嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用.docx

1、嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用2017届结课论文嵌入式系统原理及应用 学生姓名 学 号 所属学院 专 业 计算机科学与技术 班 级 塔里木大学教务处制嵌入式系统在车辆导航监控系统中的应用摘 要嵌入式系统(Embedded System)是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，它的定义是：“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低

2、比较成本的专用计算机系统。嵌入式GIS系统是目前GPS定位系统应用的一个热点，发展十分迅速。尽管它的发展历史不长，但是己经引起各方面的广泛关注，有着巨大的市场潜力。以嵌入式GIS系统为核心的智能交通系统(ITS)可以广泛应用于交通调度管理，车辆防盗，物流运输等方面，可以大大提高交通使用率，缓解道路交通拥挤的难题，为国家节约资源，为企业降低成本。关键词：嵌入式系统 微处理器 计算机系统 嵌入式GIS系统 1. 嵌入式系统的发展领域1工业控制：基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途

3、径，如工业过程控制、电力系统、电网安全、石油化工系统。2交通管理：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。3信息家电：这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。4家庭智能管理系统：水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专

4、用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。5POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活。6. 环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道

5、理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。2.嵌入式系统在车辆导航监控系统中的发展现在我国的车辆导航监控系统主要是建立在GPS/GSM/GPR/CDMA技术整合与运用的基础上，这种科学的管理手段必然会在将来在各个地方各个领域得到广泛的运用。近年来GPS的行业应用快速发展，呈现出与业务结合、多样化发展的特征。车辆导航监控系统方面的研发，为提高各运输企业运营管理效率提供了强有力的保障。主要对车辆导航监控系统中车载终端硬件平台搭建，软件开发环境搭建，车载终端与监控中心通信，车载终端客户端与监

6、控中心服务器应用程序等进行了设计和阐述，实现了车辆导航监控系统的基本功能。 车辆导航监控系统设计由基于嵌入式车载导航终端设计和监控中心上位机平台设计两大部分组成。嵌入式车载导航终端完成的主要功能包括:通过GPS模块接收卫星信号;对接收到的卫星信号进行处理实现车辆的实时定位;通过运行相应的地图软件对车辆进行导航;通过GPRS无线通讯模块向监控中心上位机发送车辆实时信息;接收上位机下传的管理信息，实现接打电话收发短信的功能。监控中心上位机平台主要功能包括:接收嵌入式车载导航终端上传的车辆信息;对相关车辆的位置信息实时显示;对相关车辆进行实时监测和管理;通过数据库对重要信息进行存储。3. 系统的总体

7、方案3.1相关技术介绍(1) GPS技术GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。空间卫星部分:在飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号形成电路适时地发送给广大用户。地面控制部分:由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。主要用来测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，即卫

8、星所提供的广播星历。用户接收部分:GPS接收机的基本构成如图1所示。它主要由天线单元和接收单元两部分组成。主要是用来接收GPS信号，并对其进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS主要特点全球覆盖连续导航定位。由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时定位需要。实时定位速度快。利用GPS技术一次定位和测速工作在一秒至数秒内便可完成，现在最快的GPS接收机一次定位时为半秒钟。抗干扰性好、保密性强。由于GPS系统采用了伪随机噪声码技术，因而GPS卫星所发送的

9、信号具有良好的抗干扰性和保密性。功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。图1 GPS接收机的基本构成GPS定位原理GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。(2) GIS技术地理信息系统(Geographical Information System，简称GIS)，是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究技术，是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来多种学科交叉的产物。地理信息系统(GIS)就是一种利用计算机对有关地理、空间位置的数据信息进行存储、处理

10、、查询和显示的计算机支持系统。以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息;由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。(3) GPRS技术因为车载终端不可能利用有线方式与外界进行通信，必须要使用一种便捷的方式，而GPRS是目前阶段解决移动通信信息服务的一种较完美方案。GPRS简介GPRS(General Packet Radio Service)为通用分组无线业务的简称，是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。是

11、一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道，实现数据终端的高速、远程接入。作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术(2.5G)，目前通过升级GSM网络实现，采用TDMA方式传输话音，采用分组方式传输数据GPRS系统结构GPRS的系统结构如图2所示。它是在GSM基础上引入三个关键组件组成:SGSN(服务GPRS支持节点)、GGSN(网关GPRS支持节点)和PCU(分组控制单元)。GSN是GPRS骨干无线接入网的接口，它将分组交换到正确的基站子系统(BSS)其任务包括提供对移动台的加密、认证、会话管理、移动管理和逻辑链路管理，它也提

12、供到HLU等数据的连接。图2 GPRS系统结构GGSN是外部分组数据网或分组交换数据网与GPRS核心网之间的网关节点，如果外部网络IP网，GPRS可以看成一个普通的IP路由器，它服务于移动台的所有IP地址，该节点可以包括防火墙和分组过滤机制，另外，GGSN根据移动台的位置，为其指定一个SGSN的接口。3.2系统的组成可视化实时监控系统由车载监控终端、无线通信网络、监控中心三部分组成。系统组成结构如图3所示。(1)车载监控终端车载监控终端是整个系统的核心，主要分布在各个执法车辆上，提供给用户一个简单的操作界面，以便进行电子地图显示、地理信息查询、实时位置显示、最优路径选择等。同时负责接收GPS卫

13、星定位信息并解算出车辆的位置、速度等信息;采集有关车辆状态信息、报警信息的数据，并把这些数据通过GPRS无线网络，按照通信协议，传送到监控中心;接收并执行来自监控中心的命令等;同时还应具有防盗、报警、远程控制等功能。 图3系统组成结构(2)无线通信网络无线通信网络是连接车载终端与监控中心的纽带，是组成整个系统的关键。为了能保证系统数据传输的准确和通信系统覆盖范围的广泛，并考虑到城市电磁环境的影响，本系统采用了GPRS无线网络传输数据。(3)监控中心监控中心由监控计算机和监控软件组成。监控中心平台是以电子地图为基础对数据库的监视和控制的操作平台，具有很方便的信息数据库和电子地图操作功能。监控计算

14、机是一台具有固定IP地址的主机，可接入Internet等外部数据网。监控中心接收车载终端上传的车辆位置、状态等信息，进行相应数据转换处理后，与监控计算机系统上的GIS电子地图进行匹配，并根据需要在电子地图上实时显示车辆位置、状态等信息。3.3车载监控终端车载终端主要分为硬件与软件两大部分，其结构如图4所示。 图4车载终端结构3.3.1硬件部分功能(1)车载计算机:是车载终端的核心部件，主要负责与GPS模块、GPRS模块的通信，提供人机交互的接口LCD显示屏及触摸屏，同时支撑嵌入式操作系统所需的底层硬件资源和相关的硬件部件。(2) GPS模块:主要接收GPS定位导航信息，提供车辆的位置、速度、时

15、间等信息。(3) GPRS模块:主要负责与监控中心的通信。(4) LCD显示屏及触摸屏:主要是提供人机交互的平台，通过LCD显示屏提供给用户一个简单的友好的界面，触摸屏负责给计算机提供用户的输入命令等。3.3.2软件部分功能(1)嵌入式操作系统:主要用于对终端的硬件资源进行统一管理及调度，为系统的应用软件提供一个良好的开发环境;为嵌入式地理信息系统(Embedded GIS)提供一个软件平台:提高系统的开发效率。(2)地理信息系统:包含以规定的标准化格式存储的电子地图以及与地图有关的信息数据，能够提供地图与信息数据的查询、显示、浏览等服务，支持应用程序的调用。(3)操作界面:是用户与终端的人机

16、交互接口，用于接受用户的操作指令，把电子地图、定位信息、行驶路线等以直观的显示给用户，并能在电子地图上实时提供车辆的位置。(4)路径规划:即按一定的条件(如最短行车距离或时间)快速生成从出发点到目的地的最佳行车路线供驾驶员参考。如果能获取实时的交通信息，还能对行驶的路线作及时调整以适应当前交通状况。(5)定位导航:利用电子地图中的道路信息数据对GPS原始的定位数据进行自动修正，将车辆位置匹配到合适的道路上，同时将匹配的结果显示到电子地图。(6)信息查询:对用户感兴趣的目标查询，并将查询的结果以醒目的方式显示出来。4. 系统软件组成4. 1 Windows CE开发环境的建立(1)宿主机硬件平台

17、嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各种具体应用相结合的产物，是不断创新的新型集成知识系统。由于嵌入式系统资源受限，嵌入式系统的开发一般采用宿主机/目标机模式，经交叉编译生成目标平台上可运行的二进制文件，最后下载到目标平台运行。在进行嵌入式开发前，首先应建立和配置好交叉开发环境。配置和调试Windows CE需要一台高性能开发工作站和一台目标调试设备。(2) Microsoft Platform Builder简介Microsoft Platform Builder(以下简称PB)是微软的一个定制基于Windows CE.net操作系统的嵌入式平台的集成开发环境，如图4.2所

18、示。它提供了供开发人员快速建立基于Windows CE.net的嵌入式系统所需的各种工具。它运行在桌面Windows下，开发人员可以通过交互式的环境来设计和定制内核、选择系统特性，然后进行编译和调试。同时，开发人员可以利用PB来进行驱动程序开发和应用程序项目的开发等。与其他微软开发工具相似，它包含工作空间(Workspace)，特性目录区(Catalog)，调试窗口价ebug Window)和程序编辑窗口(Edit Window)。在工作空间可以查看所定制Windows CE操作系统所包含的组件，在这里可以为项目添加所需的组件;在编辑窗口可以修改或者编写相应的程序，调试窗口可以反馈调试过程或编

19、译过程中的信息。4. 2 Windows CE平台的定制移植Windows CE操作系统是基于组件模型的，它由一些基本的操作系统函数和可选函数组成。基本函数应该适合每一个使用Windows CE操作系统的硬件，可选函数则可以依据硬件条件进行选择搭建基于Windows CE操作系统的平台需要完成以下主要工作:导入和硬件平台相关的.cec文件;利用标准开发向导，根据Windows CE的架构创建一个平台;为特定的目标设备创建一个自引导程序和板级支持包(Board Suport Package);加入BSP文件编译操作系统镜像文件，通过以太网将镜像文件下载到目标设备，并调试平台;平台搭建并调试成功，

20、为平台应用程序开发者导出软件开发工具包(SD殉。使用PB集成开发环境搭建Windows CE操作系统的平台的过程如图6所示。 图6定制Windows CE操作系统的过程4.2.1平台配置包括两部分:系统配置和平台BSP配置，即选择操作系统的基本配置。并为特定的平台选择相应的微处理器和板级支持包BSP(Board Support Packet)，导入和硬件平台相关的.cec文件。Windows CE.net操作系统核心代码。sdk下按照平台体系结构存放各种开发工具，例如编译器等。others的内容包括MFC, ATL的共享代码、库文件及.net的共享库等。这一步如果要深入，还有很多细节工作要做。

21、大体上需要在public目录生成自己的操作系统配置包、platform目录中生成自己的平台硬件目录，当然可以先拷贝Microsoft提供的样板，然后进行修改。4.2.2 修改平台这一步充分体现了Windows CE的模块化特征。如图4.3所示，该步的工作主要包括开发驱动程序、创建或添加用户特性以及修改配置文件。在PB中，定制平台系统的构成以模块的方式进行管理，包括驱动程序，用户可以从开发机已安装的模块集中添加所需的模块，模块集以CEC文件的形式存在。PB集成开发环境的两个工作区:workspace和catalog，分别以直观的方式显示开发人员已经选定的特性列表和操作系统可选特性的一个集合。该步

22、骤需要修改的配置文件包括:bib文件、reg文件、dat文件、db文件，它们都可以用文本编辑器访问。若主文件名为Common，表示是通用配置文件，若主文件名为Platform，表示是某一个BSP的配置文件，若主文件名是Project，表示是所定制平台的配置文件。修改配置文件可裁减优化WinCE，用户根据需要创建自己的配置文件。bib文件定义了包含在内核镜像中的文件和模块的名称、加载位置，主要的bib文件有Common.bib, Config.bib, , Platform.bib等。reg注册表文件建立操作系统映象的注册表入口，注册表存储了包括应用程序信息、设备驱动程序的配置、系统配置信息和用

23、户参数等。Platform.reg配置与平台有关的注册表信息，如设备驱动程序入口，Project.reg设置与工程有关的注册表项。db文件是WinCE提供内置的轻量级数据库管理文件，其属性数据库由一张记录表组成，每个记录包含不同的属性信息:标志属性的ID号、类型和值。使用ADOCE可以容易的访问属性数据库，还可使用SQL语句查询信息。dat文件中安排了最终操作系统中文件系统的目录结构，它定义了目录和指定文件位置，当冷启动CE时，filesys.exe用这些数据创建目录、快捷方式。4.2.3 生成操作系统镜像当前两步准备就绪后，就可以生成操作系统镜像文件，然后下载到目标机。下载可以通过串口、并口

24、或网线，具体可以设置PB开发环境和目标机。当开发机PB环境中己准备下载操作系统镜像，目标机启动程序就可以将该镜像下载到目标机。本文采用网线进行下载。下载完毕，如果正常的话，PB中设置的远程服务也会启动起来，如:TargetControl (CES均、Target Messages (CETerm), Debugger和Data Visualization Tools等。此时，PB中就可以控制目标机中运行的系统，查看、启动或关闭进程等等。同时，PB还提供一系列远程控制工具对目标机中运行的系统进行配置，远程调试器可以很方便对目标机中运行的程序进行调试。由于根据开发的需要，目标机可能要不断更换，而且

25、目标设备和开发用的目乒机硬件配置肯定不一样。在这样的情况下，如果新的目标机采用不同的硬件体系结构，可能会需要开发OEM适配层(OAL), BSP或BootLoader以支持目标机的启动下载。不过，一般的系统开发往往都是以开发基于Windows CE的软件为重点，因此，在选择目标设备时尽量采用PB直接支持的硬件体系结构，如果不能避免， OEM厂商往往会提供Windows CE的这些硬件支持包。4.2.4 输出平台SDK前面的工作主要是为了定制能在目标机上正确运行的Windows CE操作系统，这是个不断修改、调试、再修改调试的反反复复的过程。如果最终的Windows CE操作系统符合要求，用户准

26、备在此操作系统之上开发应用的话，就可以输出适合该平台的SDKo这样做的目的是为了方便编写应用程序。生成的SDK很容易安装到其他的编辑器上面。例如，可以把自己生成的SDK安装到EVC下面，这样当需要新建一个工程时，定制的SDK就会出现在选择画面中。4.3 Windows CE平台应用程序开发工具选择在.NET技术出现之前，微软为Windows CE.net提供了两个开发工具，分别是Embedded Visual C+和Embedded Visual Basic，使用的计算机语言分别为C+和BASIC。在.NET出现之后，微软又推出了Visual Studio.NET(简称VS.NET)开发工具集

27、，还在其中新加入了C#语言。虽然可供选择的开发工具更多了，并且VS.NET使WindowsCE.net下软件开发变得更容易，但是EVC仍然是广大软件开发者的首选。5. 系统硬件组成5.1硬件系统总体结构一般嵌入式设备的硬件架构都是以嵌入式微处理器为核心，通过处理器接口扩展以及平台硬件的支持，把众多的外设单元集成进整个系统中，并通过CPLD等逻辑转换器件和其它硬件电路完成对外设模块进行读写和控制操作的支持，图7是硬件系统结构框图。本系统采用核心板和底板的设计方案，核心板和底板采用两个160PIN连接器连接。在核心板上主要资源有基于Intel XScale架构内核的嵌入式处理器PXA270 64M

28、B SDRAM, 32MB Nor Flash及电源管理模块。底板上集成了车载终端所需的各接口部件，包括lOM/100M以太网接口、LCD接口、触摸屏、RS232标准串口、AC97音频接口、PCMCIA接口，同时为了以后升级扩展的方便，还有SD卡接口、USB接口等。图7硬件系统框图同时，在系统中通过RS-232扩展了GPS模块，主要用于接收GPS导航信息。通过PCMCIA接口扩展一GPRS无线上网模块，用于同监控中心的信息交互。通过网卡接口扩展的RJ-45接口用于实现同宿主机的数据交换，下载内核等。在人机交互方面，主要通过LCD显示屏与触摸屏提供，LCD显示器提供给用户友好的界面，并通过触摸屏

29、来响应用户的各种请求。5.2核心板(1) PXA27x微处理器简介PXA27x系列处理器是Intel公司2004年新推出的，它在性能上有了很大改进。它同时集成了Intel的多项专利技术，其中包括集成Intel无线MMX指令集、无线动态(Wireless Speed Step)技术和快速拍摄(Quick Capture)技术，大大提升了PXA27x多媒体、3D图像处理、视频处理方面的能力。在本核心板上微处理器采用PXA系列处理器中的PXA270处理器。它采用了XScale微架构，并在此架构的基础上提高了处理媒体的效率，优化了处理器的功耗，同时添加了众多针对移动终端设备设计的新功能。 (2)存储器

30、接口设计 PXA27x系列处理器的存储器接口支持各种存储器芯片，包括SDRAM, Flash,SMROM, ROM, SRAM及与SRAM类似的可变延迟1/O等。PXA270处理器的存储器接口将其支持的存储器分为动态存储器和静态存储器两类。Nor Flash接口设计图8是Nor Flash接口原理图，采用两片Intel的RC28F128K18C115芯片，构成了32MB的Flash存储器。这里的Flash芯片是16位的，故采用两块并联的方法进行位扩展，为处理器32位的数据总线支持。处理器启动时，从0x00000000地址开始执行代码，本系统设计为从Flash引导系统，因此它必须接到静态存储器的

31、块0(BankO)，使用处理器的nCSO作为片选信号。Flash的其他控制引脚由处理器内部集成的Static Memory控制器进行控制。Flash主要作为Boot ROM，用来存储EBoot程序和Windows CE的系统镜像。SDRAM接口设计图9是SDRAM接口原理图，采用Infineon公司的HYB25L256160AC-7.5芯片，本系统采用两块并联位扩展方式构成64MB的SDRAM存储器，提供32位的总线支持。它连接到处理器动态存储器的第0块选用处，nSDCSO作为片选信号，其余引脚则由处理器内部集成的Dynamic Memory控制器进行控制。SDRAM在系统中主要用作程序的运行

32、空间、数据及堆栈区。系统启动并完成初始化后，程序代码或系统内核被调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度，系统及用户堆栈、运行数据也都存放在SDRAM中。(3)其他模块设计CPLD(Complex Programmable Logic Device)采用Xilinx公司的XC2C256系列产品，根据功能要求选用XC2C256-7TQ 144型号。 图8 Nor Flash接口 图9 SDRAM接口5.3主板各主要模块设计主板上主要是满足系统所需的各种接口，提供外设到核心板的连接。在主板上主要集成TLCD显示器、触摸屏、3个RS232接口、网络接口、JTAG调试接口、PCMCIA接口、声卡接口，同时为了以后系统升级的扩展方便还设计了SD卡接口、USB接口等。下面就主要部分作一介绍。(1)网络接口设计网络接口芯片采用SMSC公司为嵌入式应用系统推出的第三代快速以太网控制器