嵌入式GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院 曹魯魯

1.引言

目前，智能型3C(computer，communication，consumer)合一的類PC嵌入式系統(tǒng)與技術(shù)已進(jìn)入一個嶄新的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展階段[1]。GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)作為其中最具代表性的技術(shù)得到了空前的發(fā)展。人們經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展，使得對于信息技術(shù)的集成化雨來約有要求，集GPS、電子地圖GIS技術(shù)以及移動通信技術(shù)為一體的嵌入式智能導(dǎo)航設(shè)備已成為必要[2]，因而研究基于VxWorks的嵌入式GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要的意義。

2.系統(tǒng)簡介

2.1 GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)是通過商業(yè)通信衛(wèi)星，把GPS應(yīng)用到車輛導(dǎo)航上面，為汽車駕車人指路的汽車電子設(shè)備[3]。這種系統(tǒng)采用GPS與航位推算法組合方式實(shí)現(xiàn)定位，通過觸摸顯示屏或遙控器進(jìn)行相互操作，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時定位、目的地檢索、路線規(guī)劃、畫面和語音引導(dǎo)等功能，幫助駕駛?cè)藴?zhǔn)確、快捷地到達(dá)目的地。

2.2 VxWorks系統(tǒng)簡介

VxWorks操作系統(tǒng)是美國溫瑞爾(Wind-River)公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分[4]。

3.嵌入式GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)的原理

當(dāng)用戶需要進(jìn)行定位、導(dǎo)航等服務(wù)時，GPS信號接收模塊會獲取來自GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)上的各個衛(wèi)星(至少4顆)發(fā)出的定位到當(dāng)前車輛的航位信息，并負(fù)責(zé)對接受的這些信息進(jìn)行推算，將定位信息交給嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行處理，由運(yùn)行在其上的導(dǎo)航軟件系統(tǒng)為用戶提供地圖查詢、路徑搜索、導(dǎo)航等功能，由顯示模板負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互界面，執(zhí)行用戶的操作，完成用戶的任務(wù)[5]，GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 嵌入式GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖

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

4.嵌入式GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件分為核心板與地板兩部分，主要完成GPS串口數(shù)據(jù)的接收、點(diǎn)陣LCD觸摸屏驅(qū)動、SD卡驅(qū)動、音頻驅(qū)動等功能。核心板是實(shí)現(xiàn)CPU的最小系統(tǒng)，采用S3C2440 ARM9芯片作為處理器，F(xiàn)lash采用64MB的K9F1208UDM—YC80芯片，主存采用64M的SDRAM，而外圍通信接口的設(shè)計(jì)，考慮到不同的需求，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)和通用串行總線口USB以及串口(UART)通信接口，為終端和外界的通信提供了可選的方式。圖2為整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于車輛導(dǎo)航系統(tǒng)對多任務(wù)性、實(shí)時性、穩(wěn)定性的要求比較高，因此本系統(tǒng)采用了VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)。它包括了進(jìn)程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個部分，而且高度可裁減，只占用很小的存儲空間，保證了其能以較高的效率運(yùn)行于導(dǎo)航系統(tǒng)中。

應(yīng)用軟件開發(fā)包括電子地圖和導(dǎo)航應(yīng)用程序設(shè)計(jì)：

(1)電子地圖的設(shè)計(jì)

電子地圖的設(shè)計(jì)包括圖形界面和地圖數(shù)據(jù)庫兩部分。本系統(tǒng)通過VxWorks的WindML(WindRiverMultimediaLibrary)實(shí)現(xiàn)了電子地圖的圖形界面。

WindML主要是用來實(shí)現(xiàn)基本的圖形、視頻和音頻技術(shù)以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序框架，它提供了一個統(tǒng)一的圖形硬件接口以及處理輸入設(shè)備和輸入設(shè)備事件的能力。電子地圖數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用了Arc—Node結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)的基本原理是在允許的精度范圍內(nèi)，通過加入多個節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)道路用一系列線段來模擬或近似表示，整個道路網(wǎng)絡(luò)就是由Arc(小段的線段)和Node(Arc的兩個端點(diǎn))組成，并具有明確的拓?fù)潢P(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃。

(2)導(dǎo)航應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

導(dǎo)航應(yīng)用程序包括了對電子地圖的操作、GPS定位、收發(fā)短消息、語音提示、人機(jī)接口等功能的實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)VxWorks提供的良好的多任務(wù)特性，將不同的導(dǎo)航功能模塊分給了不同任務(wù)去執(zhí)行，通過任務(wù)間通信機(jī)制保證多任務(wù)的同步。其中系統(tǒng)的主任務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的初始化(如串口、看門狗的配置等)、電子地圖的初始化和首次顯示、發(fā)起子任務(wù)等功能。

主任務(wù)中發(fā)起了四個子任務(wù)，分別負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的輸入、標(biāo)準(zhǔn)串口的數(shù)據(jù)輸入、ISA總線16C554的數(shù)據(jù)輸入以及實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃算法。

前三個功能獨(dú)立出來是因?yàn)檫@些功能的觸發(fā)時間都是不確定的，需要單獨(dú)監(jiān)視；最后一個則因?yàn)樾枰^大的運(yùn)算量。這里只以接收串口數(shù)據(jù)的子任務(wù)為例進(jìn)行分析。

該任務(wù)需要監(jiān)視兩個串口的信息：GPS數(shù)據(jù)和從語音模塊返回的狀態(tài)信息。VxWorks將I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為與設(shè)備無關(guān)的接口，因此對串口的操作可以視為對文件的操作。

串口的打開，關(guān)閉和寫操作均比較簡單，而串口的讀操作采用了select函數(shù)，利用其觸發(fā)機(jī)制阻塞任務(wù)。有數(shù)據(jù)到來時，任務(wù)才會被激活并從串口讀取數(shù)據(jù)，然后通過任務(wù)間通信機(jī)制，通知主任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，如進(jìn)行地圖更新、輸出語音提示等操作。軟件系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航軟件系統(tǒng)工作流程圖

5.結(jié)論

該系統(tǒng)展示了其GPS定位和路徑規(guī)劃的功能。隨著嵌入式智能平臺的發(fā)展及交通需求，基于VxWorks的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)的現(xiàn)實(shí)意義將受到更廣泛的關(guān)注。

[1]凌永成,于京諾.汽車電子控制技術(shù)[M].北京大學(xué)出版社,2011.

[2]楊繼先,張樹霞.導(dǎo)航基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱傳播工程學(xué)院出版社,1998.

[3]黃智.車載導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位技術(shù)研究[D].湖南:湖南大學(xué),2006.

[4]曹淑華,吳文紅.GPS與車載導(dǎo)航系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007.

[5]徐暉.基于ARM平臺的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué),2008.