1、1嵌入式系統(tǒng)在車載導航領域中的應用引言隨著社會經濟的不斷發(fā)展和交通量的持續(xù)增長，交通擁擠和阻塞現(xiàn)象日益嚴重， 交通污染與交通事故越來越引起社會的普遍關注， 依靠修建更多的道路、擴大路網規(guī)模已無法解決日益增長的交通需求。近年來，嵌入式的應用已經越來越廣，其中，智能運輸系統(tǒng)（ITS） 在提高道路的利用率、道路交通的安全程度和道路的舒適性上發(fā)揮了很大重要的作用， 而車輛導航系統(tǒng)作為智能運輸系統(tǒng)重要組成部分所起的作用更不容忽視。2 車載導航系統(tǒng)車載導航系統(tǒng)通過將導航定位技術、地理信息系統(tǒng)、通訊技術以及嵌入式計算機技術結合在一起， 為汽車用戶提供各種導航、地理信息及其它服務。它實現(xiàn)了野外踏勘、出游旅行的

2、數字化智能導航。它具有準確的地圖、地理信息，清晰的行進路線。它接收GPS所傳送的衛(wèi)星信號, 得到車輛的即時位置，通過GPS 信號處理系統(tǒng)傳送給主機，再配合嵌入式系統(tǒng)上的地理數據庫， 將車輛經過的軌跡顯示在顯示屏上。通過安裝在車上的導航系統(tǒng)，車主可以得到達到目的地得最短路徑或者以最短得事件到達目的地的路徑。如圖一就是一車載導航系統(tǒng)圖。圖一2.1 車載導航系統(tǒng)應用GPS車輛應用系統(tǒng)一般分為兩大類：車輛跟蹤系統(tǒng)和車輛導航系統(tǒng)。它們在功能上截然不同，一種是用于車輛的防盜，一種則是用于車輛的自主導航。由于“只接受，不發(fā)射”信號是GPS是接收系統(tǒng)的一大特點，所以用于防盜的GPS跟蹤系統(tǒng)就是要借助通信網絡以

3、及政府配套系統(tǒng)給GPS車載防盜儀，提供收取使用費用的解決方案。而車載導航儀是通過接受衛(wèi)星信號，配合電子地圖數據，適時掌握自己的方位與目的地，自主導航的模式不收取任何使用費用，用戶可以根據自己的需要有選擇的購買地圖數據。 2.2 車輛導航系統(tǒng)中的GPS定位車輛導航系統(tǒng)主要由控制單元(CPU ),顯示單元、GPS 接收單元組成。GPS是一種以空間衛(wèi)星為基礎的高精度導航定位系統(tǒng)。在地球表面任何地區(qū)，任何時候都可以至少同步接收四顆以上的衛(wèi)星信號。根據接收到的電文即可以解算出當前接收者的三維位置，從而實現(xiàn)全球、全天候、三維速度的信號接收和實時定位。GPS系統(tǒng)有24顆GPS衛(wèi)星，分布在空間6個近地軌道面上

4、。如果地面接收機同時收到4顆以上的衛(wèi)星信號，就能根據衛(wèi)星的精確位置及發(fā)送信號的時刻，通過計算便可求出接收機的三維位置，三維方向以及運動速度和時間信息，并送給控制單元。控制單元對這些信息進行處理，把處理后的位置坐標與存儲在CD-ROM中的電子地圖信息相匹配，便可確定汽車在電子地圖中的準確位置，送顯示單元顯示，幫助駕駛確定車輛的方位，實現(xiàn)導航。同時還可實現(xiàn)路線推薦查詢位置等多種功能。2.3 適合車輛導航系統(tǒng)的GIS建立圖二地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空

5、間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)。GIS條件下的地圖數據庫為車輛定位導航系統(tǒng)提供了一個存放導航信息的可視化載體。它將某些區(qū)域的地圖資料信息存儲在大容量的存儲設備中，根據實際需要自動調出來顯示，并可進行查詢、平移、縮放等操作，這樣就為車輛導航系統(tǒng)提供了車輛位置的直觀、清晰的顯示， 有利于提高導航系統(tǒng)的性能。同時可以擴展功能，實現(xiàn)相關信息的查詢并通過文字或圖像的方式顯示在顯示屏上。與傳統(tǒng)的GIS相比，嵌入式GIS的特點是軟件代碼小、成本低、響應速度快、系統(tǒng)資源開銷低、可靠程度高。嵌入式GIS的基本結構如圖二所示。2.4 汽車自主導航工作過程（1）用戶輸入

6、目的地。在出發(fā)前, 用戶通過系統(tǒng)提供的輸入方法將目的地輸入到導航設備中。 除了在系統(tǒng)顯示的電子地圖上直接點擊選取地點外, 更多時候是輸入目的地, 將目的地名稱，如酒店、醫(yī)院、政府辦公樓等輸入到系統(tǒng)中。根據輸入設 備的不同, 可以有不同的地名輸入方法。對便攜式導航儀比較常見的是先選擇省份，然后是選擇城市，就可以在手寫發(fā)直接在書寫區(qū)輸入需要去的地方的關鍵詞，就能出現(xiàn)帶有關鍵詞的地名。而很多原裝的嵌入式導航儀，地名輸入是通過選擇的方式來找大的地方，是按一級一級的選。（2）行駛路線的計算。汽車導航系統(tǒng)中至關重要的一部分是存儲在光盤或內置存儲器 ( 如硬盤) 中的電子地圖。電子地圖中存儲了一定范圍內的地

7、理與道路和交通管制信息, 與地點對應存儲了相關的經緯度信息。汽車導航主機從 GPS 接收機得到經過計算確定的當前點經緯度, 通過與電子地圖數據的對比, 就可以隨時確定車輛當前所在的地點。推薦的路線將以特殊的方式顯示在屏幕上的地圖中, 同時屏幕上也時刻顯示出車輛的當前位置, 以提供參考。 一般汽車導航系統(tǒng)將車輛當前位置默認為出發(fā)點, 在用戶輸入了目的地之后, 導航系統(tǒng)根據電子地圖上存儲的地圖信息, 就可以自動計算出一條最合適的推薦路線。在有的系統(tǒng)中, 用戶還可以指定途中希望經過的途徑點, 或者指定一定的路線選擇規(guī)則 ( 如不允許經過高速公路、按照行駛路線最短的原則等) 。如果行駛過程中車輛偏離了

8、推薦的路線, 系統(tǒng)會自動刪除原有路線并以車輛當前點為出發(fā)點重新計算路線, 并將修正后的路線作為新的推薦路線。（3）行駛中的導航。如果導航系統(tǒng)的處理結果不能以合適的方式表現(xiàn)出來, 那么汽車導航也就只是一個有趣而無用的擺設而已。在車輛行駛過程中, 駕駛員必須全神貫注于駕駛, 而不能經常去查看顯示屏幕, 因此, 一個實用而人性化的車輛自動導航系統(tǒng)應該利用語音輸出,在必要的時刻向駕駛員提供提示信息。比如, 車輛按照系統(tǒng)推薦路線行駛到應該轉彎的路口前, 語音輸出設備會提示駕駛員: 300 m 后請向左轉 。這樣, 駕駛員根本不必關注屏幕的顯示, 也可以按照推薦路線正確快捷地到達目的地。2.5 車載導航系

9、統(tǒng)的功能（1）導航功能使用者在車載GPS導航系統(tǒng)上任意標注兩點后，導航系統(tǒng)便會自動根據當前的位置，為車主設計最佳路線。另外，它還有修改功能，假如用戶因為不小心錯過路口，沒有走車載GPS導航系統(tǒng)推薦的最佳線路，車輛位置偏離最佳線路軌跡200米以上，車載GPS導航系統(tǒng)會根據車輛所處的新位置，重新為用戶設計一條回到主航線路線，或是為用戶設計一條從性位置到終點的最佳線路。 （2）轉向語音提示功能車輛只要遇到前方路口或者轉彎，車載GPS語音系統(tǒng)提示用戶轉向等語音提示。這樣可以避免車主走彎路。它能夠提供全程語音提示，駕車者無需觀察起顯示界面就能實現(xiàn)導航的全過程，使得行車更加安全舒適 （3）增加興趣點功能由

10、于中國大部分城市都處于建設階段，隨時隨地都有可能冒出新的建筑物，由此，電子地圖的更新也成為眾多消費者關心的問題。因此遇到一些電子地圖上沒有的目標點，只要你感興趣或者認為有必要，可將該點或者新路線增加到地圖上。這些新增的興趣點，與地圖上原有的任何一個點一樣，均可套用進電子地圖查閱等功能。 （4）定位GPS通過接收衛(wèi)星信號，可以準確地定出其所在的位置，位置誤差小于10米。如果機器里帶地圖的話，就可以在地圖上相應的位置用一個記號標記出來。同時，GPS還可以取代傳統(tǒng)的指南針，顯示方向，取代傳統(tǒng)的高度計，顯示海拔高度等信息。 （5）測速通過GPS對衛(wèi)星信號的接收計算，可以測算出行駛的具體速度，比一般的里

11、程表準確很多。 （6）顯示航跡如果去一個陌生的地方，去的時候有人帶路，回來時怎么辦？不用擔心，GPS帶有航跡記錄功能，可以 記錄下用戶您車輛行駛經過的路線，小于10米的精度，甚至能顯示兩個車道的區(qū)別。回來時，用戶可以啟動它的返程功能，讓它領著你順著來時的路線順利回家。3 嵌入式技術3.1 嵌入式技術概述嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成。 用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。最典型的特點是與人們的日常

12、生活緊密相關, 任何一個普通人都可能擁有各類形形色色運用嵌入式技術的電子產品；小到MP3、PDA等微型數字化設備；大到信息家電智能電器車載GIS各種新型嵌入式設備, 在數量上已經遠遠超過了通用計算機。車載電腦也屬于嵌入式系統(tǒng)。3.2 嵌入式系統(tǒng)的體系結構嵌入式操作系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和 I/O 端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)(要求實時和多任務操作) 和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為； 而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用。3.3 嵌入式操作系統(tǒng)和軟件從上世紀八十年代開

13、始，開始出現(xiàn)各種各樣的商業(yè)用嵌入式操作系統(tǒng)，這些操作系統(tǒng)大部分都是為專有系統(tǒng)而開發(fā)，從而形成了現(xiàn)在多種形式的商用嵌入式操作系統(tǒng)百家爭鳴的局面。如VxWorks、Window CE和pSOS等等。現(xiàn)在市場上和開發(fā)商經常使用的嵌入式操作系統(tǒng)和軟件有：RT linux、Time Sys Linux、Windows CE、Windows CE.NET、Window NT Embedded以及Windows XP Eebedded。開發(fā)人員可根據不同的需求，選擇不同的操作系統(tǒng)。目前，車載導航系統(tǒng)中經常用到RT Linux和Windows CE。3.4 嵌入式系統(tǒng)的軟件在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，嵌入式軟件是實

14、現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的關鍵。不同應用對嵌入式軟件系統(tǒng)有不同的要求，嵌入式系統(tǒng)中的軟件，一般都固化在只讀存儲器中，而不是以磁盤為載體，可以隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應用軟件生命周期也和嵌入式產品一樣長。通常，應用系統(tǒng)對嵌入式軟件的基本要求是體積小、執(zhí)行速度快、具有較好的可裁剪性和可移植性。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應用的多樣性，對嵌入式軟件的要求也發(fā)生了以下變化：（1）需要操作系統(tǒng)的支持嵌入式系統(tǒng)覆蓋面很廣，從很簡單到復雜度很高的系統(tǒng)都有，這主要是由具體應用要求決定的。簡單的嵌入式系統(tǒng)根本沒有操作系統(tǒng)，而只是一個控制循環(huán)。但是，當系統(tǒng)變得越來越復雜時，就需要一個嵌入式操作系統(tǒng)來支持，否則，應用軟件就會變得

15、過于復雜，使開發(fā)難度過大，安全性和可靠性都難于保證。（2）支持多任務并具有實時性在多任務嵌入式系統(tǒng)中，合理的任務調度必不可少，單純通過提高處理器速度是無法達到目的，這樣就要求嵌入式系統(tǒng)的軟件必須具有多任務調度能力。現(xiàn)在，多任務實時操作系統(tǒng)在這一領域的地位顯得越來越重要。（3）強大的聯(lián)網功能大部分傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)都是孤立的，但在網絡日益重要的今天，越來越多的嵌入式系統(tǒng)有了聯(lián)網的要求。嵌入式系統(tǒng)與各種網絡相連，尤其是與因特網的連接，給系統(tǒng)提出了很多新的要求，系統(tǒng)需要支持TCPIP協(xié)議和相關實用程序，并且需要處理安全認證和訪問控制問題。這些要求使系統(tǒng)變得更加復雜，需要更多的計算資源。這時就需要具

16、有網絡功能的嵌入式操作系統(tǒng)的支持。3.5嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)圖三嵌入式系統(tǒng)是一種根據特定用途所開發(fā)的專用系統(tǒng)，它只完成預期要完成的功能，因此其開發(fā)過程和開發(fā)環(huán)境同傳統(tǒng)的軟件開發(fā)相比有著顯著的不同。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個過程如圖三所示。目標平臺上可以運行的二進制碼格式，最后再下載到目標平臺上的特定位置上運行。需要交叉開發(fā)環(huán)境(CrossDevelopmentEnvironment)的支持是嵌入式應用軟開發(fā)時的一個顯著特點。交叉開發(fā)環(huán)境是指編譯、鏈接和調試嵌入式應用軟件環(huán)境，它與運行嵌入式應用軟件的環(huán)境有所不同，通常采用宿主機/目標模式。 建立交又開發(fā)環(huán)境是進行嵌入式軟件開發(fā)的第一步，目前常用的交叉開發(fā)

17、環(huán)主要有開放和商業(yè)兩種類型。開放的交叉開發(fā)環(huán)境的典型代表是GNU工具鏈、目前已經能夠支持x86、ARM、MIPS、PowerPC等多種處理器。4 嵌入式系統(tǒng)在導航系統(tǒng)中的應用車載終端是智能交通系統(tǒng)中關鍵的一環(huán)，車輛的所有信息都必須通過車載終端得到，而且車載終端還必須具備一定的處理能力，以便能夠對搜集到的信息進行必要的處理，最后車載終端要能夠接收并處理監(jiān)控中心發(fā)出的命令。基于對車載信息終端的以上需求, 我們得出了車載信息終端必須具備的功能:(1) 對車輛位置信息進行采集，采集的方法可以使用GPS，慣性導航設備(IMU)等。(2) 對位置信息數據能夠進行必要的處理。(3) 必須具備可靠的通信能力。

18、(4) 終端要具備一定的通用性。(5) 在高端應用場合， 需要能夠支持顯示功能，如LCD顯示屏等。(6) 要實現(xiàn)上述的功能就必須要求終端上運行多個任務，只有運行操作系統(tǒng)才能支持多個任務的同時運行。總結以上功能需求可以得出下述結論，車載終端必須是：適應大容量、大范圍要求具備全天候工作能力；定位精度盡可能高；具備高可靠性、準實時的通信能力；具備豐富的接口；具備強大的信息處理能力；低成本；能夠迅速實現(xiàn)產業(yè)化。所以，車載導航因其特殊的應用場合，決定了它的實現(xiàn)只能采用嵌入式系統(tǒng)。只有嵌入式系統(tǒng)能滿足車載臺的高移動性，極低功耗，輕便性，以及某些場合的隱蔽性要求。5 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇在選擇操作系統(tǒng)時，需要考慮到操作系統(tǒng)的目標和功能。（1）目標方便：操作系統(tǒng)要能夠使計算機更易于使用；有效：操作系統(tǒng)允許以更有效的方式使用計算機系統(tǒng)資源；擴展的能力：在構造操作系統(tǒng)時，應該允許在不妨礙服務的前提下有效地開發(fā)、測試和引進新的系統(tǒng)功能。（2）功能操作系統(tǒng)是用戶和計算機的接口：能夠提供程序開發(fā)、程序接口。嵌入式開發(fā)GPS車載導航定位系統(tǒng)兩個