嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)研究

衛(wèi)小偉

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710021；2.長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制學(xué)院，陜西 西安 710064）

我國(guó)GPS車輛導(dǎo)航系統(tǒng)受國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、電子地圖配套限制等諸多綜合因素制約，仍處于初始發(fā)展階段。在功能上，大部分GPS車輛導(dǎo)航系統(tǒng)還只有車輛跟蹤、數(shù)字地圖查詢、路徑簡(jiǎn)單規(guī)劃等基本功能。本文對(duì)嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，給出一個(gè)完整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)討論導(dǎo)航電子地圖的實(shí)現(xiàn)方法。

1 嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)借助于定位、地理信息處理和通信等技術(shù)，通過(guò)處理車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，配合地理信息系統(tǒng)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)處理信息，并與服務(wù)中心交流信息交流，可提供定位、電子地圖、路徑規(guī)劃和引導(dǎo)、信息查詢、歷史行駛狀態(tài)詳細(xì)記錄、通信等功能[1]。圖1為該導(dǎo)航信息系統(tǒng)功能各模塊關(guān)系。

圖1 導(dǎo)航信息系統(tǒng)功能模塊

圖1中，定位系統(tǒng)包括定位模塊和地圖匹配模塊，可得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，如經(jīng)度、緯度、高度、速度、運(yùn)動(dòng)方向等；數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫(kù)包含預(yù)先定義好存儲(chǔ)格式的數(shù)字地圖信息，提供計(jì)算機(jī)處理與地圖有關(guān)信息，如辨別場(chǎng)所、公路等級(jí)、交通規(guī)則和旅行信息等；路徑規(guī)劃和路徑引導(dǎo)模塊功能是根據(jù)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)模塊所提供的地圖數(shù)據(jù)，加上從無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)收到的實(shí)時(shí)交通信息，按照某個(gè)指標(biāo)（如最小時(shí)間或者最小旅行代價(jià)）幫助用戶在行駛前或運(yùn)行中規(guī)劃路線；人機(jī)接口允許用戶與定位和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)及裝置進(jìn)行人機(jī)交互；無(wú)線通訊模塊進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)性能并增加系統(tǒng)功能。

傳統(tǒng)的導(dǎo)航信息系統(tǒng)主要有2種實(shí)現(xiàn)方法：基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易導(dǎo)航系統(tǒng)和基于移動(dòng)PC的導(dǎo)航系統(tǒng)。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但功能有限，僅僅實(shí)現(xiàn)定位、簡(jiǎn)易位置指示以及簡(jiǎn)單通訊功能；而后者以PC操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，應(yīng)用專業(yè)軟件包或自主開發(fā)軟件包，配以相應(yīng)外圍模塊（如定位、通訊等）能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航所有復(fù)雜功能，但價(jià)格高，且難以適應(yīng)車載環(huán)境。因此，采用嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)代車載導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)是必然選擇[2]。

選用PCM-5820作為嵌入式車載信息系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，Windows CE作為嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)。PCM-5820完全滿足系統(tǒng)在存儲(chǔ)容量、處理速度、通信接口、功耗、體積等方面的要求。Windows CE具有方便定制、移植簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，且具有與PC操作系統(tǒng)一致界面風(fēng)格和操作方式，實(shí)現(xiàn)豐富的API，便于開發(fā)。基于以上平臺(tái)，圖2給出嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)的定位模塊和無(wú)線通訊模塊需借助相應(yīng)裝置，導(dǎo)航信息系統(tǒng)直接收發(fā)這些裝置數(shù)據(jù)，處理后為系統(tǒng)所用；路徑規(guī)劃和路線引導(dǎo)模塊功能的實(shí)現(xiàn)算法研究已相當(dāng)深入，這里不再贅述。而對(duì)于導(dǎo)航電子地圖模塊[3]，為便于功能實(shí)現(xiàn)和后期擴(kuò)展，按其功能分為矢量圖形系統(tǒng)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，前者是按特定要求顯示矢量圖形，后者是存儲(chǔ)和管理圖形元素的幾何數(shù)據(jù)（如坐標(biāo)等）、屬性數(shù)據(jù)（如道路等級(jí)等）以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)（如交通信息等）。

圖2 嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2 導(dǎo)航矢量圖形系統(tǒng)

2.1 基于EVC的矢量圖形系統(tǒng)

分析地圖發(fā)現(xiàn)，地圖矢量化后矢量圖形的元素類型有：點(diǎn)（Point）、線（Line）、連續(xù)折線（Polyline）、區(qū)域（Region）、弧線（Arc）、文本（Text）、矩形（Rectangle）、圓角矩形（Rounded Rectangle）、橢圓（Ellipse）、圓（Circle）、符號(hào)（Symbol）等 11 個(gè)類型。導(dǎo)航電子地圖中，符號(hào)只用于顯示，而且類型有限，該系統(tǒng)采用柵格方式在矢量圖形上透明顯示。其余10種圖形元素并非獨(dú)立分類，比如，元素點(diǎn)可用其他若干個(gè)元素組合表達(dá)；矩形元素（在嵌入式C++中有直接函數(shù)支持）實(shí)質(zhì)是一個(gè)特殊區(qū)域。

考慮以上每個(gè)對(duì)象類都有如線型、顏色等的公共數(shù)據(jù)，可抽象一個(gè)基類。本文共建立了15對(duì)象類及結(jié)構(gòu)：基類Class CDraw、 線類 Class Cline：public CDraw、 多線類 Class CPline ：public CDraw、區(qū)域類 Class CArea：public CDraw、橢圓弧類Class CEarc：public CDraw、圓類偽代碼描述Class CCircle：public CDraw、矩形類 Class Crectangle：public CDraw、圓角矩形類 Class CroundedRectangle：public CDraw、 橢圓類 Class CEllipse：public CDraw、文本類 Class CText：public CDraw、符號(hào)類 Class CSymbol：public CDraw、繪制矢量圖形參數(shù)類 Class CgraphPara、圖層屬性結(jié)構(gòu)typedef struct、當(dāng)前畫面屬性結(jié)構(gòu)typedef struct、導(dǎo)航目標(biāo)屬性結(jié)構(gòu)typedef struct。

車載導(dǎo)航電子地圖一般采用小液晶顯示屏顯示。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，顯示的畫面內(nèi)容應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單明了，所以矢量圖形將數(shù)據(jù)分層組織，在圖形元素的基類中設(shè)有表示元素所處圖層的信息。除了將元素分類為不同的顯示圖層，簡(jiǎn)化顯示內(nèi)容，基類還可設(shè)置該元素是否顯示標(biāo)志位，這樣可提高顯示速度，節(jié)省資源。例如，在同一圖層元素，如果有些元素不在當(dāng)前顯示窗口，可以不進(jìn)行與顯示有關(guān)的后臺(tái)操作（坐標(biāo)變換等）。DPtoVP和VPtoDP方法是實(shí)際坐標(biāo)（地理坐標(biāo)）和圖形坐標(biāo)相轉(zhuǎn)換。通過(guò)矢量化得到的圖形元素的位置數(shù)據(jù)一般是某種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，而本系統(tǒng)用戶可見的顯示坐標(biāo)范圍為從（0，0）至（640，480），所以需進(jìn)行坐標(biāo)變換。 每個(gè)圖形元素都需Draw（繪制）方法，但不同元素的繪制方法各不相同，為了方便Draw方法使用，在基類中將Draw定義為純虛函數(shù)，在子類中重載時(shí)再具體賦以不同繪制內(nèi)容。

2.2 矢量圖形系統(tǒng)優(yōu)化

嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)硬件平臺(tái)一般采用低功耗設(shè)計(jì)，運(yùn)算能力有限。但導(dǎo)航電子地圖顯示畫面往往含有大量圖形元素，圖形顯示一次需花費(fèi)大量時(shí)間。如果采用每次全部繪制所有電子地圖內(nèi)容并直接輸出到畫面，則會(huì)導(dǎo)致畫面刷新慢和重繪閃爍明顯。因此需優(yōu)化矢量圖形的繪制方法。

2.2.1 提高圖形的顯示速度

一般繪圖方法是繪制所有圖形元素，而這樣嚴(yán)重影響繪圖速度。為了加快繪圖速度，在顯示一個(gè)圖形元素前，先判斷該圖形元素是否在當(dāng)前視圖屏幕中，如果不在，則無(wú)需繪制，從而節(jié)省繪制時(shí)間[4]。而判斷一個(gè)圖形元素是否在當(dāng)前視圖屏幕，需計(jì)算判斷圖形元素與當(dāng)前視圖屏幕矩形是否相交，但此方法需大量計(jì)算，影響顯示速度。采用的判斷圖形元素是否需要繪制的方法應(yīng)允許不太嚴(yán)密，但要計(jì)算簡(jiǎn)單。在每次重繪圖形元素前，首先判斷元素是否顯示，并只繪制所需部分。這樣就大大加快繪圖速度，并能滿足導(dǎo)航電子地圖系統(tǒng)顯示要求。

2.2.2 解決畫面閃爍問(wèn)題[5]

窗口圖形繪制包括：上次繪制、本次擦除、本次重繪。其中本次擦除操作是必須的。如果重繪時(shí)未清除原來(lái)繪制圖形，將導(dǎo)致新圖形和原圖形相疊加。而在新圖形繪制出前，在極短時(shí)間內(nèi)屏幕顯示一個(gè)空的矩形區(qū)域，圖形重繪完成后，窗口顯示區(qū)才開始有內(nèi)容顯示。所以擦除屏幕會(huì)出現(xiàn)閃爍，這與圖形復(fù)雜程度無(wú)關(guān)。采用雙緩存機(jī)制解決重繪閃爍。雙緩存就是在內(nèi)存中新開辟一個(gè)緩沖區(qū)，原來(lái)的顯示緩沖區(qū)作為前臺(tái)緩沖區(qū)，新開辟的緩沖區(qū)作為后臺(tái)緩沖區(qū)。如圖3所示，繪圖時(shí)先把輸出內(nèi)容寫入后臺(tái)緩沖區(qū)，繪圖完成后再把屏幕的當(dāng)前顯示緩沖區(qū)切換到這個(gè)包含新內(nèi)容的緩沖區(qū)。一旦把屏幕顯示緩沖指向后臺(tái)緩沖區(qū)，下一幀的輸出內(nèi)容就可寫入原緩沖區(qū)，再通過(guò)屏幕顯示。因?yàn)槭欠浅Ｒ?guī)整的內(nèi)存拷貝，所以前后臺(tái)的緩沖區(qū)切換速度非?？?，幾乎看不到圖形的擦除過(guò)程。因此使用雙緩沖區(qū)取代單緩沖區(qū)可成功隱藏繪圖過(guò)程，避免閃爍。

圖3 雙緩存技術(shù)解決重繪閃爍

3 導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]

所謂數(shù)據(jù)庫(kù)即格式化（結(jié)構(gòu)化）的文件，用戶完全可自行設(shè)計(jì)所需格式文件，并提供操作函數(shù)。這里使用.dbf文件格式。因?yàn)樵摳袷奖槐姸鄶?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)接受，處理方便。這樣實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是一種平面文件數(shù)據(jù)庫(kù)。這種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，開發(fā)周期短，但速度較慢。實(shí)踐表明，車載導(dǎo)航系統(tǒng)采用這種方法完全可以滿足要求[7]。

本文使用16進(jìn)制閱讀工具h(yuǎn)ex32.exe分析dbf文件結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析dbf文件具有以下特征：文件由文件結(jié)構(gòu)說(shuō)明區(qū)和文件數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成；文件的結(jié)束標(biāo)志為1AH。文件數(shù)據(jù)區(qū)存放記錄 （類似表格的一行），每條記錄是等長(zhǎng)的；每條記錄以20H開始，按字段順序存放，沒有字段分隔符，也沒有記錄終止符；若刪除該記錄，則記錄的第1個(gè)字節(jié)標(biāo)記為2AH。文件結(jié)構(gòu)說(shuō)明區(qū)包括數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)區(qū)和記錄結(jié)構(gòu)區(qū)。文件的前32個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)區(qū)。記錄結(jié)構(gòu)區(qū)包括各個(gè)字段參數(shù)，其中每個(gè)字段占32個(gè)字節(jié)。本系統(tǒng)基本表的組織形式與dbf文件組織形式相同。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要函數(shù)與普通關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)接口類似，選擇使用必要的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)車載導(dǎo)航所需的基本操作。實(shí)現(xiàn)通用數(shù)據(jù)庫(kù)所支持的全部操作，系統(tǒng)具備較豐富的操作功能。用戶還可開發(fā)實(shí)現(xiàn)特定功能的其他操作，作為系統(tǒng)擴(kuò)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并重點(diǎn)討論導(dǎo)航電子地圖的實(shí)現(xiàn)。利用GIS組件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航電子地圖和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的傳統(tǒng)方發(fā)法，以EVC（嵌入式VC）為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)了電子地圖矢量圖形系統(tǒng)，并自主設(shè)計(jì)能滿足車載導(dǎo)航需要的基于文件系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。實(shí)踐表明，本文建立的導(dǎo)航電子地圖系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，能方便移植于不同的軟硬件平臺(tái)，運(yùn)行可靠，適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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