嵌入式定位系統(tǒng)的實(shí)用設(shè)計(jì)與軟件算法實(shí)現(xiàn)

石偉民

（中北大學(xué) 山西 太原 030051）

定位系統(tǒng)自問世后便得到了蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用已滲入到各行各業(yè)。個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域引領(lǐng)移動(dòng)定位類型科技產(chǎn)品集中涌現(xiàn)，其他領(lǐng)域和行業(yè)也有大量技術(shù)更新。目前各領(lǐng)域的定位系統(tǒng)主要集中在平臺(tái)和地圖的研發(fā)上，平臺(tái)配合應(yīng)用要求選用硬件，地圖根據(jù)顯示要求實(shí)現(xiàn)軟件算法。因而，它們?cè)诙ㄎ幌到y(tǒng)的研究工作中各成體系，兼容性不強(qiáng)。

近年來(lái)，在定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件選擇越來(lái)越集中在幾個(gè)品牌的幾個(gè)型號(hào)上。而軟件設(shè)計(jì)方面比較分散。因而在一個(gè)兼容性強(qiáng)的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)軟件的集中研發(fā)，將是未來(lái)的研發(fā)方向。

這里提出一種系統(tǒng)構(gòu)造模式，弱化硬件平臺(tái)的影響而力求最大限度的統(tǒng)一軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

這里提出一種實(shí)用的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的各方面配置，實(shí)現(xiàn)GPS實(shí)時(shí)導(dǎo)航功能[1]。系統(tǒng)主控器件采用韓國(guó)Samsung公司生產(chǎn)的ARM核32位RISC微處理器 S3C2410，并在由其組成的開發(fā)板上移植Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體調(diào)度和控制。通過(guò) S3C2410的UART接口連接GPS接收機(jī)，用以接收NEMA0183格式的GPS定位信息。通過(guò)UART接口和GSM/GPRS模塊 MC35進(jìn)行通信。

為了在移動(dòng)LED上實(shí)現(xiàn)電子地圖的繪制顯示，系統(tǒng)的整體層次結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。Linux操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)底層硬件的初始化和管理，并向上層提供應(yīng)用接口，MiniGUI完成電子地圖在LED上的繪制，并通過(guò)Linux內(nèi)核提供的應(yīng)用接口與GPS接收機(jī)和GSM/GPRS模塊完成通信等功能。

圖1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)框圖

2 圖形界面支持系統(tǒng)——MiniGUI

MiniGUI是一個(gè)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的輕量級(jí)圖形界面支持系統(tǒng)。MiniGUI能夠在各個(gè)不同的平臺(tái)上提供最大程度的接口兼容性，可運(yùn)行于ARM、MIPS等各種主流嵌入式硬件平臺(tái)之上。它能夠提供一個(gè)輕型、資源開銷少的嵌入式圖形接口[2]。

這里利用MiniGUI Ver 1.3.3版本，將其編譯為lite版本并移植到基于ARM核的32位微處理器 S3C2410上。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)基于MiniGUI的電子地圖顯示應(yīng)用程序，配合GPS信號(hào)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。

2.1 交叉編譯MiniGUI

MiniGUI從結(jié)構(gòu)層次上可以分為3層，最上層是APT層，中間層是MiniGUI核心，負(fù)責(zé)維護(hù)整個(gè)窗口系統(tǒng)的運(yùn)行，最下層由2部分組成，即圖形抽象層（GAL）和輸入抽象層（IAL）。

為了使MiniGUI能夠在不同的目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行，必須有針對(duì)相應(yīng)平臺(tái)的交叉編譯環(huán)境。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)選用S3C2410器件，則選擇交叉編譯環(huán)境Linux-ARM，選擇Mizi公司針對(duì)Samsung公司32位ARM核RISC微處理器S3C2410設(shè)計(jì)開發(fā)的工具鏈，這樣的配置環(huán)境使軟件和硬件具有更好的兼容性[3-4]。具體交叉編譯的步驟如下：

1）修改configure文件。設(shè)置make環(huán)境變量CC、LD及AR等。

2）GAL（圖形引擎）和IAL（輸入引擎）接口的實(shí)現(xiàn)。在MiniGUI中，GAL和IAL是MinGUI的2個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，MiniGUI的高可靠度在很大程度上也是由于這2個(gè)接口提供了獨(dú)立于硬件的抽象能力。這2個(gè)接口的抽象類似于Linux內(nèi)核中的虛擬文件系統(tǒng)。

在具體實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸入引擎（IAL）時(shí)，其中最為關(guān)鍵的是事件處理函數(shù)wait_event（）的實(shí)現(xiàn)，MiniGUI會(huì)不斷的調(diào)用該函數(shù)，來(lái)確定在輸入引擎上是否有輸入事件發(fā)生。這里需要特別注意的是，因?yàn)镸iniGUI是通過(guò)select系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信機(jī)制的，因此在實(shí)現(xiàn)lite版本輸入引擎的wait_event函數(shù)時(shí)，一定要通過(guò)select函數(shù)或與其等價(jià)的poll函數(shù)實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板的觸摸屏驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須要實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)file_operations結(jié)構(gòu)中的poll函數(shù)指針。即使觸摸屏驅(qū)動(dòng)未提供poll函數(shù)，也要在wait_event返回之前調(diào)用select，并傳遞相關(guān)參數(shù)。

Linux系統(tǒng)提供了一種基礎(chǔ)設(shè)施——FrameBuffer，通過(guò)這個(gè)設(shè)施，Linux的圖形輸出有了統(tǒng)一的接口。由于MiniGUI可以通過(guò)FrameBuffer獲得統(tǒng)一的圖形引擎接口，因此其適應(yīng)性大大提高，也就很少需要再為MiniGUI編寫GAL驅(qū)動(dòng)層。

3）依次運(yùn)行configure、make和make install命令，完成MiniGUI的配置和編譯。

經(jīng)過(guò)上述編譯過(guò)程，會(huì)將編譯好的MiniGUI庫(kù)文件安裝在/home/MiniGUI-lite目錄下。為了減小庫(kù)文件的大小，根據(jù)需要利用configure命令去掉MiniGUI中一些不需要的功能，同時(shí)利用交叉編譯工具鏈中的strip命令刪除MiniGUI函數(shù)庫(kù)中的符號(hào)信息和其他一些調(diào)試信息。

2.2 MiniGUI向 S3C2410上的移植

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，編譯完MiniGUI和應(yīng)用程序后，把MiniGUI庫(kù)和應(yīng)用程序拷貝到為目標(biāo)系統(tǒng)準(zhǔn)備的文件系統(tǒng)目錄中，然后使用相關(guān)工具生成文件系統(tǒng)映像，下載到目標(biāo)板上。

MiniGUI在運(yùn)行時(shí)需要一個(gè)配置文件，用來(lái)配置MiniGUI運(yùn)行所需要的環(huán)境參數(shù)。本設(shè)計(jì)中，將配置文件MiniGUI.cfg放到目標(biāo)板的/etc目錄下。另外，MiniGUI使用framebuffer作為其輸入引擎，因此在編譯Linux內(nèi)核時(shí)，選擇將framebuffer相關(guān)的功能編譯到內(nèi)核中去。

3 繪制基于MiniGUI的電子地圖的算法

3.1 提取電子地圖數(shù)據(jù)的算法實(shí)現(xiàn)

由于GUI的程序和傳統(tǒng)單一流程的程序不太相同，因此通過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)獲取GPS數(shù)據(jù)的方式是不可取的。該系統(tǒng)通過(guò)多線程的循環(huán)提取數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的提取與處理是在一個(gè)單線程中完成的，從而避免了數(shù)據(jù)和處理的復(fù)雜交互，能更好地體現(xiàn)實(shí)時(shí)性。

首先，對(duì)所采用的坐標(biāo)系進(jìn)行說(shuō)明：假定有一個(gè)形狀為嚴(yán)格矩形的地圖，其像素坐標(biāo)原點(diǎn)為（0，0），地圖X軸方向上的寬度為W個(gè)像素點(diǎn)，Y軸方向上的高度為H個(gè)像素點(diǎn)，地圖上某點(diǎn)的坐標(biāo)為（X，Y），則定義該像素點(diǎn)的歸一化坐標(biāo)為（x/W，y/H）。對(duì)于終端而言，其覆蓋的地理范圍相對(duì)于地球半徑來(lái)說(shuō)幾乎可以看作無(wú)窮小，故可以認(rèn)為電子地圖所對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)在其覆蓋的區(qū)域內(nèi)是線性變化的。有了這2個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，當(dāng)從GPS接收機(jī)讀取到經(jīng)緯度坐標(biāo)時(shí)，根據(jù)近似的線性映射關(guān)系，就可以算出該坐標(biāo)在電子地圖上的歸一化坐標(biāo)。這種映射關(guān)系，根據(jù)歐式幾何原理[5]即式（1）和式（2），由已知的2個(gè)點(diǎn)可以算出點(diǎn) A和點(diǎn) B的未知參數(shù)。

要得到地圖的左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標(biāo)，只需知道地圖邊界范圍內(nèi)任取的2個(gè)參考點(diǎn)的4個(gè)參數(shù)即可。通過(guò)在某地實(shí)地采集的3個(gè)參考點(diǎn)，得到表1所列的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

根據(jù)公式，上面的3個(gè)參考點(diǎn)共有3種組合方式，分別得出3組經(jīng)緯度值，對(duì)這3組取平均值，以減少誤差，提高精度。最終求得左上角和右下角的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如表2所示[6]。

表1 3個(gè)參考點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)

表2 左上角和右下角的坐標(biāo)數(shù)據(jù)

從而得到基準(zhǔn)點(diǎn)，并將其坐標(biāo)數(shù)據(jù)保存到坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件taiyuan_gps.dat中。

為了提高靈活性，這里為坐標(biāo)源數(shù)據(jù)定義如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

3.2 GPS線程

采用單線程對(duì)采集的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、解析和計(jì)算。在程序中定義一個(gè)pthread_t類型變量，代表采集并解析GPS數(shù)據(jù)的后端線程。由于GUI的前端和后端GPS線程都要訪問某些GPS數(shù)據(jù)，因此需要在線程間采用同步策略。這里利用線程鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)，將其定義為GPSLOCK。它是一個(gè)pthread_mutex_t類型的變量。

對(duì)應(yīng)于Point型、Pline型和Region型3種類型的地理信息，分別定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)_POINT、_PLINE和_REGION。以道路為例，在程序中定義對(duì)應(yīng)的_PLINE結(jié)構(gòu)來(lái)描述相關(guān)信息，該結(jié)構(gòu)定義如下：

3.3 MiniGUI下電子地圖的繪制

MiniGUI程序的入口點(diǎn)為 MiniGUIMain，main函數(shù)已在MiniGUI的函數(shù)庫(kù)中定義，該函數(shù)在進(jìn)行一些MiniGUI的初始化工作后調(diào)用MiniGUIMain函數(shù)。先調(diào)用SetDesktopRect函數(shù)來(lái)設(shè)置程序的顯示區(qū)域，然后調(diào)用CreateMainWindow函數(shù)創(chuàng)建并顯示程序的主窗口，最終進(jìn)入消息循環(huán)。

MiniGUI是消息驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，一切運(yùn)作都圍繞消息進(jìn)行，MiniGUI應(yīng)用程序通過(guò)接收消息來(lái)與外界交互。在電子地圖的繪制過(guò)程中，主要用到MiniGUI的窗口繪制消息MSG_PAINT。該消息在需要進(jìn)行窗口重繪時(shí)發(fā)送到窗口過(guò)程。MiniGUI通過(guò)判斷窗口是否含有無(wú)效區(qū)域來(lái)確定是否需要重繪，在需要進(jìn)行重繪時(shí)，MiniGUI會(huì)向相應(yīng)的窗口過(guò)程發(fā)送MSG_PAINT消息。MSG_TIMER則主要負(fù)責(zé)從后端GPS線程中取得當(dāng)前的經(jīng)緯度信息，格式化之后輸出到文本框中。

當(dāng)MiniGUI主程序接收到其GPS通信子進(jìn)程發(fā)送的SIGUSR1信號(hào)時(shí)，就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)。為了實(shí)時(shí)更新定位點(diǎn)在電子地圖中的位置，必須在該函數(shù)中讀取共享內(nèi)存中的最新位置信息；同時(shí)根據(jù)定位點(diǎn)位置的變化確定需要重繪的區(qū)域，調(diào)用MiniGUI中的InvalidateRect函數(shù)使該區(qū)域無(wú)效。通過(guò)這種方式使得最新的位置信息實(shí)時(shí)地顯示在電子地圖上[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)信息化的發(fā)展，GPS導(dǎo)航終端的使用已成燎原之勢(shì)，越來(lái)越多的設(shè)備配備定位或?qū)Ш焦δ?。本設(shè)計(jì)利用MiniGUI來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS的基本功能，使地圖的繪制工作脫離繁瑣的底層硬件，大大簡(jiǎn)化了此項(xiàng)工作，再配合GPS信號(hào)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航功能。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還有許多地方值得改進(jìn)，例如通訊反饋精度和矢量化地理信息的優(yōu)化顯示等[8]。

[1]李明峰，馮寶紅，劉三枝.GPS定位技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2]Raghavan P.嵌入式LINUX系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]邱世華.LINUX系統(tǒng)架構(gòu)與目錄解析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]James Bao-Yen Tsui.GPS軟件接收機(jī)基礎(chǔ)[M].陳軍，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5]宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]熊志昂，李紅瑞，賴順香.GPS技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[7]米斯拉，恩格.全球定位系統(tǒng)[M].羅鳴，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[8]崔保延.GPS軟件接收機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.