嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)研究

摘要：分析研究嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，以實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE．NET為嵌入式軟件平臺(tái)，搭建了嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。以車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)的導(dǎo)航電子地圖和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫作為重點(diǎn)研究對象。分析導(dǎo)航信息系統(tǒng)中導(dǎo)航電子地圖和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；Windows CE；導(dǎo)航電子地圖；導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫

    我國GPS車輛導(dǎo)航系統(tǒng)受國內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、電子地圖配套限制等諸多綜合因素制約，仍處于初始發(fā)展階段。在功能上，大部分GPS車輛導(dǎo)航系統(tǒng)還只有車輛跟蹤、數(shù)字地圖查詢、路徑簡單規(guī)劃等基本功能。本文對嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，給出一個(gè)完整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并重點(diǎn)討論導(dǎo)航電子地圖的實(shí)現(xiàn)方法。

1 嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)借助于定位、地理信息處理和通信等技術(shù)，通過處理車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)。配合地理信息系統(tǒng)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫處理信息，并與服務(wù)中心交流信息交流，可提供定位、電子地圖、路徑規(guī)劃和引導(dǎo)、信息查詢、歷史行駛狀態(tài)詳細(xì)記錄、通信等功能。圖1為該導(dǎo)航信息系統(tǒng)功能各模塊關(guān)系。

    圖1中，定位系統(tǒng)包括定位模塊和地圖匹配模塊，可得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，如經(jīng)度、緯度、高度、速度、運(yùn)動(dòng)方向等；數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫包含預(yù)先定義好存儲(chǔ)格式的數(shù)字地圖信息，提供計(jì)算機(jī)處理與地圖有關(guān)信息，如辨別場所、公路等級(jí)、交通規(guī)則和旅行信息等：路徑規(guī)劃和路徑引導(dǎo)模塊功能是根據(jù)地圖數(shù)據(jù)庫模塊所提供的地圖數(shù)據(jù)，加上從無線通訊網(wǎng)絡(luò)收到的實(shí)時(shí)交通信息，按照某個(gè)指標(biāo)(如最小時(shí)間或者最小旅行代價(jià))幫助用戶在行駛前或運(yùn)行中規(guī)劃路線；人機(jī)接口允許用戶與定位和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)及裝置進(jìn)行人機(jī)交互；無線通訊模塊進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)性能并增加系統(tǒng)功能。
    傳統(tǒng)的導(dǎo)航信息系統(tǒng)主要有2種實(shí)現(xiàn)方法：基于單片機(jī)的簡易導(dǎo)航系統(tǒng)和基于移動(dòng)PC的導(dǎo)航系統(tǒng)。前者結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，但功能有限，僅僅實(shí)現(xiàn)定位、簡易位置指示以及簡單通訊功能；而后者以PC操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，應(yīng)用專業(yè)軟件包或自主開發(fā)軟件包，配以相應(yīng)外圍模塊(如定位、通訊等)能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航所有復(fù)雜功能，但價(jià)格高，且難以適應(yīng)車載環(huán)境。因此，采用嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)代車載導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)是必然選擇。[!--empirenews.page--]
    選用PCM-5820作為嵌入式車載信息系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，Windows CE作為嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)。PCM-5820完全滿足系統(tǒng)在存儲(chǔ)容量、處理速度、通信接口、功耗、體積等方面的要求。Windows CE具有方便定制、移植簡單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，且具有與PC操作系統(tǒng)一致界面風(fēng)格和操作方式，實(shí)現(xiàn)豐富的API，便于開發(fā)?；谝陨掀脚_(tái)，圖2給出嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

    該系統(tǒng)的定位模塊和無線通訊模塊需借助相應(yīng)裝置，導(dǎo)航信息系統(tǒng)直接收發(fā)這些裝置數(shù)據(jù)，處理后為系統(tǒng)所用；路徑規(guī)劃和路線引導(dǎo)模塊功能的實(shí)現(xiàn)算法研究已相當(dāng)深入，這里不再贅述。而對于導(dǎo)航電子地圖模塊，為便于功能實(shí)現(xiàn)和后期擴(kuò)展，按其功能分為矢量圖形系統(tǒng)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，前者是按特定要求顯示矢量圖形，后者是存儲(chǔ)和管理圖形元素的幾何數(shù)據(jù)(如坐標(biāo)等)、屬性數(shù)據(jù)(如道路等級(jí)等)以及其
他相關(guān)數(shù)據(jù)(如交通信息等)。

2 導(dǎo)航矢量圖形系統(tǒng)
2．1 基于EVC的矢量圖形系統(tǒng)
    分析地圖發(fā)現(xiàn)，地圖矢量化后矢量圖形的元素類型有：點(diǎn)(Point)、線(Line)、連續(xù)折線(Polyline)、區(qū)域(Region)、弧線(Arc)、文本(Text)、矩形(Rectangle)、圓角矩形(Rounded Rectangle)、橢圓(Ellipse)、圓(Circle)、符號(hào)(Symbol)等11個(gè)類型。導(dǎo)航電子地圖中，符號(hào)只用于顯示，而且類型有限，該系統(tǒng)采用柵格方式在矢量圖形上透明顯示。其余10種圖形元素并非獨(dú)立分類，比如，元素點(diǎn)可用其他若干個(gè)元素組合表達(dá)：矩形元素(在嵌入式C++中有直接函數(shù)支持)實(shí)質(zhì)是一個(gè)特殊區(qū)域。
    考慮以上每個(gè)對象類都有如線型、顏色等的公共數(shù)據(jù)，可抽象一個(gè)基類。本文共建立了15對象類及結(jié)構(gòu)：基類Class CDraw、線類Class Cline：public CDraw、多線類Class CPline：public CDraw、區(qū)域類Class CArea：public CDraw、橢圓弧類Class CEarc：public CDraw、圓類偽代碼描述Class CCirele：public CDraw、矩形類Class Crectangle：public CDraw、圓角矩形類Class CroundedRectangle：public CDraw、橢圓類Class CEllipse：public CDraw、文本類Class CText：public CDraw、符號(hào)類Class CSvmbol:public CDraw、繪制矢量圖形參數(shù)類Class CgraphPara、圖層屬性結(jié)構(gòu)typedef struct、當(dāng)前畫面屬性結(jié)構(gòu)tvoedef struct、導(dǎo)航目標(biāo)屬性結(jié)構(gòu)typedef stmct。
    車載導(dǎo)航電子地圖一般采用小液晶顯示屏顯示。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，顯示的畫面內(nèi)容應(yīng)盡可能簡單明了，所以矢量圖形將數(shù)據(jù)分層組織，在圖形元素的基類中設(shè)有表示元素所處圖層的信息。除了將元素分類為不同的顯示圖層，簡化顯示內(nèi)容，基類還可設(shè)置該元素是否顯示標(biāo)志位，這樣可提高顯示速度，節(jié)省資源。例如。在同一圖層元素，如果有些元素不在當(dāng)前顯示窗口，可以不進(jìn)行與顯示有關(guān)的后臺(tái)操作(坐標(biāo)變換等)。DPtoVP和VPtoDP方法是實(shí)際坐標(biāo)(地理坐標(biāo))和圖形坐標(biāo)相轉(zhuǎn)換。通過矢量化得到的圖形元素的位置數(shù)據(jù)一般是某種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，而本系統(tǒng)用戶可見的顯示坐標(biāo)范圍為從(0，0)至(640，480)，所以需進(jìn)行坐標(biāo)變換。每個(gè)圖形元素都需Draw(繪制)方法，但不同元素的繪制方法各不相同，為了方便Draw方法使用，在基類中將Draw定義為純虛函數(shù)，在子類中重載時(shí)再具體賦以不同繪制內(nèi)容。
2．2 矢量圖形系統(tǒng)優(yōu)化
    嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)硬件平臺(tái)一般采用低功耗設(shè)計(jì)，運(yùn)算能力有限。但導(dǎo)航電子地圖顯示畫面往往含有大量圖形元素，圖形顯示一次需花費(fèi)大量時(shí)間。如果采用每次全部繪制所有電子地圖內(nèi)容并直接輸出到畫面，則會(huì)導(dǎo)致畫面刷新慢和重繪閃爍明顯。因此需優(yōu)化矢量圖形的繪制方法。
2．2．1 提高圖形的顯示速度
    一般繪圖方法是繪制所有圖形元素，而這樣嚴(yán)重影響繪圖速度。為了加快繪圖速度，在顯示一個(gè)圖形元素前，先判斷該圖形元素是否在當(dāng)前視圖屏幕中，如果不在，則無需繪制，從而節(jié)省繪制時(shí)間州。而判斷一個(gè)圖形元素是否在當(dāng)前視圖屏幕．需計(jì)算判斷圖形元素與當(dāng)前視圖屏幕矩形是否相交，但此方法需大量計(jì)算，影響顯示速度。采用的判斷圖形元素是否需要繪制的方法應(yīng)允許不太嚴(yán)密，但要計(jì)算簡單。在每次重繪圖形元素前，首先判斷元素是否顯示，并只繪制所需部分。這樣就大大加快繪圖速度，并能滿足導(dǎo)航電子地圖系統(tǒng)顯示要求。[!--empirenews.page--]
2．2．2 解決畫面閃爍問題
    窗口圖形繪制包括：上次繪制、本次擦除、本次重繪。其中本次擦除操作是必須的。如果重繪時(shí)未清除原來繪制圖形，將導(dǎo)致新圖形和原圖形相疊加。而在新圖形繪制出前，在極短時(shí)間內(nèi)屏幕顯示一個(gè)空的矩形區(qū)域，圖形重繪完成后，窗口顯示區(qū)才開始有內(nèi)容顯示。所以擦除屏幕會(huì)出現(xiàn)閃爍，這與圖形復(fù)雜程度無關(guān)。采用雙緩存機(jī)制解決重繪閃爍。雙緩存就是在內(nèi)存中新開辟一個(gè)緩沖區(qū)，原來的顯示緩沖區(qū)作為前臺(tái)緩沖區(qū)．新開辟的緩沖區(qū)作為后臺(tái)緩沖區(qū)。如圖3所示，繪圖時(shí)先把輸出內(nèi)容寫入后臺(tái)緩沖區(qū)，繪圖完成后再把屏幕的當(dāng)前顯示緩沖區(qū)切換到這個(gè)包含新內(nèi)容的緩沖區(qū)。一旦把屏幕顯示緩沖指向后臺(tái)緩沖區(qū)，下一幀的輸出內(nèi)容就可寫入原緩沖區(qū)，再通過屏幕顯示。因?yàn)槭欠浅Ｒ?guī)整的內(nèi)存拷貝，所以前后臺(tái)的緩沖區(qū)切換速度非常快，幾乎看不到圖形的擦除過程。因此使用雙緩沖區(qū)取代單緩沖區(qū)可成功隱藏繪圖過程．避免閃爍。

3 導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    所謂數(shù)據(jù)庫即格式化(結(jié)構(gòu)化)的文件，用戶完全可自行設(shè)計(jì)所需格式文件，并提供操作函數(shù)。這里使用．dbf文件格式。因?yàn)樵摳袷奖槐姸鄶?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)接受，處理方便。這樣實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是一種平面文件數(shù)據(jù)庫。這種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單經(jīng)濟(jì)，開發(fā)周期短，但速度較慢。實(shí)踐表明，車載導(dǎo)航系統(tǒng)采用這種方法完全可以滿足要求。
    本文使用16進(jìn)制閱讀工具h(yuǎn)ex32．exe分析dbf文件結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析dbf文件具有以下特征：文件由文件結(jié)構(gòu)說明區(qū)和文件數(shù)據(jù)區(qū)構(gòu)成；文件的結(jié)束標(biāo)志為lAH。文件數(shù)據(jù)區(qū)存放記錄(類似表格的一行)，每條記錄是等長的；每條記錄以20H開始，按字段順序存放，沒有字段分隔符，也沒有記錄終止符；若刪除該記錄，則記錄的第1個(gè)字節(jié)標(biāo)記為2AH。文件結(jié)構(gòu)說明區(qū)包括數(shù)據(jù)庫參數(shù)區(qū)和記錄結(jié)構(gòu)區(qū)。文件的前32個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)庫參數(shù)區(qū)。記錄結(jié)構(gòu)區(qū)包括各個(gè)字段參數(shù)，其中每個(gè)字段占32個(gè)字節(jié)。本系統(tǒng)基本表的組織形式與dhf文件組織形式相同。
    數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要函數(shù)與普通關(guān)系數(shù)據(jù)庫接口類似，選擇使用必要的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)車載導(dǎo)航所需的基本操作。實(shí)現(xiàn)通用數(shù)據(jù)庫所支持的全部操作，系統(tǒng)具備較豐富的操作功能。用戶還可開發(fā)實(shí)現(xiàn)特定功能的其他操作，作為系統(tǒng)擴(kuò)展。

4 結(jié)束語
    針對嵌入式車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并重點(diǎn)討論導(dǎo)航電子地圖的實(shí)現(xiàn)。利用GIS組件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航電子地圖和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的傳統(tǒng)方發(fā)法，以EVC(嵌入式VC)為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)了電子地圖矢量圖形系統(tǒng)，并自主設(shè)計(jì)能滿足車載導(dǎo)航需要的基于文件系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。實(shí)踐表明，本文建立的導(dǎo)航電子地圖系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，能方便移植于不同的軟硬件平臺(tái)，運(yùn)行可靠，適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。