基于嵌入式技術的多功能汽車導航系統

摘要:提出了一種嵌入式多功能汽車導航系統的設計方案，系統中以S3C2440A為處理器核心，Linux為操作系統平臺，構建了嵌入式車載導航終端的軟硬件平臺，簡要介紹了其硬件結構，并詳細闡述了軟件系統的設計與實現，實現了導航功能、電子地圖、GPS定位等功能。

關鍵詞:車載導航;全球定位系統;嵌入式技術

中圖分類號:TP316文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5971-03

Multifunctional Vehicle Navigation System Based on Embedded Technology

HU Peng

(Department of Computer Technology and Application， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430074， China)

Abstract: This paper puts forward design solution of multifunctional vehicle navigation system based on embedded technology. The system is designed with the core being S3C2440A and the operating system Linux. The paper introduces briefly the hardware structure and describes detailed the design and realization of the software system， navigation function， displaying of electronic map， and GPS orientation were carried out on vehicle navigation system terminal.

Key words: vehicle navigation terminal; GPS; embedded technology

隨著社會不斷發展和人們生活水平的提高，汽車走進了平常百姓家庭，由于城市的快速發展和交通道路的日益復雜，人們常因不熟悉道路而迷路，從而延誤時間。車載導航系統不僅能夠準確地提供一條通往目的地的行車路線，而且使得車輛能夠避開擁擠的道路，明顯改善交通擁堵狀況。前幾代車載導航系統存在一些缺陷，比如硬件體積大、軟件冗余度大、功耗高、成本高等等，基于此，本文根據車載導航系統的特點和功能需求，應用嵌入式技術，設計了一種體積小、功耗低及功能強的車載導航系統。

1 方案設計

1.1 車載導航系統功能分析

根據車輛導航的實際需要，一般車載自主導航系統具有以下功能:

1) 導航功能:司機在車載GPS導航系統上選擇行車路線的起點和終點，導航系統便會自動根據當前的位置及交通狀況，為司機提供最優的行車路線，導航過程中，如駕駛者走錯路線，系統會在極短時間內，自動重新計算出一條新路線。

2) 電子地圖:電子地圖可以覆蓋全國的各大城市及本地道路信息，功能強大的地圖系統包含了中小城市，可以隨時查看目的城市的交通、周圍建筑物等情況。

3) 轉向語音提示功能:如果前方遇到路口或者轉彎，系統提前以語音的方式提醒司機，這樣可以避免車主走彎路。

4) 定位功能:GPS通過接收衛星信號，準確地定出其所在的位置，位置誤差小于10米，可以在地圖上相應的位置用記號標記出來，同時，系統還可以顯示方向，顯示海拔高度等信息。

5) 安全提示功能:內置道路安全屬性信息，如紅綠燈、超/限速路段、事故危險區域、禁行區等，汽車行駛至上述路段時，導航器將及時以語音和圖標形式，提醒駕駛者，避免違反交通規則，防止發生交通事故。

6) 顯示航跡:能夠實時記錄存儲車輛行駛經過的路線，并在必要的時候對車輛信息按照日期進行回放。

1.2 硬件設計

鑒于以上功能，系統以嵌入式Linux操作系統和ARM9芯片S3C2440A為核心，通過GPS定位模塊獲得三維定位坐標，結合GIS地理信息系統中讀取出來的電子地圖，并顯示到LCD上，系統通過GPRS無線通訊模塊與監控中心進行數據交換，實時更新下載電子地圖、進行車輛監控。系統硬件框圖如圖1所示。

1)嵌入式處理器:S3C2440A是SAMSUNG公司生產的一款16/32位RISC嵌入式微處理器，S3C2440A為低功耗、高性能的應用于小型設備和常用應用程序而提供了微控制解決方案，S3C2440A采用ARM920T內核，0.13um標準CMOS單元和一個輔助存儲器。

2)存儲模塊:系統采用的系統存儲器包括NOR Flash、NAND Flash、SDRAM、SD卡存儲器，其中，采用的 SDRAM 的芯片是 K4S561632C-TC75，它的存儲容量為 4 組×64M 位，用于存儲系統運行時的數據和程序，采用了存儲容量為 64M 字節的K9F1208UDM芯片， 用于存儲啟動代碼Boot loader，選取64M用于存儲嵌入式Linux系統內核和其他應用程序，選用外接SD卡存放電子地圖。

3)GPRS模塊:采用Sony Ericsson公司GR47模塊，該模塊使用方便，具有很高的性能，可以廣泛應用于交通控制、導航系統等。

4)GPS模塊:選用臺灣HOLUX公司的GR-85串口GPS接收器，該接收器接收GPS衛星信號經過處理后實現定位，能給出三維坐標以及時間、速度、加速度等參數，特別適合應用導航系統。

5)LCD顯示屏:采用LCD1602液晶顯示屏 ，可以顯示16 x 2個字符 每行顯示16個字符，顯示2行，可以使用8/4根數據線連接方式。

6)語音報讀:采用華邦電子的語音處理芯片WTS701，實現將文本信息轉換為語音信號，而后經功率放大器放大后再通過揚聲器進行報讀。

2 軟件設計

根據系統需要實現的功能，系統采用Linux操作系統，整個軟件處理流程如圖3所示。下面重點介紹一下一些關鍵技術的實現。

2.1 Linux開發環境的建立

集中控制器的軟件需要與ARM硬件平臺相互協調完成集中控制器在系統中的功能，該部分的軟件設計是基于嵌入式Linux操作系統的。在使用Linux進行嵌入式應用系統開發時，首要工作就是把Linux移植到應用系統中，使它能在系統所采用的嵌入式微處理器(S3C2440A)上運行。

本課題的開發采用交叉編譯調試的方式。在宿主機上進行交叉編譯最終生成可執行的二進制代碼，然后把可執行文件下載通過JTAG下載到目標機上運行。這里，選用適合于S3C2440A的交叉編譯器和調試器cross-2.95.3.tar.gz，以root身份登陸Linux，執行下列步驟:

1)在 /usr/local目錄下新建arm目錄:#mkdir/usr/local/arm

2)進入arm目錄，將交叉編譯器cross-2.95.3.tar.gz復制到該目錄下，進入該目錄執行解壓命令:

#cd/ usr/local/arm

#cp/cdrom/cross-2.95.3.tar.gz ../(從光盤復制)

#tar jxvf cross-2.95.3.tar.gz

3)增加編譯器路徑，使用命令export增加環境變量

#export PATH =/uSr/local/arm/2.95.3/bin:$PATH

執行完上述步驟后，就可以在宿主機上開發適用于ARM的應用程序。隨后將安裝 Berkeley DB時生成的動態庫libdb-4.5.so拷貝到S3C2440A的根文件的/lib目錄下，這樣就基本上建立好了嵌入式Linux以開發環境。

Linux內核的移植方法可以參考相關文獻，這里就不一一闡述了。

2.2 GPS數據接收與處理

采用中斷方式對GPS數據進行接收，數據處理由獨立子函數完成，主要完成時間、位置信息的過濾和分解，在缺省的狀態下，GPS模塊輸出數據的波特率為4800bps，輸出信息具有6種不同的消息類型:GPRMC、GPRGA、GPGSA、GPGSV、PGRME等，每秒鐘定時輸出。

GPS數據處理流程如圖3所示，通過串口讀取GPS接收機獲得的定位數據進行過濾和分解，根據獲得的目標物當前的位置(經緯度坐標、海拔)，從中解析出緯度、經度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛星狀況等，經過相應的坐標轉換，然后再將當前位置顯示在電子地圖上。

2.3 最優路徑規劃的實現

系統實現路徑規劃算法采用Dijkstra算法。

1)定義數據結構

Type struct NetPicture// (網絡圖結構)

{

LongPNum，ANum;//節點、弧段數

GP_NodeP[N]; //節點集

GP_Arcs[N，N];//弧段集

};

其中N為預定義的最大定點數。

Type struct Path

{

Long vt;//頂點信息

Long L;//最短路徑長度

Long Pre;///前趨頂點

};

2)通過數據集獲取數據表中各字段，從而得到該路段長度及通過該路段的時間。

3)用Dijkstra算法計算最優路線，若前點為目標頂點，則算法終止，此時的路徑即是最優路線。

4)通過Dijkstra算法，得到從源點到終點最短路徑所經過的頂點，并由此獲取經過的路段頂點值，根據這個頂點值，通過調用相關繪圖函數，就可以將最優路線在電子地圖上用顯眼的方式顯示出來。

2.4 GPRS通信

系統采用采用Sony Ericsson公司GR47模塊進行GPRS通信，GR47提供一系列AT命令來完成TCP/IP協議的功能，以簡化應用集成的流程，GR47模塊共提供了三個串口供用戶使用，其中最重要的是UART1。GPRS數據傳輸是GR47模塊的核心功能，其控制過程主要包含建立數據帳戶、激活 PDP環境、TCP或UDP連接3個步驟。如下建立GR47模塊與Internet連接的步驟:

1)GR47 模塊進行初始化并為GPRS模塊開通TCP/IP服務， AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”，AT+IPR=9600;W，正常情況下返回“OK”。

2)調用 gtb(APPS_NETWORK_STATUSBYTE)函數，對 GR47模塊進行網絡注冊，并獲得固定虛擬IP地址，可通過發送指令“AT*E2IPI=0”獲得IP地址

3)獲得 IP 地址后，調用庫函數 ipo(char SockType， char* SockNum)獲取指向套接字 Socket 號的指針 SockNum。

4)調用 tcpc( )庫函數建立車載移動終端到監控中心服務器的 TCP 會話，這時 TCP 握手請求的 IP 封包通過 GPRS 內網與 Internet 連接的網關路由至數據中心。

5)數據中心收到握手請求后，發送的同步響應報文經過GPRS 網關的 NAT轉換遞交到車載移動終端。

6)車載移動終端到監控中心服務器的 TCP 連接建立后，調用庫函數 tcps( )在 TCP 連接上發送數據、tcpr( )讀取數據，開始數據傳輸。

3 系統測試

為驗證對車載終端導航定位的準確性，分別進行了距離優先測試、速度優先測試及定位測試、。用PC機根據GPS系統的定位數據對車輛行駛軌跡進行恢復，并與實際車輛軌跡進行比較。

1)距離優先測試:某路屬于本市中心區域，路況比較復雜，在經過幾個立交橋時，導航儀都能準確地提示第幾個路口轉向，一般都能提前300米左右通知車主轉向下一個路口，在經過一些老路和小巷，電子地圖顯示都比較詳細，同時給出正確的指引。

2)速度優先測試:某段路一般很少人走，車速相對比較高，在速度優先的情況下導航儀能選出這段路實屬不易，經過一段導航儀上沒有記載的路名，但導航儀仍然可以做出正確指引，縮短行車時間。

3)定位測試:車輛在行駛過程中，考慮到車載終端對各種環境的適應性，既選擇了城市寬闊道路，也選擇了像地下停車場等不容易接收信號的地方。車輛全程運行時間約為90min，共采集定位數據6080次，通過CDMA網絡傳輸接收到的定位數據5960次，丟包率約為2%。

測試結果說明了系統軟件各個功能基本符合系統要求，但由于時間和能力的有限，該車載終端也有一些不足之處，值得進一步的深入研究改進。

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注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文