嵌入式汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計方案

車輛導(dǎo)航是一門融合了汽車、計算機、通信、交通、系統(tǒng)科學等領(lǐng)域技術(shù)的課題，一直是國內(nèi)外眾多高科技公司和高校研究的重點。

對比而言，國內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展比較緩慢，在硬件制造、軟件功能、電子地圖等方面與國外都有較大差距，迄今為止，真正實用的高質(zhì)量導(dǎo)航產(chǎn)品寥寥無幾;而國外的導(dǎo)航系統(tǒng)雖然軟硬件水平先進，但受電子地圖數(shù)據(jù)庫等因素的制約，也沒有大規(guī)模進入國內(nèi)市場。

近年來，嵌入式系統(tǒng)憑借強大的功能、小巧的體積、極低的功耗等優(yōu)良特性得以突飛猛進的發(fā)展，逐漸滲透到了生活的各個方面，為車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的動力。

本文介紹了一種嵌入式車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用基于X86架構(gòu)的ETX(EmbeddedTechnologyExtended)硬件平臺和VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)，在軟硬件方面都能較好的滿足導(dǎo)航系統(tǒng)的要求，具有良好的應(yīng)用前景。

1、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

對各部分簡要介紹如下：

路徑引導(dǎo)：引導(dǎo)用戶沿著所規(guī)劃的路徑行駛;

人機接口：提供友好的界面允許用戶與系統(tǒng)進行人機交互;

無線通訊模塊：允許用戶與監(jiān)控中心等部門實時交換信息;

電子地圖數(shù)據(jù)庫：包含以預(yù)定格式存貯的數(shù)字地圖信息，是系統(tǒng)的軟件平臺;

地圖匹配模塊：通過適當?shù)钠ヅ浜妥R別過程來確定車輛在地圖上的位置;

路徑規(guī)劃：根據(jù)地圖數(shù)據(jù)庫及實時定位信息幫助駕駛員規(guī)劃路線;

定位模塊：通過GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或移動通信等方法對車輛進行定位。

結(jié)合實際的軟硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)分成了四個層：最底層為硬件平臺層，包含了ETX嵌入式CPU模塊以及必要的傳感器/子模塊。

上面三層為軟件層，其中設(shè)備驅(qū)動層在硬件平臺和操作系統(tǒng)之間充當橋梁的作用，為上一層提供了與硬件設(shè)備無關(guān)的統(tǒng)一接口;VxWorks系統(tǒng)層提供庫函數(shù)、應(yīng)用程序接口、任務(wù)調(diào)度機制等為用戶程序提供支持;應(yīng)用軟件層是用戶自行開發(fā)的程序，這里主要包括電子地圖和導(dǎo)航應(yīng)用程序，也是本系統(tǒng)的核心部分。下面從硬件和軟件兩方面來對系統(tǒng)進行介紹。

2、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

(1)CPU模塊

車輛導(dǎo)航系統(tǒng)對硬件平臺的要求為：小型化、低功耗、接口豐富，并能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。本系統(tǒng)選用的ETX嵌入式CPU模塊能夠完全滿足這些要求。它采用了IntelPentiumIII處理器，使用ACPI，APM1.2電源管理減低了功耗，使系統(tǒng)無需風扇裝置散熱。

此外它采用了VIAVT8603/VT82C686A芯片組、S3Savage4顯卡和VIA-enhanced聲卡，具有2個EIDE接口,支持UltraDMA/33，以及4個USB1.1，2個串口，1個EPP并口等。

ETX還提供了ISA總線接口和PCI總線接口，并具有看門狗，可以有效的解決死機問題。背面的4×100pin總線定義了各種標準接口信號，使用時只需在母板設(shè)計對應(yīng)的插座即可，開發(fā)起來非常方便

(2)串口擴展模塊

考慮到系統(tǒng)需要多個串口(與上位機通信、接收GPS信息、收發(fā)短消息、與語音模塊通信等)，而ETX模塊只自帶了兩個串口，故采用了TL16C554進行串口擴展。

它內(nèi)部帶有16字節(jié)收發(fā)FIFO的通用異步收發(fā)器，具有獨立的收發(fā)控制電路控制4路標準的串行接口，通過軟件可分別設(shè)置每一路的中斷允許、波特率、數(shù)據(jù)幀格式等信息。

TL16C554與ETX的ISA總線相連，通過一片CPLD完成兩者時序的轉(zhuǎn)換。由于系統(tǒng)的中斷資源比較緊張，而且考慮到各子模塊的數(shù)據(jù)不是很頻繁，因此采用了4個擴展串口共享中斷的方案。

(3)路徑引導(dǎo)模塊

本系統(tǒng)通過語音方式進行路徑引導(dǎo)，采用了安徽科大訊飛公司生產(chǎn)的XF-S3111中文語音合成芯片。它是利用嵌入式中文語音合成領(lǐng)域的最新研究成果——InterSound3.0中文語音合成系統(tǒng)設(shè)計的一款中文語音合成芯片，通過異步串口接收待合成的文本，直接合成為語音輸出，體積較小，使用方便，是一種完整的物美價廉的語音解決方案。

(4)無線通訊模塊

本系統(tǒng)的無線通訊部分采用了短消息方式，選用了深圳科靈通科技有限公司生產(chǎn)的短消息模塊DTR2000。它主要由西門子公司生產(chǎn)的工業(yè)級GSM模塊和一款高性能的處理器組成，可通過短消息功能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳送的功能，且支持中文傳輸。其傳輸數(shù)據(jù)透明，協(xié)議簡單，能夠方便的進行模塊之間以及模塊與手機之間的通訊。

(5)其它

本系統(tǒng)采用了GPS定位方式，通過彩色LCD進行電子地圖及定位點的顯示，并采用了可與ETX直接相連的CF卡作為存儲設(shè)備。

3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

由于車輛導(dǎo)航系統(tǒng)對多任務(wù)性、實時性、穩(wěn)定性的要求比較高，因此本系統(tǒng)采用了VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)。它包括了進程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個部分，而且高度可裁減，只占用很小的存儲空間，保證了其能以較高的效率運行于導(dǎo)航系統(tǒng)中。

VxWorks包括微內(nèi)核wind、高級的網(wǎng)絡(luò)支持、強有力的文件系統(tǒng)和I/O管理、C 和其他標準支持等核心功能。微內(nèi)核wind處于VxWorks操作系統(tǒng)的核心，支持所有的實時特征：快速任務(wù)切換、中斷支持、搶占式和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等，能夠很好的滿足導(dǎo)航系統(tǒng)對實時性和多任務(wù)的要求。

本系統(tǒng)的軟件功能分為VxWorks環(huán)境下的驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件兩部分。前者主要是對TL16C554驅(qū)動的開發(fā)，而其它設(shè)備(如顯卡，網(wǎng)卡等)由于VxWorks自帶了X86的相關(guān)驅(qū)動而不必涉及。TL16C554的驅(qū)動開發(fā)可參照VxWorks自帶的串行驅(qū)動模板來進行,這里只簡單描述一下開發(fā)步驟。

VxWorks系統(tǒng)的串行設(shè)備驅(qū)動不是直接掛在IO系統(tǒng)中，而是由虛擬設(shè)備ttyDrv在中間充當轉(zhuǎn)換層。因此驅(qū)動需要根據(jù)系統(tǒng)接口實現(xiàn)驅(qū)動并掛到ttyDrv上。

首先需要修改config.h、sysSerial.c等文件中的相關(guān)參數(shù)，然后再編寫具體的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的I/O操作，包括TL16C554的初始化函數(shù)、I/O控制函數(shù)、中斷處理函數(shù)等。

這樣，系統(tǒng)在初始化時就會將設(shè)備和驅(qū)動程序安裝好，應(yīng)用程序就可以按照與設(shè)備無關(guān)的統(tǒng)一方式進行I/O操作了。

應(yīng)用軟件開發(fā)包括電子地圖和導(dǎo)航應(yīng)用程序設(shè)計：

(1)電子地圖的設(shè)計

電子地圖的設(shè)計包括圖形界面和地圖數(shù)據(jù)庫兩部分。本系統(tǒng)通過VxWorks的WindML(WindRiverMultimediaLibrary)實現(xiàn)了電子地圖的圖形界面。

WindML主要是用來實現(xiàn)基本的圖形、視頻和音頻技術(shù)以及設(shè)計標準設(shè)備驅(qū)動程序框架，它提供了一個統(tǒng)一的圖形硬件接口以及處理輸入設(shè)備和輸入設(shè)備事件的能力。電子地圖數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用了Arc—Node結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)的基本原理是采用“以直代曲”的思想，即在允許的精度范圍內(nèi)，通過加入多個節(jié)點將現(xiàn)實中的真實道路用一系列線段來模擬或近似表示，整個道路網(wǎng)絡(luò)就是由Arc(小段的線段)和Node(Arc的兩個端點)組成，并具有明確的拓撲關(guān)系，可以實現(xiàn)路徑規(guī)劃。本系統(tǒng)實現(xiàn)了北京市四環(huán)以內(nèi)的電子地圖，并實現(xiàn)了地圖瀏覽、地點查詢、路徑規(guī)劃等功能。

(2)導(dǎo)航應(yīng)用程序的設(shè)計

導(dǎo)航應(yīng)用程序包括了對電子地圖的操作、GPS定位、收發(fā)短消息、語音提示、人機接口等功能的實現(xiàn)。在設(shè)計中，根據(jù)VxWorks提供的良好的多任務(wù)特性，將不同的導(dǎo)航功能模塊分給了不同任務(wù)去執(zhí)行，通過任務(wù)間通信機制保證多任務(wù)的同步。其中系統(tǒng)的主任務(wù)負責實現(xiàn)硬件設(shè)備的初始化(如串口、看門狗的配置等)、電子地圖的初始化和首次顯示、發(fā)起子任務(wù)等功能。

主任務(wù)中發(fā)起了四個子任務(wù)，分別負責響應(yīng)用戶的輸入、標準串口的數(shù)據(jù)輸入、ISA總線16C554的數(shù)據(jù)輸入以及實現(xiàn)路徑規(guī)劃算法。

前三個功能獨立出來是因為這些功能的觸發(fā)時間都是不確定的，需要單獨監(jiān)視;最后一個則因為需要較大的運算量。這里只以接收串口數(shù)據(jù)的子任務(wù)為例進行分析。

該任務(wù)需要監(jiān)視兩個串口的信息：GPS數(shù)據(jù)和從語音模塊返回的狀態(tài)信息。VxWorks將I/O系統(tǒng)設(shè)計成為與設(shè)備無關(guān)的接口，因此對串口的操作可以視為對文件的操作。

串口的打開，關(guān)閉和寫操作均比較簡單，而串口的讀操作采用了select函數(shù)，利用其觸發(fā)機制阻塞任務(wù)。有數(shù)據(jù)到來時，任務(wù)才會被激活并從串口讀取數(shù)據(jù)，然后通過任務(wù)間通信機制，通知主任務(wù)進行相應(yīng)的處理，如進行地圖更新、輸出語音提示等操作。

4、結(jié)束語

經(jīng)過實驗，本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運行。該系統(tǒng)展示了其GPS定位和路徑規(guī)劃的功能。本系統(tǒng)功能的實現(xiàn)證明了ETX平臺以及VxWorks操作系統(tǒng)的優(yōu)良性能，表明兩者的結(jié)合具有開發(fā)簡單、性能可靠等優(yōu)點，有著良好的應(yīng)用前景。