基于ARM處理器的GPS導航系統(tǒng)設計報告

1、基于ARM處理器的GPS導航系統(tǒng)設計報告隨著我國經濟水平的快速發(fā)展，汽車行業(yè)也蓬勃發(fā)展起來。汽車的增長速度遠遠超過公路的增長速度，汽車擁有量的急劇增加和城市現代化交通建設的相對滯后導致城市交通情況不斷惡化。同時，現代物流對運輸車輛和貨物安全與準時調運的要求、公交與出租車的運營管理、大型的企事業(yè)單位日常車輛管理也都對車輛的監(jiān)控與導航有迫切的需求。面且隨著旅游行業(yè)的發(fā)展，人們急需要一種可以隨時隨地知道自己方位和目的地的方便設備。GPS(全球定位系統(tǒng))具有全球、全天候工作，定位精度高，功能多，應用廣的特點，通過GPS接收機可以實現精確的自主定位，這為實現車輛的定位和導航奠定了基礎。伴隨ARM處理器、

2、嵌入式操作系統(tǒng)、路徑優(yōu)化控制算法和GPS網絡的成熟，車輛定位導航系統(tǒng)有了新的發(fā)展，可以在短時間內實現定位和最優(yōu)路徑導航。本項目在信息系統(tǒng)終端的設計中采用了ARM處理器和嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II作為開發(fā)平臺，通過采用ARM處理器可達到最大為60MHz的CPU操作頻率，使得數據處理能力大大加強，同時，基于嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II開發(fā)設計的軟件具備了很強的擴展性和穩(wěn)定性。1. 功能簡介該嵌入式GPS導航系統(tǒng)由GPS系統(tǒng)獲得當時所在的位置的經緯度，通過換算和地圖匹配在地圖上得到當時的實際位置，然后由用戶輸入目的地，通過A*最短路徑算法計算最短路徑并在矢量地圖上顯示，同時提取GPS提供的速度

3、，時間等信息顯示在屏幕上。2. 硬件實現本嵌入式GPS導航系統(tǒng)的硬件核心是意法半導體ARM7系列中的16/32位RISC處理器STR710FZ2T6芯片，該芯片強大的實時處理能力和豐富的外圍接口非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，本系統(tǒng)正是基于該芯片的這些特點面設計的。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以STR710FZ2T6微處理器為核心，與2片512KB的SDRAM(IS61LV25616)、一片8MB的NAND Flash和一片2MB NOR FLASH（SST39LF160）組成。外部添加了用于接收GPS信號的GPS模塊，用于顯示的液晶面板以及鍵盤輸入模塊。圖1 硬件框圖3.1 軟件數據設計導航軟件中的數

4、據主要是導航地圖的空間數據,主要由與導航需求相關的一些信息組成，包括道路網幾何形狀、道路等級、道路特征、交規(guī)限制、地理政治邊界、感興趣的點、路標和服務設施等。這些數據主要分為兩大類：道路網數據和非道路網數據。道路網數據包括基本的道路網的地理數據(如道路的地理位置信息)以及道路上與車輛行駛相關的數據(如道路的交規(guī)信息、收費信息、和限速的信息)。道路網數據的主要特征是有較強的拓撲關系。非道路網數據主要包括能反映區(qū)域的基本地理面貌的地物信息(如河流.湖泊.邊界等)以及與出行信息相關的單位信息(如學校、政府機關、醫(yī)院等)。整個導航數據的獲取和錄入可以通過轉換通用的地圖為矢量圖，并且以點代替具體的路面實

5、況。導航軟件是以導航數據庫為數據基礎的。針對導航數據庫的操作行為.從功能上將導航軟件分為具有導航功能的部分和具有瀏覽功能的部分。導航功能部分是在動態(tài)行進過程中進行導航規(guī)劃服務的，可分為導航定位、地圖匹配、路徑規(guī)劃和路徑引導等模塊。主要通過導航界面與用戶實現交互、瀏覽功能主要是在靜態(tài)過程中對導航的地理信息提供瀏覽查詢服務的通過瀏覽界面與用戶實現交互。軟件系統(tǒng)結構如圖2所示。 該方面的設計中主要包括以下4個模塊的設計： (1)導航定位模塊實時地從通信端口讀取數據.然后進行分析處理，得到可以進行地圖匹配的經、緯度數據并將其傳給地圖匹配模塊。 (2)地圖匹配模塊根據導航定位模塊輸入的經緯度在導航數據庫

6、中進行匹配。 (3)路徑規(guī)劃模塊主要是根據用戶指定的出發(fā)地和目的地在導航數據庫中的道路網絡中規(guī)劃出一條最佳路徑。 (4)導航引導模塊將地圖匹配的結果和規(guī)劃好的路徑結合導航地圖數據庫的數據以地圖的方式顯示出來。這樣就可以直觀、無誤地引導用戶行進。3. 2. 2瀏覽功能模塊設計 該方面的設計中主要包括以下2個模塊的設計： (1)地圖瀏覽模塊主要是在瀏覽界面中實現對地圖的縮放、平移等基本瀏覽操作。 (2)地圖查詢模塊主要是根據用戶的要求在導航地圖數據庫中進行查詢操作并通過瀏覽界面顯示出來。3. 3軟件界面設計如前所述，從大的功能上導航軟件分為具有瀏覽功能的部分和具有導航功能的部分。因此在界面方面也設

7、計了兩種不同的界面：瀏覽界面和導航界面。瀏覽界面主要為用戶在查找瀏覽相關地理信息過程中提供交互服務。導航界面主要將當前的位置在導航地圖中顯示出來并在實時定位過程中為用戶提供關于導航服務方面的一些交互提示。要求瀏覽界面和導航界面可以實時地進行切換這樣可以方便地為用戶提供所有的功能。該嵌入式系統(tǒng)采用uC/OSII操作系統(tǒng)，由于MCU的處理功能有限，所以在具體的軟件實現過程中采用多線程技術，如圖3所示。 主控線程主要實現界面功能、導航功能中的地圖匹配和導航引導模塊、瀏覽功能中的地圖瀏覽模塊以及這些模塊間的消息派送、接收和處理，同時協(xié)調各個工作線程異步運行。 導航定位線程主要完成導航定位模塊中的接收當

8、前位置數據(經、緯度)的功能。在導航過程中運行線程，線程處理函數把接收到的經、緯度數據實時通過消息發(fā)到主線程，由主線程調用地圖匹配模塊作處理。 路徑規(guī)劃線程主要完成在道路網中求解最佳路徑的任務。在用戶要求提供最佳路徑時根據用戶的出發(fā)地和目的地求出一條最佳路徑。在最佳路徑求解算法中采用A*算法。地圖數據庫查詢線程主要完成對導航地圖數據庫的查詢功能，根據用戶要求生成線程.完成對相關地理信息的查詢。軟件的導航功能由主控線程控制實現.其基本實現流程如下(可見圖4)(1)運行導航定位線程從輸入口讀取GPS人線接收到的當前位置的經緯度坐標值。(2)將經緯度坐標轉換到屏幕的像素坐標。(3)根據當前位置結合導

9、航地圖進行匹配處理，把當前位置信息匹配到地圖上。(4)顯示并實時刷新導航地圖和當前位置。(5)是否求解最佳路徑，若是，則執(zhí)行下面的第(6)條;否則執(zhí)行前而的第(4)條。(6)在導航數據庫中選擇起始和終止位置,運行路徑規(guī)劃線程在道路網數據中解算出最佳路徑并顯示到地圖上。GPS板只要處于工作狀態(tài)就會源源不斷地把接收并計算出的GPS導航定位信息通過串口傳送到嵌入式系統(tǒng)中。由于從串口接收的數據幀是一長串ASCII碼字節(jié)流，在沒有經過分類提取之前是無法加以利用的。因此，必須通過程序將各個字段的信息從接收到的字節(jié)流中提取出來，將其轉化成有實際意義的，可供高層決策使用的定位信息數據。對GPS信息進行提取必須

10、首先明確其幀結構，數據幀主要由幀頭、幀尾和幀內數據組成。對于不同的數據幀，其幀頭是不同的，主要有“$GPGGA”、 “$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC等。這些幀頭標識了后續(xù)幀內數據的組成和結構特點。各幀均以回車符和換行符作為幀尾，標識一幀的結束。對數據幀處理，是先對幀頭進行判斷，然后只對感興趣的幀進行數據的提取處理。由于幀內各數據段被逗號分割，因此在處理接收數據時一般是首先通過搜尋ASCII碼“$”來判斷是否是幀頭，接著對幀頭的類別進行識別，然后再根據識別出來的幀類型以及逗號，個數來確定當前正在讀取的是哪個定位導航參數，并作出相應的提取和存儲。流程圖如圖5所示。通過GPS和人

11、工輸入接收到的數據，經過MCU的處理，在地圖上用醒目的顏色顯示出來流程圖如下：在導航定位系統(tǒng)中GPS系統(tǒng)是口前世界上應用得最為廣泛的，其功能作用已廣為人所接受，加之GPS的接收模塊的種類也很多，選擇余地很大，可根據系統(tǒng)要求的精度、體積、定時標準加以選擇。而且，隨著美國取消了其SA政策，提高了輸出導航電文的定位精度，使得GPS信號在被接收后不需經過GPS差分站的差分處理，其定位精度也能至少小于15米，這對于大多數民用系統(tǒng)是完全足夠的。而且，GPS是一個全天候的系統(tǒng)，極少有工作盲區(qū)，除非在有著較為嚴重的空間遮擋的情況下，一般GPS天線都可以較為順利的接收到GPS信號。同時，國內外相關行業(yè)的產品己大量運用該技術，因此，將GPS定位系統(tǒng)應用于本導航系統(tǒng)不僅具有很高的可行性，