1、引言

隨著中國(guó)的城市化的程度不斷加快，使得越來(lái)越多的人口與事業(yè)單位集中在一個(gè)“狹小”范圍內(nèi)生活與工作。城市的迅速“膨脹”直接導(dǎo)致了交通網(wǎng)絡(luò)的日趨復(fù)雜，人員流動(dòng)的日益頻繁也使得每個(gè)人對(duì)空間信息有了更多的依賴(lài)。人們更加關(guān)心“當(dāng)前我在哪里？”“目的地在哪里？”“如何到達(dá)？”等問(wèn)題。而以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)的數(shù)字地理集成應(yīng)用方案可以有效地解決這些矛盾。在此背景下，本文給出了基于ARM的嵌入式解決方案。

2、硬件實(shí)現(xiàn)

本嵌入式GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件核心是三星公司ARM9系列中的16/32位RISC處理器S3C2410A芯片，該芯片強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力和豐富的外圍接口非常適合嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，本系統(tǒng)正是基于該芯片的這些特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)以S3C2410A微處理器為核心，與2片32M的SDRAM（HY57V561620CT）和一片64M的NAND Flash（K9F1208U0B）組成了最小系統(tǒng)。外部添加了用于接收GPS信號(hào)的GPS模塊，用于顯示的液晶面板以及一片UDA1341TS的聲音芯片。此外，為了調(diào)試的方便，我們還增加了一片CS8900A的10M網(wǎng)卡芯片。

圖１　　系統(tǒng)框圖

3、系統(tǒng)平臺(tái)的建立

系統(tǒng)平臺(tái)的建立主要包括兩部分，即宿主機(jī)（PC機(jī)）上操作系統(tǒng)的選擇和交叉編譯器工具鏈的建立。

PC機(jī)上的操作系統(tǒng)可以有多種選擇：安裝Linux發(fā)行版、在Windows下使用虛擬機(jī)或者使用Cygwin。由于現(xiàn)今Microsoft Windows統(tǒng)領(lǐng)著全球超過(guò)半數(shù)的PC機(jī)（在中國(guó)Windows占據(jù)近90%的份額），許多開(kāi)發(fā)者開(kāi)始使用虛擬機(jī)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)在Windows平臺(tái)下進(jìn)行嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)，但這些方法都會(huì)或多或少地帶來(lái)些兼容性問(wèn)題。開(kāi)發(fā)嵌入式Linux最好的選擇便是在PC機(jī)上安裝Linux發(fā)行版，因?yàn)檫@樣與Windows毫無(wú)關(guān)聯(lián)，可占有系統(tǒng)全部資源，擁有系統(tǒng)最高性能和最佳的兼容性。

在建立交叉編譯器工具鏈方面必須注意一點(diǎn)的便是C運(yùn)行庫(kù)的選擇。現(xiàn)在可供選擇的C運(yùn)行庫(kù)有g(shù)libc， uClibc以及newlib等。glibc是由GNU項(xiàng)目提供的標(biāo)準(zhǔn)C運(yùn)行庫(kù)，它針對(duì)PC應(yīng)用設(shè)計(jì)，較龐大，但能提供最優(yōu)的兼容性。如果一般的嵌入式開(kāi)發(fā)可選用uClibc。uClibc原本是uCLinux開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)C語(yǔ)言庫(kù)，現(xiàn)已經(jīng)獨(dú)立于uCLinux項(xiàng)目并且進(jìn)一步完善。它對(duì)glibc的大部分函數(shù)進(jìn)行了重寫(xiě)，并且目標(biāo)就定位于嵌入式，所以其相對(duì)glibc而言要小巧很多。此外由于它的函數(shù)與glibc保持一致，這樣很多原本基于glibc開(kāi)發(fā)的軟件基本無(wú)需改動(dòng)便可改用uClibc編譯運(yùn)行，使得在嵌入式系統(tǒng)上占用的內(nèi)存和磁盤(pán)空間更少。但由于畢竟不是標(biāo)準(zhǔn)的C運(yùn)行庫(kù)，因此uClibc擁有著一定的兼容性問(wèn)題。

本系統(tǒng)選用了Fedora Core 5作為宿主機(jī)（PC機(jī)）的操作系統(tǒng)以及分別使用buildroot和crosstool建立兩條采用不同的C運(yùn)行庫(kù)的交叉編譯器工具鏈。由于我們系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要使用U-Boot的TFTP功能下載Linux內(nèi)核以及Linux的NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，所以首先需要對(duì)Fedora Core 5設(shè)置TFTP以及NFS，而后需要設(shè)置一個(gè)串口通信軟件與開(kāi)發(fā)板互動(dòng)，本系統(tǒng)選擇了Kermit。

使用兩條采用不同C運(yùn)行庫(kù)的交叉編譯器工具鏈的主要原因在于，我們的導(dǎo)航應(yīng)用程序使用uClibc有兼容性問(wèn)題，所以不得不采用glibc。而為了減少占用資源，我們U-Boot、Linux內(nèi)核和Busybox仍然采用的是uClibc。

本課題主要環(huán)境設(shè)置如下：

4、應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)

在系統(tǒng)平臺(tái)建立之后，Linux操作系統(tǒng)提供了底層的操作，包括文件系統(tǒng)的管理、內(nèi)存分配以及基本flash的燒錄讀取，但并沒(méi)有提供友好的顯示界面。同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的顯示和導(dǎo)航，就需要在操作系統(tǒng)上放入圖形用戶(hù)界面支持系統(tǒng)和地理信息開(kāi)發(fā)平臺(tái)。為此我們分別選擇了MiniGUI和mGIS。

圖3是應(yīng)用軟件的流程圖

整個(gè)軟件系統(tǒng)依靠響應(yīng)不同窗口或者控件發(fā)出的事件，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。通過(guò)主窗口建立后注冊(cè)mGIS控件，可以較為方便的實(shí)現(xiàn)一些常用的地圖操作。主窗口建立后，將會(huì)創(chuàng)建許多用于子窗口，包括用于顯示經(jīng)緯度信息，時(shí)間。速度的靜態(tài)框，用于實(shí)現(xiàn)快速便捷操作的工具欄，用于實(shí)現(xiàn)GPS功能關(guān)閉和地圖數(shù)據(jù)加載的菜單欄。

圖4 GPS接收模塊流程圖

5、總結(jié)和展望

“Find My Way”（完成項(xiàng)目的名稱(chēng)）嵌入式移動(dòng)地圖導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過(guò)最初設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用檢驗(yàn)，已經(jīng)具備基本的功能，可初步滿(mǎn)足個(gè)人移動(dòng)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的需求。能完成數(shù)字地圖的加載、縮放、拖動(dòng)、搜索、簡(jiǎn)易導(dǎo)航、測(cè)距、GPS功能開(kāi)閉等功能。同時(shí)我們也摸索出了一整套較為可行的矢量地圖的制作方法，能依據(jù)使用的場(chǎng)合不同，較快速的完成地圖數(shù)據(jù)源的制作及相關(guān)信息的添加，有一定的擴(kuò)展能力。當(dāng)然由于時(shí)間和能力的有限，這款產(chǎn)品也有其一定的不足，值得進(jìn)一步的深入研究，例如：在打開(kāi)GPS接收模塊之后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度將有顯著的下降，雖然已經(jīng)對(duì)Linux核心和編譯器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，但情況并沒(méi)有顯著的改善。問(wèn)題可能在硬件平臺(tái)的處理速度和可調(diào)用的資源有限，也有可能在軟件接收上的程序結(jié)構(gòu)不合理，嵌套過(guò)多。GPS接收信號(hào)有時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)接收的不穩(wěn)定，出現(xiàn)信號(hào)的偏移，超過(guò)標(biāo)稱(chēng)的誤差值。問(wèn)題可能在開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)電路中對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)線的排版上，沒(méi)有使信號(hào)線等距，也沒(méi)有設(shè)置合理的信號(hào)隔離和保護(hù)帶，導(dǎo)致最終出現(xiàn)了不應(yīng)有的誤差。但從軟件上著手，如何糾正這樣的誤差也是值得研究的一個(gè)方向。在本課題中只實(shí)現(xiàn)了固定點(diǎn)的導(dǎo)航，并不能完成從任意點(diǎn)至任意點(diǎn)的導(dǎo)航。導(dǎo)航功能可以從軟件方面繼續(xù)深入的研究，包括對(duì)地圖格式的選擇等。這些都是將來(lái)值得完善之處。

圖５　硬件平臺(tái)

圖６　最終效果圖

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