基于μC/O S的校園G P S導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

周博

（天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，天津300160）

1.引言

早期高校校園面積相對(duì)較小，學(xué)校的教學(xué)區(qū)、生活區(qū)、學(xué)校的各個(gè)部門都相對(duì)集中，從校園一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域只需要很短的時(shí)間，部門的搬遷也可能在同一棟或相鄰的兩棟之間，即使導(dǎo)航出錯(cuò)，帶來的負(fù)面影響也相對(duì)較小。校園導(dǎo)航基本上采用平面示意圖即可解決。

隨著高校的發(fā)展，校園面積也由原來的上百畝擴(kuò)大到上千畝，教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)、活動(dòng)區(qū)等在地理位置上相對(duì)變得疏遠(yuǎn)，那么跨區(qū)域活動(dòng)在區(qū)間往復(fù)的時(shí)間成本越來越高，中間稍有耽誤，將不能按照預(yù)定時(shí)間到達(dá)目的地，給我們的生活學(xué)習(xí)帶來不便。早期的校園平面示意圖導(dǎo)航表現(xiàn)出種種弊端，逐漸不能滿足新形勢(shì)下校園導(dǎo)航的要求。新的導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

2.系統(tǒng)概述

2.1 S3C2410處理器

s3C2410X微處理器是Samsung公司推出的16/32位RISC處理器（RAM920T內(nèi)核），適用于手持設(shè)備、POS機(jī)、數(shù)字多媒體播放設(shè)備等等，具有價(jià)格低、低功耗、高性能等特點(diǎn)。S3C2410X提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備，采用ARM920T內(nèi)核，0.18um工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元。它的低功耗、精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。同樣它還采用了AMBA新型總線結(jié)構(gòu)。S3C2410X提供了一系列完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，消除了為系統(tǒng)配置額外器件的需要，大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的成本。S3C2410X主要特征如下[4]：

(1)203Mhz的ARM920T內(nèi)核，支持JTAG仿真調(diào)試。

(2)16KB的1-Cache；

(3)具有MMU，支持WinCE、EPOC32、Linux等操作系統(tǒng)；

(4)外部存儲(chǔ)器控制器（SDRAM控制和片選邏輯），共分8個(gè)Bank，每個(gè)Bank可以訪問128MB空間。

(5)片內(nèi)4KB SDRAM，可用作NAND Flash系統(tǒng)引導(dǎo)的緩沖區(qū)；

(6)LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT），1通道LCD專用DMA；

(7)4通道DMA，有外部請(qǐng)求引腳；

(8)3個(gè)UART（IrDA1.0，16字節(jié)RxFIFO）；

(9)2個(gè)SPI總線接口；

(10)1個(gè)多主IIC總線接口；

(11)1個(gè)IIS總線接口；

(12)兼容SD主接口協(xié)議1.0版和MMC卡協(xié)議2.11兼容版；

(13)NAND Flash/SM卡接口，支持NANDFlash系統(tǒng)引導(dǎo)；

(14)2個(gè)USB主機(jī)接口，I個(gè)USB設(shè)備接口（V1.1）；

(15)4個(gè)PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；

(16)看門狗定時(shí)器；

(17)117個(gè)通用I/O口；

(18)24個(gè)外部中斷；

(19)8通道10位ADC和觸摸屏接口；

(20)具有日歷和時(shí)鐘功能的RTC；

(21)1.8V內(nèi)核供電，3.3V存儲(chǔ)器供電，3.3V外部I/O供電；

(22)功耗控制模式：普通，慢速，空閑和掉電模式；

(23)具有片內(nèi)PLL時(shí)鐘發(fā)生器。

2.2 μC/OS-II操作系統(tǒng)

μC/OS-II是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可剪裁的、占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II是用ANSI C語言寫的，包含一部分匯編語言，使之可以供不同架構(gòu)的微處理器使用。μC/OS-II可以管理64個(gè)任務(wù)，具有信號(hào)量、互斥信號(hào)量、事件標(biāo)志組、消息郵件、消息隊(duì)列、任務(wù)管理、時(shí)間管理和內(nèi)存塊管理等系統(tǒng)功能[1，2]。

μC/OS-II包括以下三個(gè)部分：

(1)μC/OS-II核心代碼：包括10個(gè)C程序文件和1個(gè)頭文件，主要實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)度、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、信號(hào)量、消息郵箱和消息隊(duì)列等系統(tǒng)功能。此部分的代碼與處理器無關(guān)。

(2)μC/OS-II配置代碼：包括2個(gè)頭文件，用于裁剪和配置μC/OS-II。此部分的代碼與用戶實(shí)際應(yīng)用相關(guān)。

(3)μC/OS-II移植代碼：包括1個(gè)匯編文件、1個(gè)C程序文件和1個(gè)頭文件，這是移植μC/OS-II所需要的代碼。此部分的代碼與處理器相關(guān)。（說明：移植代碼的文件名不是固定的，但為了保持μC/OS-II系統(tǒng)的一致性，文件名一般也不要改變。即：OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C）。

2.3 全球定位系統(tǒng)(GPS)的簡(jiǎn)介

GPS(全球定位系統(tǒng))具有全球、全天候工作，定位精度高、功能多、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，通過GPS接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確的自主定位，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航奠定了基礎(chǔ)。GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī)。本文主要涉及GPS信號(hào)接收機(jī)部分。它的硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。主要任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置、三維速度和時(shí)間。

3.硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

本嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件核心是三星公司的ARM9系列中的16/32位RISC處理器S3C2410芯片，該芯片強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力和豐富的外圍接口非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，本系統(tǒng)正是基于該芯片的這些特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。

該系統(tǒng)以S3C2410微處理器為核心，與一片64MB的SDRAM、一片64MB的NAND Flash和一片2MB NOR FLASH組成。外部添加了用于接收GPS信號(hào)的GPS模塊，用于顯示的液晶面板以及鍵盤輸入模塊。

4.軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該嵌入式系統(tǒng)采用uC/OSII操作系統(tǒng)，由于MCU的處理功能有限，所以在具體的軟件實(shí)現(xiàn)過程中采用多線程技術(shù)。主控線程主要實(shí)現(xiàn)界面功能、導(dǎo)航功能中的地圖匹配和導(dǎo)航引導(dǎo)模塊、瀏覽功能中的地圖瀏覽模塊以及這些模塊間的消息派送、接收和處理，同時(shí)協(xié)調(diào)各個(gè)工作線程異步運(yùn)行。

4.1 移植μC/OS-II操作系統(tǒng)S3C2410處理器

移植μC/OS-II之前需要注意，目標(biāo)處理器必須滿足以下幾點(diǎn)要求：

(1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入型代碼；

(2)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷；

(3)用C語言就可以開/關(guān)中斷；

(4)處理器能夠支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件堆棧（可能是幾千字節(jié)）；

(5)處理器有將堆棧指針以及其它CPU寄存器的內(nèi)容讀出，并保存到堆?；騼?nèi)存中去的指令。

S3C2410A微控制器可以滿足第2、4和5點(diǎn)要求，使用ADS 1.2的C編譯器可以滿足第1、3點(diǎn)要求。使用ARM公司提供的ADS1.2集成開發(fā)工具新建一個(gè)工程，將μC/OS-Ⅱ2.52V的源代碼拷貝到工程文件下相同目錄中，并添加到工程中，按照移植實(shí)施中的步驟修改或添加代碼在文件OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.S后，通過JTAG口下載到目標(biāo)平臺(tái)中運(yùn)行即可。

4.2 導(dǎo)航軟件的設(shè)計(jì)理念

導(dǎo)航軟件是以導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的。主要包括導(dǎo)航功能模塊和人機(jī)交互功能。其導(dǎo)航功能是在動(dòng)態(tài)行進(jìn)過程中進(jìn)行導(dǎo)航定位、地圖匹配、路徑規(guī)劃和路徑引導(dǎo)等。人機(jī)交互功能主要是在靜態(tài)過程中對(duì)導(dǎo)航的地理信息提供瀏覽查詢服務(wù)。

導(dǎo)航功能模塊主要包括以下4個(gè)模塊：(1)導(dǎo)航定位模塊；(2)地圖匹配模塊；(3)路徑規(guī)劃模塊；(4)導(dǎo)航引導(dǎo)模塊。

人機(jī)交互功能模塊設(shè)計(jì)主要包括以下2個(gè)模塊：(1)地圖瀏覽模塊；(2)地圖查詢模塊。

導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程如下：(1)運(yùn)行導(dǎo)航定位線程從輸入口讀取GPS天線接收到的當(dāng)前位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)值；(2)將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到屏幕的像素坐標(biāo)；(3)根據(jù)當(dāng)前位置結(jié)合導(dǎo)航地圖進(jìn)行匹配處理，把當(dāng)前位置信息匹配到地圖上；(4)顯示并實(shí)時(shí)刷新導(dǎo)航地圖和當(dāng)前位置；(5)是否求解最佳路徑；(6)在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇起始和終止位置，運(yùn)行路徑規(guī)劃線程在道路網(wǎng)數(shù)據(jù)中解算出最佳路徑并顯示到地圖上。

4.3 GPS數(shù)據(jù)提取、顯示、查詢

GPS板只要處于工作狀態(tài)就會(huì)源源不斷地把接收并計(jì)算出的GPS導(dǎo)航定位信息通過串口傳送到嵌入式系統(tǒng)中。從串口接收的數(shù)據(jù)幀（長(zhǎng)串ASCII碼字節(jié)流）通過程序?qū)⒏鱾€(gè)字段的信息從接收到的字節(jié)流中提取出來，將其轉(zhuǎn)化成有實(shí)際意義的、可供高層決策使用的定位信息數(shù)據(jù)。

對(duì)GPS信息進(jìn)行提取必須首先明確其幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)幀，其幀頭是不同的，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC"等。這些幀頭標(biāo)識(shí)了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。各幀均以回車符＜CR〉和換行符＜LF〉作為幀尾，標(biāo)識(shí)一幀的結(jié)束。

對(duì)數(shù)據(jù)幀處理，是先對(duì)幀頭進(jìn)行判斷，然后只對(duì)感興趣的幀進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取處理。由于幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段被逗號(hào)分割，因此在處理接收數(shù)據(jù)時(shí)一般是首先通過搜尋ASCII碼“$”來判斷是否是幀頭，接著對(duì)幀頭的類別進(jìn)行識(shí)別，然后再根據(jù)識(shí)別出來的幀類型以及逗號(hào)‘，’個(gè)數(shù)來確定當(dāng)前正在讀取的是哪個(gè)定位導(dǎo)航參數(shù)，并作出相應(yīng)的提取和存儲(chǔ)。

最后，通過GPS和人工輸入接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過MCU的處理，在地圖上用醒目的顏色顯示出來。

5.總結(jié)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了以ARM9處理器+μC/OS-II操作系統(tǒng)+GPS接收機(jī)模式開發(fā)的校園導(dǎo)航系統(tǒng)具有開發(fā)簡(jiǎn)單、性能可靠的特點(diǎn)，有著良好的應(yīng)用前景。

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