基于μC/O S的校園G P S導航系統的設計實現

周博

（天津工業大學信息與通信工程學院，天津300160）

1.引言

早期高校校園面積相對較小，學校的教學區、生活區、學校的各個部門都相對集中，從校園一個區域到另一個區域只需要很短的時間，部門的搬遷也可能在同一棟或相鄰的兩棟之間，即使導航出錯，帶來的負面影響也相對較小。校園導航基本上采用平面示意圖即可解決。

隨著高校的發展，校園面積也由原來的上百畝擴大到上千畝，教學區、辦公區、生活區、活動區等在地理位置上相對變得疏遠，那么跨區域活動在區間往復的時間成本越來越高，中間稍有耽誤，將不能按照預定時間到達目的地，給我們的生活學習帶來不便。早期的校園平面示意圖導航表現出種種弊端，逐漸不能滿足新形勢下校園導航的要求。新的導航系統的設計勢在必行。

2.系統概述

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內核），適用于手持設備、POS機、數字多媒體播放設備等等，具有價格低、低功耗、高性能等特點。S3C2410X提供了豐富的內部設備，采用ARM920T內核，0.18um工藝的CMOS標準宏單元和存儲器單元。它的低功耗、精簡和出色的全靜態設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用。同樣它還采用了AMBA新型總線結構。S3C2410X提供了一系列完整的系統外圍設備，消除了為系統配置額外器件的需要，大大減少了整個系統的成本。S3C2410X主要特征如下[4]：

(1)203Mhz的ARM920T內核，支持JTAG仿真調試。

(2)16KB的1-Cache；

(3)具有MMU，支持WinCE、EPOC32、Linux等操作系統；

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

(5)片內4KB SDRAM，可用作NAND Flash系統引導的緩沖區；

(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，有外部請求引腳；

(8)3個UART（IrDA1.0，16字節RxFIFO）；

(9)2個SPI總線接口；

(10)1個多主IIC總線接口；

(11)1個IIS總線接口；

(12)兼容SD主接口協議1.0版和MMC卡協議2.11兼容版；

(13)NAND Flash/SM卡接口，支持NANDFlash系統引導；

(14)2個USB主機接口，I個USB設備接口（V1.1）；

(15)4個PWM定時器和1個內部定時器；

(16)看門狗定時器；

(17)117個通用I/O口；

(18)24個外部中斷；

(19)8通道10位ADC和觸摸屏接口；

(20)具有日歷和時鐘功能的RTC；

(21)1.8V內核供電，3.3V存儲器供電，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PLL時鐘發生器。

2.2 μC/OS-II操作系統

μC/OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可剪裁的、占先式實時多任務內核。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的微處理器使用。μC/OS-II可以管理64個任務，具有信號量、互斥信號量、事件標志組、消息郵件、消息隊列、任務管理、時間管理和內存塊管理等系統功能[1，2]。

μC/OS-II包括以下三個部分：

(1)μC/OS-II核心代碼：包括10個C程序文件和1個頭文件，主要實現了系統調度、任務管理、內存管理、信號量、消息郵箱和消息隊列等系統功能。此部分的代碼與處理器無關。

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

(3)μC/OS-II移植代碼：包括1個匯編文件、1個C程序文件和1個頭文件，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。（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(GPS)的簡介

GPS(全球定位系統)具有全球、全天候工作，定位精度高、功能多、應用廣的特點，通過GPS接收機可以實現精確的自主定位，為實現精準的定位和導航奠定了基礎。GPS系統包括三大部分：空間部分—GPS衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶設備部分—GPS信號接收機。本文主要涉及GPS信號接收機部分。它的硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包，構成完整的GPS用戶設備。主要任務是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置、三維速度和時間。

3.硬件系統的設計理念

本嵌入式導航系統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，該芯片強大的實時處理能力和豐富的外圍接口非常適合嵌入式系統的開發，本系統正是基于該芯片的這些特點而設計的。

該系統以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.軟件系統的設計

該嵌入式系統采用uC/OSII操作系統，由于MCU的處理功能有限，所以在具體的軟件實現過程中采用多線程技術。主控線程主要實現界面功能、導航功能中的地圖匹配和導航引導模塊、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，同時協調各個工作線程異步運行。

4.1 移植μC/OS-II操作系統S3C2410處理器

移植μC/OS-II之前需要注意，目標處理器必須滿足以下幾點要求：

(1)處理器的C編譯器能產生可重入型代碼；

(2)處理器支持中斷，并且能產生定時中斷；

(3)用C語言就可以開/關中斷；

(4)處理器能夠支持一定數量的數據存儲硬件堆棧（可能是幾千字節）；

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

S3C2410A微控制器可以滿足第2、4和5點要求，使用ADS 1.2的C編譯器可以滿足第1、3點要求。使用ARM公司提供的ADS1.2集成開發工具新建一個工程，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口下載到目標平臺中運行即可。

4.2 導航軟件的設計理念

導航軟件是以導航數據庫為數據基礎的。主要包括導航功能模塊和人機交互功能。其導航功能是在動態行進過程中進行導航定位、地圖匹配、路徑規劃和路徑引導等。人機交互功能主要是在靜態過程中對導航的地理信息提供瀏覽查詢服務。

導航功能模塊主要包括以下4個模塊：(1)導航定位模塊；(2)地圖匹配模塊；(3)路徑規劃模塊；(4)導航引導模塊。

人機交互功能模塊設計主要包括以下2個模塊：(1)地圖瀏覽模塊；(2)地圖查詢模塊。

導航軟件設計實現流程如下：(1)運行導航定位線程從輸入口讀取GPS天線接收到的當前位置的經緯度坐標值；(2)將經緯度坐標轉換到屏幕的像素坐標；(3)根據當前位置結合導航地圖進行匹配處理，把當前位置信息匹配到地圖上；(4)顯示并實時刷新導航地圖和當前位置；(5)是否求解最佳路徑；(6)在導航數據庫中選擇起始和終止位置，運行路徑規劃線程在道路網數據中解算出最佳路徑并顯示到地圖上。

4.3 GPS數據提取、顯示、查詢

GPS板只要處于工作狀態就會源源不斷地把接收并計算出的GPS導航定位信息通過串口傳送到嵌入式系統中。從串口接收的數據幀（長串ASCII碼字節流）通過程序將各個字段的信息從接收到的字節流中提取出來，將其轉化成有實際意義的、可供高層決策使用的定位信息數據。

對GPS信息進行提取必須首先明確其幀結構，數據幀主要由幀頭、幀尾和幀內數據組成。對于不同的數據幀，其幀頭是不同的，主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC"等。這些幀頭標識了后續幀內數據的組成和結構特點。各幀均以回車符＜CR〉和換行符＜LF〉作為幀尾，標識一幀的結束。

對數據幀處理，是先對幀頭進行判斷，然后只對感興趣的幀進行數據的提取處理。由于幀內各數據段被逗號分割，因此在處理接收數據時一般是首先通過搜尋ASCII碼“$”來判斷是否是幀頭，接著對幀頭的類別進行識別，然后再根據識別出來的幀類型以及逗號‘，’個數來確定當前正在讀取的是哪個定位導航參數，并作出相應的提取和存儲。

最后，通過GPS和人工輸入接收到的數據，經過MCU的處理，在地圖上用醒目的顏色顯示出來。

5.總結

經過實驗，系統能夠穩定可靠地運行，進一步驗證了以ARM9處理器+μC/OS-II操作系統+GPS接收機模式開發的校園導航系統具有開發簡單、性能可靠的特點，有著良好的應用前景。

[1]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]任哲.嵌入式實時操作系統[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3]吳迪.嵌入式系統原理、設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4]周立功.嵌入式系統基礎教程[M].廣州：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.