基于泛在位置服務(wù)的嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)設(shè)計分析

劉蔚

（陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽712000）

泛在的意思就是無所不在，泛在位置服務(wù)指的就是實現(xiàn)信息及物理的空間無縫對接，從而使服務(wù)具有無所不包、無所不在和無所不能的特點，還能夠使人們實現(xiàn)任何地點、任何時間、任何物和任何人都能夠順利的通信，從而利用合適終端設(shè)備實現(xiàn)接入網(wǎng)的相互通信，以此得到無所不在及無時無刻的位置服務(wù)[1]。SINS屬于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有自主導(dǎo)航的能力，不需要外界的電磁信號就能夠具有獨立速度、姿態(tài)及位置的信息，并且具有較強的抗外界干擾能力，但是無法實現(xiàn)具有較高的精度任務(wù)[2]。GPS屬于高精度的全球三維實時衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并且具有高精度及全天候的優(yōu)勢，但是其具有較差的自主性和抗干擾能力，無法滿足快速的實時導(dǎo)航需求?，F(xiàn)代定位導(dǎo)航技術(shù)都具有自身的優(yōu)缺點，使用卡爾曼濾波器能夠?qū)F(xiàn)代定位導(dǎo)航技術(shù)兩個相互結(jié)合，從而組合成為全新的導(dǎo)航系統(tǒng)，從而組合成為具有較高精度的導(dǎo)航任務(wù)[3]，基于此，本文就針對基于泛在位置服務(wù)的嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的設(shè)計進行全面分析。

1 嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的需求

首先，以現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)功能特點為基礎(chǔ)，可以將系統(tǒng)功能分為3部分，分別為數(shù)據(jù)收集、導(dǎo)航參數(shù)運算及數(shù)據(jù)的輸出。

其中數(shù)據(jù)收集指的是根據(jù)系統(tǒng)輸出信號，將不同信號轉(zhuǎn)化成為統(tǒng)一數(shù)據(jù)信號實現(xiàn)收集；

導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出指的是根據(jù)針對性的方式實現(xiàn)控制系統(tǒng)的輸出，從而使控制系統(tǒng)解算之后對運載體的速度及姿態(tài)進行調(diào)整，以此使其能夠到達正確的目標位置中；

導(dǎo)航參數(shù)的解算主要目的就是實現(xiàn)位置姿態(tài)信息計算，要求其具有一定的數(shù)據(jù)處理能力[4]。

另外，導(dǎo)航計算機屬于系統(tǒng)的核心處理器，其除了以上基本的功能之外，還要求其具有自身的獨特性能，從而對系統(tǒng)整體能夠造成影響，包括系統(tǒng)應(yīng)用范圍。本文所研究系統(tǒng)的性能需求主要包括以下方面：

要求導(dǎo)航計算機具有較高的實時性，計算機接口的主要目的就是實現(xiàn)實時的輸入和輸出，所以在導(dǎo)航精度需求不斷提高的過程中，對于導(dǎo)航計算機實時性的需求也在不斷的提高。

要求導(dǎo)航系統(tǒng)的體積較??；

要求導(dǎo)航計算機系統(tǒng)具有較低的功耗，并且保證系統(tǒng)運行過程中的可靠性；

要求導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的性價比較高，從而提高應(yīng)用范圍[5]。

2 嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的框架

根據(jù)以上需求，實現(xiàn)嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的框架設(shè)計，詳見圖1。

圖1 嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的框架設(shè)計

3 嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的硬件設(shè)計

導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括軟核處理器、外圍電路。

3.1 軟核處理器

現(xiàn)代軟核處理器主要包括3種，分別為高性能軟核、精簡軟核和標準軟核。軟核處理器的開發(fā)套件較為完善，主要包括集成開發(fā)環(huán)境、編譯器、調(diào)試器和協(xié)議棧。圖2為軟核處理器的結(jié)構(gòu)。

圖2 軟核處理器的結(jié)構(gòu)

3.2 接口電路的設(shè)計

其一，電源電路。圖3為供電電路，其功率及電流較低，電路簡單，能夠使用。

圖3 供電電路的結(jié)構(gòu)

其二，接口電路。一般在嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)SDRAM的外部接口，因為其的成本較低，容量較高優(yōu)勢，所以要選擇使用SDRAM作為程序在運行過程中的外部存儲器。SDRAM動態(tài)存儲單位是通過管柵極電容實現(xiàn)電荷存儲的原理創(chuàng)建，但是因為此柵極電容容量比較小，那么其保存電荷的時間有限，所以為了能夠?qū)崿F(xiàn)漏掉電荷的補充，避免信號存儲丟失，就要定期進行電荷補充[6]。圖4為SDRAM接口電路的創(chuàng)建。

圖4 SDRAM接口電路的創(chuàng)建

其三，加速度調(diào)理電路。此部分電路能夠?qū)崿F(xiàn)加速度信號的隔離、變換、濾波及放大處理，從而使輸入信號滿足A/D轉(zhuǎn)換的需求。圖5為單路電路的構(gòu)成。

圖5 單路電路的構(gòu)成

4 嵌入式導(dǎo)航計算機系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊要將收集到的內(nèi)容到寄存器中存儲，之后發(fā)送幀串行數(shù)據(jù)，包括串行數(shù)據(jù)位、起始位、奇偶位及停止位。為了能夠?qū)顟B(tài)并行數(shù)據(jù)及發(fā)送串行數(shù)據(jù)進行控制，就要具有發(fā)送移位寄存器及控制器。在實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中，要將信號發(fā)送器實現(xiàn)數(shù)據(jù)位、起始位的選擇，控制器的主要目的就是對數(shù)據(jù)的發(fā)送進行控制?？刂破鞯闹饕康木褪菍刂破鬟M行數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而產(chǎn)生起始位，對兩計數(shù)器的計數(shù)進行控制[7]。圖6為系統(tǒng)的發(fā)送模塊結(jié)構(gòu)。

圖6 系統(tǒng)的發(fā)送模塊結(jié)構(gòu)

發(fā)送控制器屬于發(fā)送模塊中的核心單位，能夠?qū)Πl(fā)送器的其他模塊進行協(xié)調(diào)控制，通過狀態(tài)機進行實現(xiàn)[8]。圖7為發(fā)送該控制的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)移圖。

圖7 發(fā)送該控制的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)移圖

4.2 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊要進行起始位檢測，之后對數(shù)據(jù)進行接收，然后實現(xiàn)奇偶校驗，對停止位進行識別，最后出現(xiàn)錯誤狀態(tài)信息，在接收模塊中實現(xiàn)結(jié)果的寫入。所以，接收模塊要求具有接收移位寄存器、奇偶校驗器、控制器和起始位的檢測電路，和接收模塊相同[9]。圖8為接收模塊的結(jié)構(gòu)。

圖8 接收模塊的結(jié)構(gòu)

此模塊中的接收控制器主要是通過有限狀態(tài)機進行實現(xiàn)，以接收數(shù)據(jù)幀為基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換[10]。圖9為狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。

圖9 狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程

4.3 路徑規(guī)劃模塊

路徑規(guī)劃模塊的主要目的就是使駕駛?cè)藛T在旅行過程中實現(xiàn)行駛路程的規(guī)劃，其也是路徑導(dǎo)航中的基本模塊，其能夠有效實現(xiàn)導(dǎo)航功能。其在城市密集道路網(wǎng)中行駛，根據(jù)側(cè)重點不同，從目前為止到目的為止的路線方案也各不相同，比如最高性價比、最優(yōu)路徑和最短時間，從而為駕駛?cè)藛T在道路選擇過程中提供較多的條件[11]。此模塊能夠在數(shù)字地圖中實現(xiàn)導(dǎo)航路徑和起始點、目的地坐標的輸入，用戶能夠利用路徑分析實現(xiàn)路徑的自動規(guī)劃，從而將規(guī)劃之后的路徑對路徑處理進行提交，并且顯示，進行保存入庫[12]。圖10為嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)方案。

圖10 嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)方案

5 系統(tǒng)的實現(xiàn)

5.1 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃主要包括數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)解碼模塊，用戶利用人機界面對用戶在數(shù)字地圖中的最佳路徑位置進行規(guī)劃，將點位數(shù)據(jù)到導(dǎo)航路徑中進行輸入，并且將規(guī)劃實現(xiàn)的導(dǎo)航路徑到路徑數(shù)據(jù)庫中進行存儲。數(shù)據(jù)顯示模塊的主要目的就是以系統(tǒng)參數(shù)配置為基礎(chǔ)，實現(xiàn)用戶規(guī)劃路徑的可視化展現(xiàn)。數(shù)據(jù)解碼模塊的主要目的就是實現(xiàn)路徑數(shù)據(jù)的恢復(fù)，用戶能夠利用觸摸屏及鼠標在系統(tǒng)界面中繪制手動該路徑[13]，圖11為系統(tǒng)路徑規(guī)劃的實現(xiàn)效果。

圖11 系統(tǒng)路徑規(guī)劃的實現(xiàn)效果

5.2 實時導(dǎo)航

實時導(dǎo)航主要包括偏航報警、數(shù)據(jù)顯示及軌跡記錄模塊，其中的軌跡記錄模塊主要目的就是對目前位置信息進行接收，并且對歷史軌跡信息進行保存。偏航報警模塊的主要目的就是對目前導(dǎo)航路徑偏移量及位置進行計算，在偏移量較大的時候，就要實現(xiàn)用戶報警[14]。圖12為系統(tǒng)實時導(dǎo)航的執(zhí)行序列。

圖12 系統(tǒng)實時導(dǎo)航的執(zhí)行序列

5.3 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置主要是利用人機交互界面實現(xiàn)，設(shè)置偏航閾值、導(dǎo)航路徑顏色及導(dǎo)航軌跡，參數(shù)的設(shè)置功能對相應(yīng)的設(shè)置結(jié)果進行返回，用戶利用鼠標及觸摸屏對自身需求參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置完成之后點擊確定，并且在導(dǎo)航電子地圖中進行展現(xiàn)[15]。圖13為參數(shù)的設(shè)置效果。

5.4 路徑管理

路徑管理的主要包括路徑保存、路徑刪除、路徑瀏覽模塊構(gòu)成，首先用戶要利用路徑保存模塊實現(xiàn)導(dǎo)航路徑的接收和規(guī)劃，用戶利用對文件系統(tǒng)中導(dǎo)航路徑進行讀取，在用戶對導(dǎo)航路徑查看的時候，能夠利用路徑瀏覽模塊進行查看，用戶的所有操作都是利用人機界面交互實現(xiàn)[16]。

圖13 參數(shù)的設(shè)置效果

6 結(jié)束語

根據(jù)定位的多種方式優(yōu)缺點，本文就提出了基于泛在位置服務(wù)的系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件電路及軟件模塊的設(shè)計[17]。本文最后通過系統(tǒng)實現(xiàn)表示，此系統(tǒng)的重量較輕、體積較小、具有較強的自主性，并且成本較低，而且還能夠提供大量的質(zhì)量導(dǎo)航信息，其具有一定的應(yīng)用價值及發(fā)展前景。