基于ＧＰＳ的低成本車載導(dǎo)航設(shè)備的研究實現(xiàn)

摘 要：首先分析車載導(dǎo)航設(shè)備的核心功能，說明低成本實現(xiàn)方案的可行性。在此基礎(chǔ)上，給出低成本車載導(dǎo)航設(shè)備的硬件框架，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行功能闡述。而后從導(dǎo)航原理、嵌入式GIS、圖形開發(fā)、編碼規(guī)范、程序運行、內(nèi)存使用幾個方面論述設(shè)備的軟件系統(tǒng)。接著，通過實驗證明該低成本車載導(dǎo)航設(shè)備較好地實現(xiàn)了車載導(dǎo)航設(shè)備的核心功能。最后，通過與高檔車載導(dǎo)航設(shè)備的成本對比，體現(xiàn)了該設(shè)備的成本低。

關(guān)鍵詞：車載導(dǎo)航設(shè)備;全球定位系統(tǒng);低成本;嵌入式地理信息系統(tǒng);編碼規(guī)范

中圖法分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001—3695(2007)02—0249—03

自從1995年GPS (Global Positioning System)第一次進(jìn)入民用市場，在其后的十年內(nèi)取得了前所未有的發(fā)展，并成功地運用于航空、航海、車輛導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域[1]。各國車載導(dǎo)航設(shè)備的相繼推出有利地證明了GPS在車輛導(dǎo)航領(lǐng)域的成功運用。中國衛(wèi)通作為中國六大基礎(chǔ)電信運營商之一，率先殺入GPS領(lǐng)域，在2005年推出自主研發(fā)的GPS車載導(dǎo)航設(shè)備。該產(chǎn)品集衛(wèi)星定位、地理信息系統(tǒng)、多媒體電腦于一體，提供包括實時位置確定、地圖信息查詢、路徑規(guī)劃、語音引導(dǎo)、MP3播放、行程回放等功能[2]。然而產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)追求大而全，采用高檔的主控MCU，使用硬盤作為數(shù)據(jù)存儲載體，支持所有常用的類PC外設(shè)；軟件采用付費的微軟WinCE或同類型的嵌入式操作系統(tǒng)。硬件和軟件兩方面走高端路線導(dǎo)致產(chǎn)品成本過高，在一定程度上阻礙了車載導(dǎo)航設(shè)備大眾化的發(fā)展進(jìn)程。

上述車載導(dǎo)航設(shè)備成本過高的主要原因是：在產(chǎn)品設(shè)計思路中過多地考慮多媒體因素、地圖顯示的圖形圖像因素、大容量地圖存儲因素、導(dǎo)航計算速度因素，一味地從硬件方面尋找解決方案，而忽視了軟硬件綜合解決方案的研究。

車載導(dǎo)航設(shè)備的核心功能，主要包括導(dǎo)航計算、地圖顯示、地圖存儲、語音報讀、GPS信號接收處理、無線通信等。而多媒體集成、大容量電子地圖信息并不是使用者最關(guān)心的主要問題。基于這種分析，可將多媒體集成設(shè)計為一個可選部件，在車載導(dǎo)航設(shè)備上留有軟硬件集成接口，從而簡化車載導(dǎo)航設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)，降低其軟件配置。地圖的顯示與存儲和導(dǎo)航計算速度等問題，通過軟硬件綜合考慮可以得到合理解決。這種思路使得開發(fā)低成本的車載導(dǎo)航設(shè)備成為可能。

本文以滿足車載導(dǎo)航設(shè)備核心功能為出發(fā)點，綜合考慮軟硬件解決方法，研究實現(xiàn)了一種低成本的車載導(dǎo)航設(shè)備。

1 硬件框架

本文提出的低成本車載導(dǎo)航設(shè)備的硬件框架如圖1所示。圖1中給出了設(shè)備印刷電路板上的各重要功能器件及其與主控MCU (微處理器)的連接，以及各外圍配套組件與板上功能器件的連接。

（1）MCU。導(dǎo)航設(shè)備板上有兩塊MCU芯片，一塊是主控芯片，另一塊是防盜器控制芯片Atmel Mega8[3]。

主控芯片即設(shè)備硬件框架中處于中央的MCU，它與其他的功能器件和防盜器控制芯片相連。這里的主控MCU采用專門設(shè)計的TMLH918，主頻60MHz，實際工作頻率30MHz。

主控MCU與Mega8采用DSA(Data Strobe Acknowledge)三線協(xié)議[4]通信，兩者之間每交換1bit數(shù)據(jù)都進(jìn)行一次完整的握手認(rèn)證過程，保證了信息交換的高完整性和高可靠性。不僅如此，兩塊控制芯片之間進(jìn)行全雙工的信息交換，即兩者都有權(quán)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

Mega8控制防盜器完成對車輛斷油、斷電等操作，同時也將車輛的防盜狀態(tài)傳送給主控MCU，由主控MCU控制GSM模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至車主或授權(quán)用戶的手機(jī)中。

（2）GPS。GPS由美國發(fā)射的24顆衛(wèi)星組成，其中每相鄰三顆衛(wèi)星組合準(zhǔn)確定位一個位置。GPS信號的接收由專門的接收芯片完成。導(dǎo)航設(shè)備板上的GPS信號接收芯片采用HiMARK公司的RX3650[5，6]，實現(xiàn)在低成本、低功耗的條件下高效接收GPS信號，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的NMEA—0183格式信息，以SGPRMC開頭。

（3）語音。語音報讀采用美國Winbond電子的WTS701芯片[7]，實現(xiàn)TTS (Text-To-Speech)處理。首先將文本信息通過WTS701芯片轉(zhuǎn)換為語音信號，而后經(jīng)功率放大器LM4863 (Am)放大[8]，最后通過揚聲器(Speaker)進(jìn)行報讀。（4）存儲。設(shè)備板上的存儲器分為四類，即地圖存儲器(NANDFlash)、程序運行存儲器(NORFlash)、用戶數(shù)據(jù)存儲器(E2PROM)和動態(tài)隨機(jī)存儲器(SDRAM)。NANDFlash采用三星公司的產(chǎn)品，支持32MB，64MB，128MB，256MB四種存儲容量[9—12]；NORFlash采用Fujitsu的MBM29LV400BC[13]，容量為512KB；E2PROM采用Atmel的AT25080，容量為8KB[14]，通過I2C總線[15]與主控MCU相連，當(dāng)需要進(jìn)行車輛行駛記錄時使用鐵電存儲器(FRAM)代替E2PROM，因為其具有更高的存取速度、更安全的數(shù)據(jù)保護(hù)、更長的掉電數(shù)據(jù)保存時間(十年以上)和更低的讀寫功耗；SDRAM采用三星公司的K4S641632H，容量為8MB[16]。

（5）視頻。MCU通過VGA(Video Graphics Array)進(jìn)行視頻輸出，輸出分為兩路，一路輸出數(shù)字信號，在LCD(Liquid Crystal Display)上顯示圖像；另一路獲取VGA處理的數(shù)字視頻信號后通過DAC(Digital-to-Analog Converter)轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號，在模擬顯示終端如電視機(jī)上顯示圖像。這里支持兩種視頻輸出，主要目的是便于在大屏幕電視機(jī)上顯示一些調(diào)試信息，最終產(chǎn)品全部采用LCD作為顯示終端。

（6）通信。導(dǎo)航設(shè)備板上的通信方式分為兩種，即RDS (Radio Data System)和SMS (Short Message Service)。FM調(diào)頻信號經(jīng)RDS處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，由MCU控制顯示在LCD上。GSM (Global System for Mobile Communications)模塊通過短信息與車主或授權(quán)用戶通信，接收控制命令或反饋車輛當(dāng)前狀況。

（7）Reset。為了防止主控MCU在工作時進(jìn)入死鎖狀態(tài)，設(shè)備板上使用看門狗(Watchdog)[17]定時監(jiān)控主控MCU，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其處于死鎖狀態(tài)時，對主控MCU進(jìn)行Reset。

（8）遙控。使用者可以通過遙控器將控制指令碼經(jīng)IR傳給主控MCU，而后主控MCU根據(jù)指令碼執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2 軟件關(guān)鍵技術(shù)

車載導(dǎo)航設(shè)備的軟件系統(tǒng)主體上由嵌入式操作系統(tǒng)、各硬件器件驅(qū)動程序和應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成。本文提出的低成本車載導(dǎo)航設(shè)備使用主控MCU配套的一個文件系統(tǒng)作為底層操作系統(tǒng)，設(shè)備板上各器件的驅(qū)動程序由廠家提供，應(yīng)用系統(tǒng)自主開發(fā)。針對應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中出現(xiàn)的各類問題，結(jié)合本設(shè)備的硬件配置，從導(dǎo)航原理、嵌入式GIS、圖形開發(fā)、編碼規(guī)范、程序運行、內(nèi)存使用六個方面加以重點闡述。

（1）導(dǎo)航原理。導(dǎo)航是車載導(dǎo)航設(shè)備必須提供的基本功能，也是最為核心的功能。導(dǎo)航方式包括距離最短路徑、時間最短路徑、路況最佳路徑、實時暢通路徑、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)路徑等。其中，路況最佳路徑指道路狀況最好的一條行車路線，實時暢通路徑指根據(jù)實時交通信息計算出的當(dāng)前時刻暢通的一條行車路線，經(jīng)濟(jì)最優(yōu)路徑指總體交通花費最低的一條行車路線。

距離最短路徑由圖論中的Dijkstra算法或運籌學(xué)中的動態(tài)規(guī)劃方法計算所得[18]，在實際處理中還衍生出帶約束條件的最短路徑算法[19]。其他幾種導(dǎo)航方式不涉及經(jīng)典的數(shù)學(xué)算法，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)運算得出。

（2）嵌入式GIS。嵌入式GIS不同于普通GIS，主要區(qū)別在于電子地圖的存儲格式。包含相同信息量的前提條件下，存儲格式的不同，直接導(dǎo)致地圖尺寸的巨大差異。

本文實現(xiàn)的車載導(dǎo)航設(shè)備使用NANDFlash存儲數(shù)字地圖，標(biāo)準(zhǔn)容量為128MB，保存中國各主要省份的地圖。目前支持兩種格式的地圖，即自制電子地圖和國家標(biāo)準(zhǔn)電子地圖。

自制地圖由實地采集的地理數(shù)據(jù)通過專門的加工軟件制作而成。相比國家標(biāo)準(zhǔn)電子地圖，自制電子地圖具有信息量豐富、實時性強、可控性高、尺寸小的特點，但缺乏權(quán)威導(dǎo)向性。考慮到自制電子地圖與國家電子地圖的優(yōu)勢互補，筆者實現(xiàn)了兩者之間的相互轉(zhuǎn)換。

（3）圖形開發(fā)。由于本文實現(xiàn)的車載導(dǎo)航設(shè)備的軟件系統(tǒng)為一個文件系統(tǒng)，并非具備強大圖形處理能力的嵌入式操作系統(tǒng)，如WinCE，因而筆者開發(fā)了一套基本圖元庫，包括點、線、三角形、圓形、矩形及各種不規(guī)則圖形。此外還將16點陣、24點陣、32點陣這三種典型的字庫加入到應(yīng)用系統(tǒng)中，支持所有的ASCII碼和常用的兩萬多個漢字。

圖形顯示分為兩個圖層，即Graph層和OSD(On Screen Display)層，又稱為地圖層和導(dǎo)航層。汽車導(dǎo)航器和導(dǎo)航牽引線在導(dǎo)航層，其他各種圖形都在地圖層。地圖層的分辨率為704×576，支持16位真彩色，導(dǎo)航層的分辨率為352×288，支持黑白兩種顏色。

（4）編碼規(guī)范。嵌入式程序與普通PC程序或服務(wù)器程序在諸多方面存在較大的不同，這主要歸因于嵌入式硬件設(shè)備的功能約束。嵌入式硬件設(shè)備的功能約束主要來自于DRAM(動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器)、SRAM(靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲器)、編譯器限制的語法規(guī)范、ROM(只讀存儲器)、NANDFlash和E2PROM(電擦除可編程只讀存儲器)等。DRAM和SRAM分為片內(nèi)和片外兩種，一些控制芯片遵循SoC(System on Chip)設(shè)計規(guī)范，在芯片內(nèi)部包含DRAM和SRAM；當(dāng)芯片內(nèi)的DRAM和SRAM不能滿足系統(tǒng)需要時，則在設(shè)備板上添加片外DRAM和SRAM。編譯器限制的語法規(guī)范涉及到諸多方面，如無符號整數(shù)取邏輯非不被支持，這種規(guī)范依具體的編譯器不同而不同，應(yīng)具體問題具體分析。ROM中存放二進(jìn)制目標(biāo)代碼，代碼中包含了一定尺寸的常量數(shù)據(jù)，ROM的存儲空間尺寸決定部分常量數(shù)據(jù)的存放問題，在ROM中存放常量數(shù)據(jù)可以提高程序運行效率，但必須協(xié)調(diào)好常量數(shù)據(jù)尺寸與ROM存儲空間尺寸之間的矛盾問題。NANDFlash的讀寫速度較慢，且數(shù)據(jù)分塊存儲，以塊為單位更新數(shù)據(jù)，因此宜將地圖類的大尺寸整塊更新數(shù)據(jù)存儲在NANDFlash中。E2PROM存儲空間小，但讀寫速度快，擦寫方式靈活，支持隨機(jī)擦寫，且支持掉電保護(hù)，缺點是一旦器件損壞無法恢復(fù)保存數(shù)據(jù)。

本文實現(xiàn)車載導(dǎo)航設(shè)備中的編碼問題充分考慮了上述各個方面的功能約束，針對設(shè)備板的實際約束進(jìn)行規(guī)范的編碼。如由于沒有外部SRAM，而主控芯片的片內(nèi)SRAM僅24KB，導(dǎo)致可用的堆棧空間很小，因此程序中函數(shù)多無形式參數(shù)，無返回值，用運行時內(nèi)存全局變量代替；ROM的存儲空間尺寸為512KB，而編譯后的系統(tǒng)二進(jìn)制目標(biāo)代碼尺寸為384KB，考慮到為ROM留有一定的擴(kuò)展空間，并未將常用2萬多個漢字的拼音庫常量加入到代碼中，而是存儲在NANDFlash中，系統(tǒng)運行時將拼音庫常量調(diào)入外部DRAM中使用；將一些用戶設(shè)置信息存儲在E2PROM中，可以快速完成用戶信息的讀取與設(shè)置工作。

（5）程序運行。嵌入式系統(tǒng)的程序運行方式大體上分為三種，即獨立型、主從型和并列型。獨立型指由主控MCU直接通過數(shù)據(jù)總線和地址總線控制程序存儲器中的程序運行，或控制片內(nèi)Flash中的程序運行；主從型指從設(shè)備程序運行受主控程序的控制，一般主控程序驅(qū)動各硬件器件工作，引導(dǎo)受控程序啟動運行；并列型指設(shè)備板上同時有兩個或多個程序運行，各個程序之間無相互控制的關(guān)系。

本文實現(xiàn)的車載導(dǎo)航設(shè)備板上有兩塊MCU，相應(yīng)地有兩個運行程序。主控MCU的程序存儲在NORFlash中，并在NORFlash中運行。Mega8的程序存儲在芯片內(nèi)的Flash 中，在片內(nèi)運行。兩個運行程序是主從關(guān)系，主控MCU的程序控制Mega8的程序運行。由于未使用大型的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux，WinCE等，程序并未移到外部DRAM中運行以提高運行速度。

（6）內(nèi)存使用。嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存使用與普通PC程序相比，可控性大為提高，同時也帶來了較大的編程復(fù)雜性。

嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存由開發(fā)者統(tǒng)一使用，內(nèi)存中的每個存儲單元，都被嚴(yán)格控制，即使是運行如 Linux，WinCE這類大型的操作系統(tǒng)，運行時的內(nèi)存分配也是由開發(fā)者通過程序事先進(jìn)行處理，而不是由操作系統(tǒng)自行分配。

本文實現(xiàn)的車載導(dǎo)航設(shè)備配備8MB的外部DRAM，用來存放主程序中使用的所有運行時變量和緩沖區(qū)。這些變量和緩沖區(qū)控制程序流程、標(biāo)志函數(shù)執(zhí)行結(jié)果、控制導(dǎo)航菜單設(shè)置、執(zhí)行函數(shù)間的值傳遞、完成函數(shù)調(diào)度等。所有內(nèi)存中的運行時變量和緩沖區(qū)由程序統(tǒng)一分配唯一的地址空間。

綜合上述硬件框架和軟件關(guān)鍵技術(shù)的闡述，本文實現(xiàn)的車載導(dǎo)航設(shè)備完全滿足車載導(dǎo)航設(shè)備核心功能的要求。

3 設(shè)備實驗

本文實現(xiàn)的車載導(dǎo)航設(shè)備配備廣東省的電子地圖，在廣州、深圳等地進(jìn)行了實際行車試驗。實驗結(jié)果表明，即使在廣州這種交通狀況極其復(fù)雜的環(huán)境下，導(dǎo)航設(shè)備仍然較好地完成了應(yīng)具備的核心功能。行車過程中，地圖顯示與行車路線始終保持吻合，能進(jìn)行正確的目的地導(dǎo)航，伴隨配套的語音報讀，且無線通信正常。

4 低成本

表1給出了高檔車載導(dǎo)航設(shè)備與本文實現(xiàn)的車載導(dǎo)航設(shè)備之間的主要價格對比。從總價上看，本文實現(xiàn)設(shè)備的成本低是毋庸質(zhì)疑的。而高檔設(shè)備與本文設(shè)備的主要不同之處，體現(xiàn)在地圖存儲介質(zhì)、主控MCU、嵌入式操作系統(tǒng)三個方面。高檔設(shè)備使用硬盤作為地圖存儲介質(zhì)，而本文設(shè)備使用NANDFlash作為地圖存儲介質(zhì)，兩種存儲介質(zhì)的價格差異很大。表1中的數(shù)據(jù)分別代表20GB—40GB的硬盤價格和1GB的NANDFlash價格。高檔設(shè)備多采用主流ARM9之類的MCU，而本文設(shè)備采用專用的TMLH918，導(dǎo)致如表1所示的價格差異。高檔設(shè)備為了獲得豐富的圖形開發(fā)基礎(chǔ)和快速的軟件開發(fā)環(huán)境，多采用WinCE之類的付費嵌入式操作系統(tǒng)，每出售一臺設(shè)備需要支付64元左右的操作系統(tǒng)使用費，而本文設(shè)備采用MCU配套的文件系統(tǒng)，省去了此項費用。此外，高檔設(shè)備為了增強產(chǎn)品的娛樂性，集成了大量的多媒體功能，如對MP3，MPEG—4的支持，這也使得硬件成本和軟件開發(fā)費用大為增加。

5 總結(jié)

在GPS蓬勃發(fā)展的當(dāng)今時代，各類基于GPS的產(chǎn)品應(yīng)運而生，其中典型的當(dāng)屬車載導(dǎo)航設(shè)備。然而，導(dǎo)航產(chǎn)品的高檔路線限制了它的大眾化發(fā)展進(jìn)程。本文在綜合考慮軟硬件解決方法的基礎(chǔ)上，研究實現(xiàn)了一種低成本的車載導(dǎo)航設(shè)備，為解決導(dǎo)航產(chǎn)品大眾化發(fā)展困難的問題提供一種切實可行的思路。下一步的工作重點在于，通過用戶的使用反饋，不斷完善本設(shè)備的硬件框架和軟件系統(tǒng)，在保持低成本特色的前提下進(jìn)行產(chǎn)品升級，修正目前產(chǎn)品中存在的問題，沿著“使用—改進(jìn)—再使用—再改進(jìn)”的正確路線使產(chǎn)品最終達(dá)到穩(wěn)定，為用戶提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。