用 chat，chat 也会读取相应的配置文件（其中包含一些应答语句对和 AT 命令），然后使用默认的行规程 N_TTY 向 GPRS 通信模块发送 AT 命令，接着 chat 将控制权返还给 pppd。pppd 将行规程切换为 N_PPP，而 pppd 与 PPP 协议模块之间采用了设备文件来进行通信，设备文件名是 /dev/ppp。通过 read 系统调用，pppd 可以读取 PPP 协议模块的数据包（当然，PPP 协议模块只会把应该由 pppd 处理的数据包发给 pppd）。通过 write 系统调用，pppd 可以把要发送的数据包传递给 PPP 协议模块，而通过 ioctl 系统调用，pppd 可以设置 PPP 协议模块的参数，可以建立/关闭连接。
此后，pppd 执行了 PDP 上下文激活过程的第 ②、③、④ 步。等 PDP 上下文激活过程的第 ⑤－⑨ 步（与移动终端不直接相关）完成之后，pppd 执行第 ⑩ 步，在函数 make_ppp_unit( ) 中调用 ioctl(PPPIOCNEWUNIT) 创建一个网络接口（如ppp0）。当 PPP 协议模块在处理 PPPIOCNEWUNIT 时，调用函数 r egister_netdev( ) 向内核注册 PPP 网络接口，该网络接口的传输函数指向函数 ppp_start_xmit( )。值得注意的一点是，如果关闭进程 pppd，行规程会由 N_PPP 切换回默认的 N_TTY，因此，在移动终端与监控中心通信的过程中不能关闭 pppd 进程。
至此，移动终端完成了向 GPRS 网络的拨号，这样它就拥有了一个可以用于与监控中心进行通信的网络接口（如ppp0）。
3.4.3 移动终端与监控中心的数据交互
前面，移动终端已经与监控中心建立了网络链接。接下来，移动终端就可以与监控中心进行通信了。GPRS 通信程序的层次结构如图 1 的右半部分所示。
在移动终端向监控中心发送定位信息的过程中，移动终端上的 GPRS 通信程序通过 socket 接口发送 TCP/IP 数据包，内核根据 IP 地址和路由表，找到 PPP 网络接口，然后调用函数 ppp_start_xmit( )，此时控制权就转移到了 PPP 协议模块。函数 ppp_start_xmit( ) 调用函数 ppp_xmit_process( ) 去发送队列中的所
ppp_async.c 在初始化时（ppp_async_init），调用函数 tty_register_ldisc( ) 向 tty 注册了行规程 N_PPP 的处理接口，也就是一组回调函数。在移动终端接收监控中心指令的过程中，当 GPRS 通信模块收到数据时，就会回调 N_PPP 行规程中的函数 ppp_asynctty_receive( ) 来接收数据。函数 ppp_asynctty_receive( ) 调用函数 ppp_async_input( ) 把数据 buffer 转换成 sk_buff，并放入接收队列 ap->rqueue 中。ppp_async 另外有一个 tasklet（ppp_async_process）专门处理接收队列 ap->rqueue 中的数据包，ppp_async_process 一直挂在接收队列 ap->rqueue 上，一旦被唤醒，它就调用函数 ppp_input( ) 让 PPP 协议模块处理该数据包。在函数 ppp_input( ) 中，数据被分成两路，一路是协议控制数据包，放入队列 pch->file.rqb 中，交给 pppd 处理。另外一路是用户数据包，经函数 ppp_do_recv( )、ppp_receive_frame( ) 进行 PPP 协议相关的处理后，再由函数 netif_rx( ) 提交给上层的 TCP/IP 协议模块进行处理，最后经 socket 接口传递给应用层的 GPRS 通信程序。
4 总结
近几年，智能交通系统（包括车辆监控系统）发展非常迅速，因此，移动终端将会有非常广泛的应用前景。随着市场需求的不断扩大，更加丰富的功能将会被集成到移动终端上，而嵌入式 Linux 系统凭借其自身的优势将会被越来越多地应用到这个领域。
本文作者创新点：本方案充分利用了嵌入式 Linux 平台所提供的系统功能，大大简化了应用程序的开发，并且具有良好的可扩展性。在详细介绍 GPS 信号的接收过程并给出一个简洁的 GPS 数据处理办法后，本文提供了一种切实可行的拨号到 GPRS 网络的方法，从而实现了移动终端跨越 GPRS 网络与 Internet 上监控中心的通信。
参考文献：
[1] 李艳晴等．基于 GPRS/GPS 的车辆监控系统的设计［J］．微计算机信息，2004，20-4：39-40．
[2] Ales sandro Rubini等．LINUX 设备驱动程序（第三版）［M］．中国电力出版社．2005．
[3] 成洁，路欣．嵌入式Linux平台的GPS数据采集研究［J］．江西理工大学学报，2006,vol.27,No.3．
[4] 刘旭，张其善．一种基于 GPRS 的车辆监控系统［J］．遥测遥控，2003，1，42-45．
