基于ARM的智能導航盲杖系統設計＊

白玉柱，魯遠耀

(北方工業大學，北京100144)

目前市場上現有的GPS產品主要集中在車載導航或面向正常人的手持導航系統，視障人士很難享受到與正常人一樣的導航服務。迄今為止，國內還沒有一款專門為視障人士開發的GPS導航系統。為提高視障人士的生活水平，為他們的出行帶來便利，開發出適用于特殊群體的GPS導航系統勢在必行。

本文采用了基于ARM11-Win CE平臺的嵌入式系統作為系統的控制平臺，以提高系統的性能、集成度以及可擴展性；運用GPS定位技術和TTS文語轉換系統，實現了對視障人士的GPS定位及電子地圖導航；利用超聲波測距功能，系統可以提供一定距離內的障礙物探測與告警。為實現上述功能，采用Trimble公司的GPS接收模塊Lassen iQ實現了GPS定位功能，處理器采用三星公司的S3C6410(ARM1176JZF-S核心)芯片，操作系統為Windows CE 6.0。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體結構

本智能導航盲杖系統是為了實現GPS定位、電子地圖查詢、路徑選擇以及超聲波探測、語音輸出等主要功能，系統設計圖如圖1所示。各個功能模塊實現功能如下：

(1)GPS信號接收模塊：接收 GPS信號，輸出當前經緯度、移動方向與速度、時間等信息。完成與中央處理器的通信，報告工作狀態，并接收中央處理器的控制[1]。

(2)存儲模塊：存儲系統程序、電子地圖數據以及GPS獲取的信息等，可以進行存儲、讀取、查詢信息等操作。

(3)超聲波測障模塊：發送和接收超聲波脈沖，反饋給中央處理器并接收其控制信號。

(4)人機接口模塊：包括顯示和鍵盤輸入、語音輸出，采用中央處理器控制和監測。

(5)中央處理器：控制并接收GPS模塊、超聲波測障模塊產生的信號，監視鍵盤狀態，并控制LCD顯示、語音輸出等。

1.2 系統主要模塊設計

(1)GPS模塊。系統選擇Trimble公司的Lassen iQ GPS接收器作為GPS信號接收模塊，其接口電路如圖2所示。為了利于在戶外手持使用，系統要考慮體積、功耗以及精度的需求。系統選用的GPS模塊面積僅有8cm2，功耗小于89mW，而其GPS定位精度可達10m，速度精度能夠達到0.1km/h，GPS方向可精確到 2°，基本能夠滿足本系統的要求。

圖1 智能導航盲杖系統設計圖

圖2 GPS模塊電路設計

(2)中央處理器。系統選用Samsung公司的S3C6410A-XH66作為中央處理器。S3C6410A-XH66是一款基于ARM1176JZF-S內核的32 bit RSIC微處理器，其優化的外部存儲器接口分為DRAM和Flash/ROM/DRA兩路端口，能滿足本系統讀取電子地圖時對數據帶寬的要求。另外，S3C6410A-XH66還有Camera接口、TFT 24 b真彩色LCD控制器、4通道的UART、I2C總線等。處理器內部時鐘為533 MHz，可以滿足較復雜導航算法的需要。

(3)存儲模塊。系統選用兩片64 M×16 bit的Mobile DDR芯片K4X1G163PC，構成共256 MB的內存模塊，以及一片 1 G×8 bit的 NAND Flash芯片 K9G8G08U0M作為外部存儲。內存模塊設計如圖3所示，兩片K4X1G163PC的連接方式相同，使用1.8 V工作電壓，主頻為166 MHz，在處理器內部時鐘為533 MHz時，能夠接近最高使用效率。需要注意的是，在進行PCB布線工作時，兩片內存芯片的地址線和數據線必須進行等長設置。

(4)超聲波測障模塊。該模塊使用兩個超聲波換能器，分別完成超聲波發送和檢測接收的任務。發送模塊在設計之初采用反相器74LS04，但在測試過程中發現由于脈沖時間過短，而造成反相器輸出波形不夠理想。經過多次調試比較，最終采用Philips公司的高速反相器74HC04，其在工作電壓VCC為4.5 V時，標準跳變時間可達6 ns，極佳地實現了系統功能。超聲波檢測接收模塊使用CX20106進行信號放大，如圖4所示。

2 系統軟件設計

系統軟件的設計充分利用了硬件平臺提供的資源[2]，實現業務流程的有序運行，是整個系統設計的重要組成部分[3]。軟件的設計主要有：(1)建立交叉編譯環境。(2)Windows CE 6.0操作系統(包括驅動)的移植。(3)GPS定位與導航程序設計。(4)超聲波測障功能設計。

圖4 超聲波接收模塊

2.1 GPS定位與導航模塊軟件設計

GPS定位與導航模塊首先要完成用戶位置信息的采集、處理與存儲。由于GPS采用串行口通信，所以本文在串行口通信的基礎上實現了對GPS數據的接收、處理和存儲。該模塊軟件設計的基本思想是：首先接收完整的NMEA0183語句，然后提取相關的數據(如時間、經緯度、速度等)，再將這些數據發送給中央處理器進行下一步操作，并且可以保存以便日后查看[4]。

本系統使用Lassen iQ的串口1輸出的數據，串口通信流程如圖5所示。所獲取的NMEA0183語句格式為：$GPRMC，162 206，A，3 955.400 7，N，11 612.0591 E，000.0，000.0 181010 002.5，W*71， 表示目前的時間是2010年10月18日16點22分06秒(這是UTC時間，不是本地時間，兩者大約相差8小時)，位置是北緯39°55.4007′、東經 116°12.0591′，速度為 0。

圖5 串口通信流程

系統在獲取到當前經緯度等信息后，進行坐標轉換和地圖匹配[5]。本系統結合超圖格式(pwr，pmw)的北京市地圖數據，調用超圖接口函數讀取電子地圖數據，并對用戶選擇的目標點和當前點進行路徑選擇，最終導航信息以文本方式輸出到界面，如圖6所示。在經過添加TTS(Text to Speech)文語轉換系統后，可將導航信息以語音播報的方式播送給盲人用戶使用。

圖6 GPS導航工作界面

2.2 超聲波測障模塊軟件設計

本模塊的主要功能是自動測出用戶與最近障礙物的距離，并將該數據傳送給中央處理器。在一般條件下，當障礙物與用戶之間小于極限安全距離(一般為0.6 m)時，系統會發出警告，提醒用戶注意避讓。

圖7 超聲波定位模塊工作流程

超聲波測障軟件工作流程如圖7所示。S3C6410微處理器通過一個GPIO口的一個反相器來控制超聲波的發送，然后不停地檢測XEINT0引腳，當XEINT0引腳的電平由高電平變為低電平時，認為超聲波已經返回，通過換算超聲波所經歷的時間，就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。本文設計了基于ARM11-Win CE的軟硬件平臺，系統具有較高的集成度和可擴展性、成本低、功耗低、處理性能高、穩定性好等特點。軟硬件系統均考慮到了視障用戶的切身需求，針對視障人士的特點進行專門的功能設計，完全支持盲操作，提高了視障人群在日常生活中的便利性，是定位于視障人士獨立出行的輔助性器材。

[1]韓飛.MiniGUI在車載導航終端中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2005(6)：61-63.

[2]張冬泉，譚南林，蘇樹強.WindowsCE實用開發技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3]李別.基于 S3C4510B的 ARM開發平臺[J].微計算機信息，2006，10(2)：34-36.

[4]張文軍.GPS與嵌入式系統軟硬件接口及導航信息提取軟件[J].計算機工程，2005，31(18)：210-212.

[5]翟霞暉，唐明浩.基于ARM7的汽車導航定位與防盜系統[J].自動化儀表，2003，28(3)：30-32.