嵌入式定位系統(tǒng)的實用設(shè)計與軟件算法實現(xiàn)

定位系統(tǒng)自問世后便得到了蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用已滲入到各行各業(yè)。個人消費領(lǐng)域引領(lǐng)移動定位類型科技產(chǎn)品集中涌現(xiàn)，其他領(lǐng)域和行業(yè)也有大量技術(shù)更新。目前各領(lǐng)域的定位系統(tǒng)主要集中在平臺和地圖的研發(fā)上，平臺配合應(yīng)用要求選用硬件，地圖根據(jù)顯示要求實現(xiàn)軟件算法。因而，它們在定位系統(tǒng)的研究工作中各成體系，兼容性不強。

近年來，在定位系統(tǒng)設(shè)計中，硬件選擇越來越集中在幾個品牌的幾個型號上。而軟件設(shè)計方面比較分散。因而在一個兼容性強的平臺上實現(xiàn)軟件的集中研發(fā)，將是未來的研發(fā)方向。

這里提出一種系統(tǒng)構(gòu)造模式，弱化硬件平臺的影響而力求最大限度的統(tǒng)一軟件設(shè)計。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

這里提出一種實用的設(shè)計方案，通過對系統(tǒng)的各方面配置，實現(xiàn)GPS實時導(dǎo)航功能。系統(tǒng)主控器件采用韓國Samsung公司生產(chǎn)的ARM核32位RISC微處理器S3C2410，并在由其組成的開發(fā)板上移植Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體調(diào)度和控制。通過S3C2410的UART接口連接GPS接收機，用以接收NEMA0183格式的GPS定位信息。通過UART接口和GSM/GPRS模塊MC35進行通信。

為了在移動LED上實現(xiàn)電子地圖的繪制顯示，系統(tǒng)的整體層次結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。Linux操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)底層硬件的初始化和管理，并向上層提供應(yīng)用接口，MiniGUI完成電子地圖在LED上的繪制，并通過Linux內(nèi)核提供的應(yīng)用接口與GPS接收機和GSM/GPRS模塊完成通信等功能。

2 圖形界面支持系統(tǒng)——MiniGUI

MiniGUI是一個針對嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形界面支持系統(tǒng)。MiniGUI能夠在各個不同的平臺上提供最大程度的接口兼容性，可運行于AR-M、MIPS等各種主流嵌入式硬件平臺之上。它能夠提供一個輕型、資源開銷少的嵌入式圖形接口。

這里利用MiniGUI Ver l.3.3版本，將其編譯為lite版本并移植到基于ARM核的32位微處理器S3C2410上。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)基于MiniG-UI的電子地圖顯示應(yīng)用程序，配合GPS信號接收機實現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。

2.1 交叉編譯MiniGUI

MiniGUI從結(jié)構(gòu)層次上可以分為3層，最上層是APT層，中間層是MiniGUI核心，負(fù)責(zé)維護整個窗口系統(tǒng)的運行，最下層由2部分組成，即圖形抽象層(GAL)和輸人抽象層(IAL)。

為了使MiniGUI能夠在不同的目標(biāo)平臺上運行，必須有針對相應(yīng)平臺的交叉編譯環(huán)境。根據(jù)本文的設(shè)計選用S3C2410器件，則選擇交叉編譯環(huán)境Linux-ARM，選擇Mizi公司針對Samsung公司32位ARM核RISC微處理器S3C2410設(shè)計開發(fā)的工具鏈，這樣的配置環(huán)境使軟件和硬件具有更好的兼容性。具體交叉編譯的步驟如下：

1)修改configure文件。設(shè)置make環(huán)境變量CC、LD及AR等。

2)GAL(圖形引擎)和IAL(輸入引擎)接口的實現(xiàn)。在MiniGUI中，GAL和IAL是MinGUI的2個基礎(chǔ)設(shè)施，MiniGUI的高可靠度在很大程度上也是由于這2個接口提供了獨立于硬件的抽象能力。這2個接口的抽象類似于Linux內(nèi)核中的虛擬文件系統(tǒng)。

在具體實現(xiàn)一個輸入引擎(IAL)時，其中最為關(guān)鍵的是事件處理函數(shù) wait_event()的實現(xiàn)，MiniGUl會不斷的調(diào)用該函數(shù)，來確定在輸入引擎上是否有輸入事件發(fā)生。這里需要特別注意的是，因為MiniGUI 是通過select系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)進程間通信機制的，因此在實現(xiàn)lite版本輸入引擎的wait_event函數(shù)時，一定要通過select函數(shù)或與其等價的poll函數(shù)實現(xiàn)。與此同時，在實現(xiàn)目標(biāo)板的觸摸屏驅(qū)動時，必須要實現(xiàn)對應(yīng)file_operaTIons結(jié)構(gòu)中的poll函數(shù)指針。即使觸摸屏驅(qū)動未提供poll函數(shù)，也要在wait_event返回之前調(diào)用select，并傳遞相關(guān)參數(shù)。

Linux系統(tǒng)提供了一種基礎(chǔ)設(shè)施——FrameBuffer，通過這個設(shè)施Linux的圖形輸出有了統(tǒng)一的接口。由于MiniGUI可以通過FrameBuffer獲得統(tǒng)一的圖形引擎接口。

因此其適應(yīng)性大大提高，也就很少需要再為MiniGUI編寫GAL驅(qū)動層。

3)依次運行configure、make和make install命令，完成MiniGUl的配置和編譯。

經(jīng)過上述編譯過程，會將編譯好的MiniGUI庫文件安裝在/home/MiniGUI-lite目錄下。為了減小庫文件的大小，根據(jù)需要利用 config-ure命令去掉MiniGUI中一些不需要的功能，同時利用交叉編譯工具鏈中的strip命令刪除MiniGUI函數(shù)庫中的符號信息和其他一些調(diào)試信息。

2.2 MiniGUI向S3C2410上的移植

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，編譯完MiniGUI和應(yīng)用程序后，把MiniGUI庫和應(yīng)用程序拷貝到為目標(biāo)系統(tǒng)準(zhǔn)備的文件系統(tǒng)目錄中，然后使用相關(guān)工具生成文件系統(tǒng)映像，下載到目標(biāo)板上。

MiniGUI在運行時需要一個配置文件，用來配置MiniGUI運行所需要的環(huán)境參數(shù)。本設(shè)計中，將配置文件MiniGUI.cfg放到目標(biāo)板的/etc目錄下。另外，MiniGUI使用framebuffer作為其輸入引擎，因此在編譯Linux內(nèi)核時，選擇將framebuffer相關(guān)的功能編譯到內(nèi)核中去。

3 繪制基于MiniGUI的電子地圖的算法

3.1 提取電子地圖數(shù)據(jù)的算法實現(xiàn)

由于GUI的程序和傳統(tǒng)單一流程的程序不太相同，因此通過簡單的循環(huán)獲取GPS數(shù)據(jù)的方式是不可取的。該系統(tǒng)通過多線程的循環(huán)提取數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的提取與處理是在一個單線程中完成的，從而避免了數(shù)據(jù)和處理的復(fù)雜交互，能更好地體現(xiàn)實時性。

首先，對所采用的坐標(biāo)系進行說明：假定有一個形狀為嚴(yán)格矩形的地圖，其像素坐標(biāo)原點為(O，0)，地圖X軸方向上的寬度為W個像素點，Y軸方向上的高度為H個像素點，地圖上某點的坐標(biāo)為(X，Y)，則定義該像素點的歸一化坐標(biāo)為(x/W，y/H)。對于終端而言，其覆蓋的地理范圍相對于地球半徑來說幾乎可以看作無窮小，故可以認(rèn)為電子地圖所對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)在其覆蓋的區(qū)域內(nèi)是線性變化的。有了這2個點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，當(dāng)從GPS接收機讀取到經(jīng)緯度坐標(biāo)時，根據(jù)近似的線性映射關(guān)系，就可以算出該坐標(biāo)在電子地圖上的歸一化坐標(biāo)。這種映射關(guān)系，根據(jù)歐式幾何原理即式(1)和式(2)，由已知的2個點可以算出點A和點B的未知參數(shù)。

要得到地圖的左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標(biāo)，只需知道地圖邊界范圍內(nèi)任取的2個參考點的4個參數(shù)即可。通過在某地實地采集的3個參考點，得到表l所列的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

根據(jù)公式，上面的3個參考點共有3種組合方式，分別得出3組經(jīng)緯度值，對這3組取平均值，以減少誤差，提高精度。最終求得左上角和右下角的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如表2所示。

從而得到基準(zhǔn)點，并將其坐標(biāo)數(shù)據(jù)保存到坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件taiyuan_gps.dat中。

為了提高靈活性，這里為坐標(biāo)源數(shù)據(jù)定義如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

3.2 GPS線程

采用單線程對采集的一組數(shù)據(jù)進行讀取、解析和計算。在程序中定義一個pthread_t類型變量，代表采集并解析GPS數(shù)據(jù)的后端線程。由于 GUI的前端和后端GPS線程都要訪問某些GPS數(shù)據(jù)，因此需要在線程間采用同步策略。這里利用線程鎖來實現(xiàn)，將其定義為GPSL0CK。它是一個 pthread_mutex_t類型的變量。

對應(yīng)于Point型、Pline型和Region型3種類型的地理信息，分別定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)_POINT、_PLINE和_REGION。以道路為例，在程序中定義對應(yīng)的_PLINE結(jié)構(gòu)來描述相關(guān)信息，該結(jié)構(gòu)定義如下：

3.3 MiniGUI下電子地圖的繪制

MiniGUI程序的入口點為MiniGUIMain.main函數(shù)已在MiniGUl的函數(shù)庫中定義，該函數(shù)在進行一些MiniGUI的初始化工作后調(diào)用MiniGUI-Main函數(shù)。先調(diào)用SetDesktopRect函數(shù)來設(shè)置程序的顯示區(qū)域，然后調(diào)用CreateMainWindow函數(shù)創(chuàng)建并顯示程序的主窗口，最終進入消息循環(huán)。

MiniGUI是消息驅(qū)動的系統(tǒng)，一切運作都圍繞消息進行，MiniGUI應(yīng)用程序通過接收消息來與外界交互。在電子地圖的繪制過程中，主要用到MiniGUI的窗口繪制消息MSG_PAINT。該消息在需要進行窗口重繪時發(fā)送到窗口過程。 MiniGUI通過判斷窗口是否含有無效區(qū)域來確定是否需要重繪，在需要進行重繪時，MiniGUI會向相應(yīng)的窗口過程發(fā)送MSG_PAINT消息。 MSG_TIMER則主要負(fù)責(zé)從后端GPS線程中取得當(dāng)前的經(jīng)緯度信息，格式化之后輸出到文本框中。

當(dāng)MiniGUI主程序接收到其GPS通信子進程發(fā)送的SIGUSRl信號時，就會調(diào)用相應(yīng)的信號處理函數(shù)。為了實時更新定位點在電子地圖中的位置，必須在該函數(shù)中讀取共享內(nèi)存中的最新位置信息;同時根據(jù)定位點位置的變化確定需要重繪的區(qū)域，調(diào)用MiniGUI中的lnvalidateRect 函數(shù)使該區(qū)域無效。通過這種方式使得最新的位置信息實時地顯示在電子地圖上。

4 結(jié)束語

隨著社會信息化的發(fā)展，GPS導(dǎo)航終端的使用已成燎原之勢，越來越多的設(shè)備配備定位或?qū)Ш焦δ堋１驹O(shè)計利用MiniGUI來實現(xiàn)GPS的基本功能，使地圖的繪制工作脫離繁瑣的底層硬件，大大簡化了此項工作，再配合GPS信號接收機實現(xiàn)實時定位導(dǎo)航功能。同時，本設(shè)計還有許多地方值得改進，例如通訊反饋精度和矢量化地理信息的優(yōu)化顯示等。