基于ARM的智能導(dǎo)航盲杖系統(tǒng)設(shè)計＊

白玉柱，魯遠耀

(北方工業(yè)大學(xué)，北京100144)

目前市場上現(xiàn)有的GPS產(chǎn)品主要集中在車載導(dǎo)航或面向正常人的手持導(dǎo)航系統(tǒng)，視障人士很難享受到與正常人一樣的導(dǎo)航服務(wù)。迄今為止，國內(nèi)還沒有一款專門為視障人士開發(fā)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。為提高視障人士的生活水平，為他們的出行帶來便利，開發(fā)出適用于特殊群體的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)勢在必行。

本文采用了基于ARM11-Win CE平臺的嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制平臺，以提高系統(tǒng)的性能、集成度以及可擴展性；運用GPS定位技術(shù)和TTS文語轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)了對視障人士的GPS定位及電子地圖導(dǎo)航；利用超聲波測距功能，系統(tǒng)可以提供一定距離內(nèi)的障礙物探測與告警。為實現(xiàn)上述功能，采用Trimble公司的GPS接收模塊Lassen iQ實現(xiàn)了GPS定位功能，處理器采用三星公司的S3C6410(ARM1176JZF-S核心)芯片，操作系統(tǒng)為Windows CE 6.0。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本智能導(dǎo)航盲杖系統(tǒng)是為了實現(xiàn)GPS定位、電子地圖查詢、路徑選擇以及超聲波探測、語音輸出等主要功能，系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。各個功能模塊實現(xiàn)功能如下：

(1)GPS信號接收模塊：接收 GPS信號，輸出當(dāng)前經(jīng)緯度、移動方向與速度、時間等信息。完成與中央處理器的通信，報告工作狀態(tài)，并接收中央處理器的控制[1]。

(2)存儲模塊：存儲系統(tǒng)程序、電子地圖數(shù)據(jù)以及GPS獲取的信息等，可以進行存儲、讀取、查詢信息等操作。

(3)超聲波測障模塊：發(fā)送和接收超聲波脈沖，反饋給中央處理器并接收其控制信號。

(4)人機接口模塊：包括顯示和鍵盤輸入、語音輸出，采用中央處理器控制和監(jiān)測。

(5)中央處理器：控制并接收GPS模塊、超聲波測障模塊產(chǎn)生的信號，監(jiān)視鍵盤狀態(tài)，并控制LCD顯示、語音輸出等。

1.2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計

(1)GPS模塊。系統(tǒng)選擇Trimble公司的Lassen iQ GPS接收器作為GPS信號接收模塊，其接口電路如圖2所示。為了利于在戶外手持使用，系統(tǒng)要考慮體積、功耗以及精度的需求。系統(tǒng)選用的GPS模塊面積僅有8cm2，功耗小于89mW，而其GPS定位精度可達10m，速度精度能夠達到0.1km/h，GPS方向可精確到 2°，基本能夠滿足本系統(tǒng)的要求。

圖1 智能導(dǎo)航盲杖系統(tǒng)設(shè)計圖

圖2 GPS模塊電路設(shè)計

(2)中央處理器。系統(tǒng)選用Samsung公司的S3C6410A-XH66作為中央處理器。S3C6410A-XH66是一款基于ARM1176JZF-S內(nèi)核的32 bit RSIC微處理器，其優(yōu)化的外部存儲器接口分為DRAM和Flash/ROM/DRA兩路端口，能滿足本系統(tǒng)讀取電子地圖時對數(shù)據(jù)帶寬的要求。另外，S3C6410A-XH66還有Camera接口、TFT 24 b真彩色LCD控制器、4通道的UART、I2C總線等。處理器內(nèi)部時鐘為533 MHz，可以滿足較復(fù)雜導(dǎo)航算法的需要。

(3)存儲模塊。系統(tǒng)選用兩片64 M×16 bit的Mobile DDR芯片K4X1G163PC，構(gòu)成共256 MB的內(nèi)存模塊，以及一片 1 G×8 bit的 NAND Flash芯片 K9G8G08U0M作為外部存儲。內(nèi)存模塊設(shè)計如圖3所示，兩片K4X1G163PC的連接方式相同，使用1.8 V工作電壓，主頻為166 MHz，在處理器內(nèi)部時鐘為533 MHz時，能夠接近最高使用效率。需要注意的是，在進行PCB布線工作時，兩片內(nèi)存芯片的地址線和數(shù)據(jù)線必須進行等長設(shè)置。

(4)超聲波測障模塊。該模塊使用兩個超聲波換能器，分別完成超聲波發(fā)送和檢測接收的任務(wù)。發(fā)送模塊在設(shè)計之初采用反相器74LS04，但在測試過程中發(fā)現(xiàn)由于脈沖時間過短，而造成反相器輸出波形不夠理想。經(jīng)過多次調(diào)試比較，最終采用Philips公司的高速反相器74HC04，其在工作電壓VCC為4.5 V時，標(biāo)準(zhǔn)跳變時間可達6 ns，極佳地實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。超聲波檢測接收模塊使用CX20106進行信號放大，如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計充分利用了硬件平臺提供的資源[2]，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的有序運行，是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分[3]。軟件的設(shè)計主要有：(1)建立交叉編譯環(huán)境。(2)Windows CE 6.0操作系統(tǒng)(包括驅(qū)動)的移植。(3)GPS定位與導(dǎo)航程序設(shè)計。(4)超聲波測障功能設(shè)計。

圖4 超聲波接收模塊

2.1 GPS定位與導(dǎo)航模塊軟件設(shè)計

GPS定位與導(dǎo)航模塊首先要完成用戶位置信息的采集、處理與存儲。由于GPS采用串行口通信，所以本文在串行口通信的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對GPS數(shù)據(jù)的接收、處理和存儲。該模塊軟件設(shè)計的基本思想是：首先接收完整的NMEA0183語句，然后提取相關(guān)的數(shù)據(jù)(如時間、經(jīng)緯度、速度等)，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理器進行下一步操作，并且可以保存以便日后查看[4]。

本系統(tǒng)使用Lassen iQ的串口1輸出的數(shù)據(jù)，串口通信流程如圖5所示。所獲取的NMEA0183語句格式為：$GPRMC，162 206，A，3 955.400 7，N，11 612.0591 E，000.0，000.0 181010 002.5，W*71， 表示目前的時間是2010年10月18日16點22分06秒(這是UTC時間，不是本地時間，兩者大約相差8小時)，位置是北緯39°55.4007′、東經(jīng) 116°12.0591′，速度為 0。

圖5 串口通信流程

系統(tǒng)在獲取到當(dāng)前經(jīng)緯度等信息后，進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和地圖匹配[5]。本系統(tǒng)結(jié)合超圖格式(pwr，pmw)的北京市地圖數(shù)據(jù)，調(diào)用超圖接口函數(shù)讀取電子地圖數(shù)據(jù)，并對用戶選擇的目標(biāo)點和當(dāng)前點進行路徑選擇，最終導(dǎo)航信息以文本方式輸出到界面，如圖6所示。在經(jīng)過添加TTS(Text to Speech)文語轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，可將導(dǎo)航信息以語音播報的方式播送給盲人用戶使用。

圖6 GPS導(dǎo)航工作界面

2.2 超聲波測障模塊軟件設(shè)計

本模塊的主要功能是自動測出用戶與最近障礙物的距離，并將該數(shù)據(jù)傳送給中央處理器。在一般條件下，當(dāng)障礙物與用戶之間小于極限安全距離(一般為0.6 m)時，系統(tǒng)會發(fā)出警告，提醒用戶注意避讓。

圖7 超聲波定位模塊工作流程

超聲波測障軟件工作流程如圖7所示。S3C6410微處理器通過一個GPIO口的一個反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后不停地檢測XEINT0引腳，當(dāng)XEINT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，認為超聲波已經(jīng)返回，通過換算超聲波所經(jīng)歷的時間，就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。本文設(shè)計了基于ARM11-Win CE的軟硬件平臺，系統(tǒng)具有較高的集成度和可擴展性、成本低、功耗低、處理性能高、穩(wěn)定性好等特點。軟硬件系統(tǒng)均考慮到了視障用戶的切身需求，針對視障人士的特點進行專門的功能設(shè)計，完全支持盲操作，提高了視障人群在日常生活中的便利性，是定位于視障人士獨立出行的輔助性器材。

[1]韓飛.MiniGUI在車載導(dǎo)航終端中的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005(6)：61-63.

[2]張冬泉，譚南林，蘇樹強.WindowsCE實用開發(fā)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]李別.基于 S3C4510B的 ARM開發(fā)平臺[J].微計算機信息，2006，10(2)：34-36.

[4]張文軍.GPS與嵌入式系統(tǒng)軟硬件接口及導(dǎo)航信息提取軟件[J].計算機工程，2005，31(18)：210-212.

[5]翟霞暉，唐明浩.基于ARM7的汽車導(dǎo)航定位與防盜系統(tǒng)[J].自動化儀表，2003，28(3)：30-32.