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斯江丈学颁掌位论文 y 87 6 9 6 9 集成数碑存储功耗的裹入式定位导航系统 摘要 本文所研究的课题属于浙江省科技型中小企业技术创新基金项目“集成数码 存储功能的嵌入式便携导航仪”( 项目计划编号2 0 0 4 d 4 0 0 0 1 ) 。 随着社会经济和科学技术的发展，公路交通系统已经成为了关系国民经济命 脉和社会、经济发展的重大系统。汽车导航观念也逐渐深入人心，成为公路交通 中极其重要的一个环节。将全球定位系统( g p s ) 应用于汽车导航，给汽车提供 全球性、全方位、全天候的实时导兢。同时。各种数码存储卡已经在数码消费类 电子，如数码相机等普遍使用用户开始要求在没有电脑的情况下完成转存数码 设备存储卡上数据的功能。将g p s g i s 汽车导航与数码存储技术相结合，采用 嵌入式技术，可以实现集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统功能，以满足人 们多方面的需求。 奉文基于嵌入式系统设计的原理从理论上、硬件设计上、软件设计上三方 面介绍了集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统的设计与开发。本文一共分为 七个部分，第一部分介绍了定位导航系统的一些基本概念和应用背景。第二部分 介绍了全球定位系统( g p s ) ( g i s ) 定位、导航技术及其原理。第三部分介绍 了嵌入式系统设计的基本原理。第四部分介绍了应用系统的硬件部分的组成与设 计。第五部分应用系统的操作系统部分的嵌入式w i n d o w sc e ，n e t 裁剪与定制。 第六部分和第七部分分别介绍了应用程序的设计以及对实验结果的分析。 关键字：全球定位系统数码存储嵌入式g i sw i n d a w sc e n e t 浙江大学硕士学位论文 集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 a b s t l a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e di sa t t a c h e dt oo n eo ft h ep r o j e c t s s p o n s o r e db yz h e j i a n g p r o v i n c em c d i u ma l l ds m a l ls c a l ee n t e r p r i s e st e c h n o i o g yi n n o v a t i o nf u n dn a m e d e m b e d d e dp o r t a b l en a v i g a t o ri n t e g r a t e dt h ef u n c t i o no fd j g i t a l s t o r a g e ( t h e n u m b e ro f p r o j e c t ：2 0 0 4 d 4 0 0 0 1 ) w j t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m ya n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o 】o g y 廿1 e r o a dt r a n s p o n a t i o nh a sb e e np l a y i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l et h a tc o n t r i b u t e sa l o tt ot l l e c o u n t r ye c o n o m ya 1 1 d o u rs o c i e 可a sa s i g n 语c a n tp a no ft h er o a d t m n s p o n a t i o n ，c a rn a v i g a t i o ni sb e c o m i n ga t a c t i n g w bm a k eu s eo fg p sf o r p r o v i d i n gt h ec a rn a v i g a t i o nw i t hg l o b a l i z e d 、o m n i d i r e c t i o n a la i l da l l - w e a t l l e r p o s i t i o n i n g a tt h es 锄et i m e ，a l lk i n d so fd i g i t a ls t o r a g ec a r d sa r ep r e v a i l i n g 卸d c u s t o m e r sa r eb e g i n n i n gt om a k ed e m a n do fa c c e s s i n gt h ed a t ao fd i g i t a ld e v i c e s w i t h o u tc o n l p u t e r s n e 内n c t i o no fe m b e d d e dn a v i g a t i o nw h i c hm e e t sp e o p l e sn c c d s c 柚b ef h l f i l l e d b ya d o p t i n gt h ee m b e d d i n gt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t hg p s g i s n a v i g a t i o na l l dd i g i t a ls t o m g et e c h n o l o g y b a s e do nt h ee m b e d e ds y s t e mt h e o r y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st 1 1 e d e s i g no ft 1 1 e e m b e d e dn a v i g a t i n gt 1 1 e o 吼h 盯d w a r ed e s i g na l l ds o f 狮a r ed e s i g n n i sp a p e rj n c l u d e s s “e nc h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e ls o m e 如n d m e n t a lc o n c e p ta n dt h er e l e v a n t b a c k g r o u n do ft h ee m b e d e dn a v i g a t i o np r e s e n t e d c h 印t e r2i n 仃o d u c e sg p s ，g i s t e c h n o l o g ya n dt h e o r y c h a p t e r3j n t r o d u c e st 1 1 ep r i n c i p l eo ft l l ee m b e d e ds y s t e m ，t h e e m b e d e dg i ss y s t e m 粕dw i n d o w sc e t h ed e s i g na 1 1 dc 伽叩o n c n t so f t h es y s t e m s h a r d w a r ea r ei n t r o d u c e dj nc h 印t e r4 c h a p t e r5i n t m d u c e st h ed e s i g no ft l l es y s t e m s o f t w a r e t h e 叩p l i c a t i o np m g r a md e s i g no ft h es y s t e ma n dt l l er c s u 】t so ft 1 1 e e x p e r i m e n ta r cr e s p e c t i v e l yi n t r o d u c e dj nc h a p t e r6a n dc h a p t e r7 k e y w o r d s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m d i g i t a ls t o m g e e m b e d d e ds y s t e m g i sw j n d o w sc en e t 3 浙江大学顿士学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 第一章绪论 1 。1 概述 现今社会，交通是以公路交通系统为主体的，并且这已经成为了关系国民经 济命脉和社会、经济发展的重人系统。随着社会经济的不断发展，各种各样的车 辆不断增多，公路交通网络也逐渐变得越来越复杂，越来越拥挤，尤其是在城市 中，公路交通通常都是高度复杂，无比拥挤，且常常造成迷失、堵塞等现象。 由于交通的原因带来的巨大损失使得人们开始致力于将现代的计算机、嵌入 式、信息和通信等各科的最新技术综合起来，应用于道路交通当中，以提高交通 运输效率，促进社会经济的发展和提高人们的生活水平。这样就应运而生了一个 新的技术领域智能交通系统( i t s i n t e l lig e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) 。 在i t s 中，智能车辆定位导航系统( i v l n s i n t e l l i g e n tv e h i c l el o c a t i o n a n dn a v i g a t i o ns y s t e m ) 是其中最为核心的一部分。它是基于矢量电子地图 ( v e c t o re 】e c t r o n i cm a p ) 的将全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g t s ) 、 地图匹配技术相结合的实时智能导航系统，实现了i t s 中的车辆定位、车辆导航、 自导航、路径规划等核心内容，是提供高精度、高可靠性的智能交通定位导航系 统的i t s 的关键。 另外，随着数码存储技术的不断发展，各种数码存储卡，如c f 卡、s d 删c 卡等也广泛应用于数码产品中，如数码相机、m p 3 等。考虑到信息容量及性能价 格比的优势，很多导航设备也开始使用笔记本电脑硬盘作为内部存储介质，从而 大大提高了系统的信息存储量。 具有数码存储功能的嵌入式定位导航系统，集成了先进的嵌入式系统技术、 g p s 技术、g i s 技术和数码存储技术，总体技术处于国内领先水平。本文着重从 理论、硬件结构及软件设计方面详细介绍以上各个部分。 1 2 目前的发展状况 目前，我国g p s 行业发展正处在摸索期向规划实践期的转型过程中，这一步 转型就像一个人的青春期转型，它的好坏、快慢、成功与否至为关键，不仅将直 接影响到我国g p s 行业的推动进程，而且还将间接影响到我国g p s 行业的发展质 量、以及它改变人们生活方式的深度和广度。 6 浙汀大学硕士学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 据业内人士预计，随着国家政策的支持和车价的不断下降，未来几年，国内 汽车整体上对g p s 导航系统的需求量，将每年以5 0 以上的速度递增，到2 0 0 8 年，中国g p s 汽车导航市场口j 能达到发展的小高峰。 从九十年代初期开始，我国g p s 车辆导航系统走过了极其起伏而缓慢的发展 道路，经历了几起几落的艰难里程。直到1 9 9 9 年一2 0 0 1 年，我国g p s 车辆导航 系统市场才出现了快速发展的势头，此时的市场逐步趋于成熟，我国的g p s 车辆 导航系统的技术有了较大的提高与发展，作为系统的卡脖子问题的通信网络通过 采用g s m 公众网的短信息服务找到了新的出路，问题是市场上真正工业化的产品 不多。 尽管我国在车载导航系统的应用面和规模上在国际上居于领先地位，但是从 系统的技术水平、产品的质量和成熟程度来说，我们还处在发展时期，仅仅为一 般水平。 g p s 车载导航技术在国内外经过多年发展，涌现出许多相关产品，其中典型 的有美国g a r m i n 公司的s t p i i i 车载导航仪、r 本三菱电机的内置d v d 光驱的硬 盘车载导航仪c u h 8 0 0 0 v p ，北京数巨丰科技有限责任公司的b t g p s t m 、北京合众 思壮公司的g p s 7 6 中文手持定位导航仪、深圳天鹰t s 一7 0 7 车载导航仪。其中， 日本三菱电机的c u h 8 0 0 0 v p 只能固定在车上使用，当用户在车辆遇到故障，需 要用导航给自己指路的时候，这个不能移动的导航仪就起不了作用；美国g a r m i n 公司的s t p h i 虽然也是便携式的导航仪，但其存储介质是f l a s h ，这就限定了 其存储容量，电子地图不可能做得比较详细，不可能具有大容量的数码存储功能。 国内产品在应用上也达到一定水平，但功能单一，技术水平不足。北京数巨丰公 司的b t g p s t m 和天鹰t s 一7 0 7 都需要依靠中心监控系统才能完整的工作，这对于 个人用户是极其不方便的。北京合众思壮公司的g p s 7 6 和本项目产品类似，都是 在g a r m i n 公司相关产品的基础上改造的。 1 3 选题背景 进入2 0 0 0 年后，电子信息技术和计算机、数码、嵌入式技术已经开始逐渐 的进入到交通运输领域。以智能车辆定位导航系统( i v l n s ) 为核心的智能交通 系统也已成为当前研究热点。与此同时，随着各种数码产品的普及，各式各样的 数码存储设备进入千家万户，越来越多的人开始使用便携数码设备，作为从事嵌 浙江大学硕i 学位论文 集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 入式系统和智能控制领域研究的高校科研机构，应根据社会的需求及发展趋势， 将g p s 导航技术和计算机、数码存储、嵌入式技术结合起来，开展集成数码存储 功能的嵌入式定位导航系统的研究和开发工作。 本文所研究的课题属于浙江省科技型中小企业技术创新基金项目“集成数码 存储功能的嵌入式便携导航仪”( 项目计划编号2 0 0 4 d 4 0 0 0 1 ) 。 浙江大学硕士学位论文 集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 第二章嵌入式定位导航系统基础 g p s 是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天侯、 连续性和实时性的导航、定位和定时功能。g p s 是1 9 7 3 年1 2 月美国国防部批准 的海陆军三军联合研制的新的卫星导航系统。g i s 是地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e ) 的英文缩写，是2 0 世纪6 0 年代开始迅速发展起来的地理 学研究技术。将g p s 和g i s 技术结合起来，被人看好是2 1 世纪g p s 市场中最庞 大的一部分。 2 1 全球定位导航系统的基本原理 2 1 1 基本原理 全球定位系统( g p s ) 其主要目的是提供实时、全天候和全球性的导航服务。 g p s 的定位原理实质上就是测量学的空间测距定位，利用在平均2 0 2 0 0 k m 高 空均匀分布在6 个轨道上的2 4 颗卫星，发射测距信号码和载波。用户通过接收 机接收这些信号测量卫星至接收机之距，通过一系列方程演算，便可知地面点位 坐标。具体的工作原理可以描述为：有三颗卫星，分别以每颗卫星所在位置为球 心，以卫星到用户的距离为半径，作三个球面，三球面的交点就是用户的位置。 用户接收发自卫星的信号并测量接收时刻相对卫星发出信号时刻的延迟，时间延 迟乘以信号传播的速度就得到卫星至用户的距离。用户必须装备与卫星相同精度 的原予钟才能精确测出它们之间的位置。如果同时有四颗卫星的话，那么就不需 要装备原子钟。不仅可以精确定位，还可以估计出用户的时钟偏差。用户测得的 到卫星的距离称为“伪距”，它不是用户到卫星的真正距离，其中还包括卫星时 钟的偏差、用户时钟的偏差信号、传播延迟引起的测距误差等。因此在至少收到 三颗卫星后，即可计算出平面坐标( 经纬度) 值，收到四颗则可以再计算出高程 值，五颗以上更可提高测量的准确度。具体的过程可用图2 1 来表示： 9 浙江大学硕十学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 卫星2星3 图2 1 卫星空间测距示意图 各卫星到用户接收站的距离可用下面四个方程式来表示 x ) 2 + ( m y ) 2 + ( 毛一z ) 2 + c ( _ 一，) = 匾 x ) 2 + ( 虬一y ) 2 十( 矿z ) 2 必+ c ( u 。飞，) = 吐 x ) 2 + ( 乃一y ) 2 + ( 毛一z ) 2 z 十c ( 、一v 。，) = 吃 x ) 2 + ( 儿一y ) 2 十( z 。一z ) 2 + c ( _ 飞) = 吐 四个方程式中各个参数意义如下： x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 x i 、y i 、z i ( i - 1 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在 t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 v t i ( _ l 、2 、3 、4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的 钟差，由卫星星历提供。 v t o 为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差v t o 。 目前g p s 系统提供的定位精度是优于l o 米，而为得到更高的定位精度，我 们通常采用差分g p s 技术：将一台g p s 接收机安置在基准站上进行观测。根据 基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这 一数据发送出去。用户接收机在进行g p s 观测的同时，也接收到基准站发出的 改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。 2 1 2g p s 系统的组成 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座；地面控制部分一地面 1 0 而 施 向 商 酞艮艮i 浙江大学硕士学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 监控系统：用户设备部分g p s 信号接收机。 1 、g p s ：卫星星座： 由2 】颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，每个轨道平面内各颗卫星之间的 升交角距相差9 0 度，一轨道平面上的卫星比话边相邻轨道平面上的相应卫星超 前3 0 度。 g p s 卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4 颗卫 星被同时观测，加之卫星信号的传播和接受不受天气的影响，因此，g p s 是一种 全球性、全天候的连续实时定位系统。 空间的3 颗备用卫星，可在必要时根据指令替代发生故障的卫星，这对于保 障g p s 空间部分正常而高效地工作是极其重要的。 g p s 卫星发射标准频率信号，为g p s 定位提供高精度的时间标准，其基本 功能是： ( 1 ) 接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指 令： ( 2 ) 卫星上设有微处理器，进行部分必要的数据处理工作； ( 3 ) 提供精密的时问标准： ( 4 ) 向用户发送定位信息；并在地面骑控站的指令下通过推进器调整卫星 的姿态和启用备用卫星。 2 、地面监控系统： 对于导航定位系统来说，g p s 卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发 射的星历一描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗g p s 卫星所播发的星 历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否 直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重 要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准g p s 时间系统。这就需要地面站监测 各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发 给用户设备。g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个 监测站。 3 、g p s 信号接收机： 浙江大学硕l 学位论文 集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到按定卫星高度截止角所选择的待测 卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大 和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫 星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时 间。 根据使用目的的不同，用户要求的g p s 信号接收机也各有差异。目前世界 上已有几十家工厂生产g p s 接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、 用途、功能等来分类。 静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收 机高精度地测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨的已知位置，解算出 接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用g p s 接收机测定一个运动 物体的运行轨迹。g p s 信号接收机所位于的运动物体叫做载体( 如航行中的船舰， 空中的飞机，行走的车辆等) 。载体上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星的过 程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时地测得运动载体的状态参数( 瞬 间三维位置和三维速度) 。 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完整的g p s 用 户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收 机来说，两个单元一般分成两个独赢的部件，观测时将天线单元安置在测站上， 接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将 天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。 g p s 接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机 内电池的日的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内 电池自动充电。关机后，机内电池为r a m 存储器供电，以防止丢失数据。 2 2 地理信息系统g i s 2 2 1g i s 基础 地理信息系统简称g 1 s ( g e o 伊a p h i c a l i n f 0 咖a t i o ns y s t e m ) 是以地理空间数据 库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空问的和动态的地理信息，为 地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，具有以下三个方面的特征： 具有采集、管理、分析和输出多种地理实问信息的能力，具有空间性和动 浙江大学硕士学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 态性； 以地理研究和地理决策为目的，以地理模耍! 方法为手段，具有区域空间分 析、多要素综合分析和动态预测能力，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。 地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵是由计算 机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息 化的地理系统。一般来说，g i s 可定义为：用于采集、存储、管理、处理、检索、 分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技 术。从g i s 系统应用角度，可进一步定义为：g i s 由计算机系统、地理数据和 用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种 地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、 城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服 务。 2 2 2gis 发展现状及主要开发软件产品 随着计算机软硬件技术的飞速发展，以及网络技术普及，g i s 的研究在以下 几个方面成为当前研究热点和发展方向： 1 )面向对象的g i s ； 2 )空间数据库模型的研究； 3 )空间数据库查询语言研究； 4 ) 标准化研究及o p e n g i s ： 5 )组件g i s 技术以及w e b g i s ； 6 )海量数据库规划和空间索引技术； 7 1空间数据可视化技术的研究； 8 )g 1 s g p s a i 组合技术研究； 9 )嵌入式系统中g i s 的研究。 嵌入式系统中的g i s 系统应用，在嵌入式系统应用快速的今天，将会更受到 人们的欢迎。当前p c 端地理信息系统的软件产品主要有： 浙江大学硕士学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 a r c ，i f 0 ： 是世界上著名的g i s 软件，由美国环境系统研究所( e s r i ) 研制。 该软件具有很强的a m ，f m g l s 开发能力，从高端到低端产品种类齐全，可适应 不同的用户需求，分析功能特别强。 m a p i n f o ：m 印l n f op r o f e s s i o n a l 是目前世界上最为完备、功能强大、全面 而直观的桌面地图信息系统，为在c l i e n t s e r v e r 环境下解决问题提供了一种全新 的方案。 2 3g i s 地图投影和坐标系统变换 2 3 1g i s 坐标系统 g i s 中的坐标系定义是g i s 系统的基础，正确定义g i s 系统的坐标系非常重 要。g i s 中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则 由特定椭球体及其对应的转换参数确定，因此欲正确定义g i s 系统坐标系，首 先必须弄清地球椭球体( e i l i p s o i d ) 、大地基准面( d a t i l m ) 及地图投影( p r o j e c t i o n ) 三 者的基本概念及它们之间的关系。 j 个国家( 或地区) 选择一定参数的参考椭球，确定参考椭球体的位置，获得 大地原点的大地起算数据和基准面，从而建立了一个国家坐标系。每个国家或地 区均有各自的基准面，在我国，北京5 4 坐标系、西安8 0 坐标系实际上就是我国 的两个大地基准面，我国参照前苏联从1 9 5 3 年起采用克拉索夫斯基( k r a s s o v s k y ) 椭球体建立了我国的北京5 4 坐标系，1 9 7 8 年采用国际大地测量协会推荐的1 9 7 5 地球椭球体建立了我国耨的大地坐标系一西安8 0 坐标系，北京5 4 与西安8 0 坐 标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。w g s l 9 8 4 基准面采用w g s 8 4 椭球 体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，封前g p s 测量数据多以 w g s l 9 8 4 为基准。 地图投影是将地图从球面转换到平面的数学变换，如果有人说：该点北京 5 4 坐标值为x = 4 2 3 1 8 9 8 ，y = 2 1 6 5 5 9 3 3 ，实际上指的是北京5 4 基准面下的投影坐标， 也就是北京5 4 基准面下的经纬度坐标在直角平面坐标上的投影结果。 2 3 2 坐标变换与投影变换 在g p s 定位、导航和地图显示当中，将涉及到两个重要内容，即坐标变换与 投影变换。 1 4 浙江大学硕士学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 在一般的g p s 的定位信息中，采用的是w g s 8 4 坐标系，而在我国地图一 般采用北京5 4 坐标系或者西安8 0 坐标系。所以，为了在非w g s _ 8 4 坐标的电 子地图上正确的实时处理、显示g p s 信号，就需要对g p s 定位数据进行坐标转 换，将w g s 8 4 坐标系格式的位置信息转换为北京5 4 华标系或者西安8 0 坐标 系格式。以上转换过程就是地图数据的坐标转换。投影变换是将地图从球面转换 为平面的数字变换。在将g p s 的位置信息转换到北京5 4 坐标系或者西安8 0 坐标 系后，为了能在地图上面正确显示，还需要将球面经纬度坐标系进行投影变换， 如高斯一可吕格( g a u s s k r i v g e r ) 投影变换，转换为平面直角坐标系坐标形式的地 图坐标( x ，y ) ，将地图坐标( x ，y ) 再转换为屏幕客户区坐标( x ，y ) ，从而能在屏幕 上面正确显示。 北京5 4 坐标系所采用的参考椭球的参数为： 长半轴a = 6 3 7 8 2 4 5 m ： 扁率f 1 2 9 8 3 ： 原点位于原苏联的普尔科沃。 西安8 0 坐标系所采用的参考椭球的参数为： 长半轴a = 6 3 7 8 1 4 0 m ： 扁率f - l 2 9 8 2 5 7 ； 原点位于我国中部一陕西泾阳县永乐镇。 而g p s 信号所采用的大地坐标系为世界大地坐标系w g s 8 4 坐标 系，是协议地球坐标系( c t s ) ，其所采用的参考椭球的参数为： 长半轴a = 6 3 7 8 13 7 2 m ； 扁率f - l 2 9 8 2 5 7 2 2 3 5 6 3 ； 原点位于地球质心。 将g p s 信号的坐标转换到我国的5 4 坐标系坐标，通常采用7 参数转换法， 常用的转换模型有：布尔沙( b u r s a ) 、模型莫洛金斯基( m o l o d e n s k y ) 模型等。七参 数包括：三个平移参数、三个旋转参数、一个尺度变换参数。关于变换公式，可 查阅参考文献。在本系统中的坐标变换实现，通过e s u p e r m a p 平台中的类 c s e p j d t a t u m t r a n p a r a 皿s 设定。 我国目前普遍采用的投影变换方法为高斯一克吕格( g a u s s - k r i v g e r ) 投影。详细 浙江大学硕士学忙论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 的高斯一克品格投影变换公式，可以参阅相关参考文献【1 4 】。 6 浙江大学硕仁学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 第三章嵌入式系统设计原理 3 1 嵌入式系统概述 3 1 1 嵌入式系统基础 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操 作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把 这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着 应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式应用的操作系统软件，核心通常 要求很小，因为硬件的r o m 容量有限。一般情况下，它可以分成两类：一类是面 向控制、通信等领域的实时操作系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、a c c e l e r a t e d t e c h 公司的n u c l e u s 系列等；另一类是面向消费类电子的非实时操作系统，如 w i n d o w sc e 、p a l m0 s 、嵌入式l i n u x 等。嵌入式操作系统可以广泛应用于p d a 、 掌上电脑、手机等嵌入式设备。嵌入式操作软件及其应用软件的共同特点是：1 软件要求固化存储在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中： 2 软件代码的高质量、高可靠性；3 系统软件的高实时性和多任务操作要求。 目前用于掌上电脑的嵌入式操作系统主要有p a l m 公司的p a l m0 s 、m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e ，它们以每年两位数的增长速度成为这一领域的佼佼者。 嵌入式系统的硬件核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下 4 个特点：1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中 断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而 为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功 能，同时也有利于软件诊断。3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满 足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其 是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是 浙江犬学硕二l 学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 如此，如需要功耗只有m w 甚至uw 级。 3 1 2 嵌入式系统开发应注意的问题 3 1 2 1 硬件方面 硬件部分就像是嵌入式系统的身躯一样，有手、脚、头脑和感觉神经等等的 部位，这些掌控了嵌入式系统的先天功能，像运算能力和扩展功能等等。一个好 的嵌入式系统都需要事先完整的硬件规划才可以具备达到所需功能的条件。具体 如下： 开发平台和目标平台 开发平台指的是桌面电脑，通过传输接口( 如串口或网络) 与目标平台连 接；目标平台的选择必须慎重，这涉及到开发环境和技术支持。嵌入式系统是一 种量身打造的系统，有许多差异，如果没有规范好目标平台，则后面可能就无法 再继续下去。 目标平台c p u 类型和运算能力：生产厂家、频率。 目标平台r o m 和r a m 的容量：固定、可扩充。 目标平台设备的扩充性能：扩充内存、扩充设各。 目标平台设备的电源：连续使用时间。 3 1 2 2 软件方面 软件就像是嵌入式系统的灵魂，掌控着所有硬件的操作模式，通过优异的 操作系统和应用程序，可以将有限的硬件装置功能发挥到极致。具体如下： 开发环境：集成式开发环境( i d e ) 和模拟器( e m u l a t o r ) 。 操作系统的信息：类型、版本及对开发的支持设备。 相关应用程序的类型和版本。 内存管理：采用集中分配的策略。 使用u n i c o d e 字符集：便于软件的国际化。 保证甲一的代码库：便于不矧平台之间的移植。 精巧的多媒体的界面：新技术改变了人们与信息终端的传统交互方式，如 手写输入、软键盘等。 3 1 2 3 专业应用需求 浙江大学硕二】。学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 不同行业的应用对嵌入式系统技术的要求不同，就g p s g i s 系统而言，开 发时要考虑以下因素： 地图的大量数据。 比例尺、分辨率和详细程度。 坐标系统和投影。 空间信息的可视化。 空问数据的无线传输。 g p s 信号解析。 数据来源、制作、更新和转换的周期和方式。 数据模型与算法对目标平台的要求( 处理器、内存等) 。 3 1 3 嵌入式系统的应用领域 消费类电子产品 像电动玩具、c d 播放器、m p 3 播放器、电视机、具备网络功能的电视机等 消费类电子产品都是具有不同处理能力和存储器需求的嵌入式系统。每一种这类 系统都必须高度可靠并且成本低廉。这些产品的另一个特性是每种产品都使用了 不同的处理器，因此，需要各自的制造商为每种产品编写不同的软件。 控制系统和工业自动化 自从微处理器开始流行，在工业控制和自动化中使用嵌入式系统就一直非常 普遍。根据具体应用需求，设计者选择相应的模块并完成设计。在设计时，必须 考虑可靠性、性能和成本。 生物医学系统 医院里到处都是嵌入式系统，包括x 光机的控制部件、e e g 和e c g 设备， 以及其他用于诊断检查的设备，比如结肠镜和内窥镜。现在，基于p c 的e e g 和e c g 设备也投入了使用，它们属于另一种类型的嵌人式系统。这些系统使用 了p c 附加卡，附加卡采取e c g 信号并对信号进行处理：p c 监视器用于显示， p c 的次存储设备用于存储e c g 记录。这些p c 附加膏包含处理信号的处理器和 相关电路。 手持移动设备 手持式电脑的功能越来越强大。最初的p d a ( p e r s o n a jd i g i 诅ia s s i s t 锄t ，个人 1 9 浙江大学硕士学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 数字助理) 主要用于存储数据。现在，使用低成本的3 2 位处理器，手持式设备的 计算能力得到成倍数的增长。这种设备运行功能强大的操作系统，比如w i n d o w s c e ，p a l mo s ，s y m b i a no s 等等；并且提供各种应用服务，包括e - m a i l 、日历 和地址簿。除计算能力外，也提供了很强的通信能力。 3 2 嵌入式g i s 系统 嵌入式地理信息系统( e m b e d d e dg l s ) 是集成g i s 功能的嵌入式系统产品， 是系统设计与开发层次上的应用，是一个软硬件混合的系统，它是导航、定位、 地图查询和空间数据管理的一种理想解决方案，可在很多领域广泛应用，如军事、 智能交通、旅游、自然资源调查、环境研究等。 p c _ g i s 指组成地理信息系统的计算机系统是个人电脑，而e m g i s 则是嵌 入式计算机系统，e m g j s 和p c g i s 都可以采用面向对象的编程方法来实现， 对象模型的实现方式没有区别，但复杂程度不同，p c g i s 要求全面，而e m g l s 则要求精练，可裁剪。表3 1 为其部分特点的比较： 表3 1p c g i s 与e m g i s 部分特点比较 比较部分 p c g i se m g i s 程序和数据的存储方式p c 机硬盘可外接的存储设备 程序的容错程度高不容许错 一 程序的安全性低 局 程序的通用性局低 目标代码的限制基本无限制要求代码精练 程序的数据容量大 小 嵌入式g i s 的主要特点是“可裁剪性”，包括数据格式的裁剪、功能裁剪和 数据裁剪。裁剪的工作在“移动地图集成工具”环境中完成，包括地图数据格式 转换及预处理。 本系统采用的是基于北京超图地理信息技术有限公司开发的e s u p e r m 印嵌 入式地理信息系统开发平台，e s u p e r m a p 是e m b e d d e ds u p e r m a p 的缩写，它在充 分考虑了各种嵌入式设备资源紧缺的特点的基础上，从数据结构到基本算法都力 求精益求精，以其对资源消耗极低、功能强大、性能优异、系统稳定、可移植性 好、用户能灵活定制系统等优势，为面向嵌入式应用的地理信息系统的开发提供 浙江大学硕士学位论文 集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 了极大的方便。 e s u p e r m a p 具有以f 一些显著的特点： 灵活地定制应用系统 e s u p e r m a p 以类库的形式进行分发，支持v i s u a lc + + 、e m b e d d e dv j s u a lc + + 等开发工具。使用e s u p e r m a p 类库，用户可以根据应用系统和硬件系统的不同 需求，将e s u p e r m a p 提供各种的对象加以灵活组合，从而专注于应用系统分析 与设计，定制出满足自己需要的有特色的应用系统。 数据结构精练 e s u p e r m a p 的数据结构专门为嵌入式设备量身定做，具有结构紧凑、精练， 更适合在资源紧缺的嵌入式设备上使用。 e s u p e r m a p 提供了两种数据存储格式，即p 肝( p o r t a b l em a pf i l e ) 和p m r ( p o r t a b l em a pr u n t i m ef i1 e ) ，同时采用多数据源无缝集成技术通过数据引擎 访问不同的数据文件。这两种数据文件紧凑、方便管理，而且不依赖任何数据库 技术，可移植性强。 支持多平台运行环境 支持w i n d o w sc e 3 o 以上( 包括w i n d o w sc e n e t ) 的操作系统，这在以后 的章节中会详细介绍。用e s u p e r m a p 开发的应用系统可以在多种硬件设备上运 行，包括i b mp c 兼容机、p o c k e tp c 及其他运行w i n d o w sc e 的嵌入式设备。 应用广泛 e s u p e r m a p 的应用领域十分广泛，具体如下： 交通领域：车船的导航监控系统； 军警政府机关领域：野地作战指挥系统、警员行动辅助系统等专用系统： 旅游娱乐领域：观光自导游系统、城市基础信息系统、多媒体地理信息系统 等。 浙江大学硕士学位论文集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统 第四章硬件系统设计 以上几个章节分别从6 p s 全球定位系统、g i s 地理信息系统及嵌入式系统技 术等几个方面，着重阐述了组成集成数码存储功能的嵌入式定位导航系统( 以下 称为本系统) 的各大模块所实现功能的理论基础，从本章开始，主要介绍系统的 功能特点和硬件系统部分的组成和设计实现。 4 1 系统功能实现的特点 电源管理部分： 采用输入l o o v 一2 4 0 v 5 0 一6 0 h zo 3 a 、输出5 v 1 5 a 的舢) 门d c 适配器 供电。对于车载应用，系统可以采用1 2 v 汽车直流电源，经d c d c 电压变换之 后给系统各部分供电。 3 v ( 纽扣) 锂电池，给系统r 1 实时供电，保证数据不丢失。 定位导航功能 g p s 接收机采用并行1 2 通道，能实时修改当前位置；数据刷新率为1 次 秒，具有连续更新功能：普通定位方式定位误差下小于l o m ，差分定位方式下， 为l 一3 m ；接收机导航数据符合n m e a 0 1 8 3 标准、r s 2 3 2 标准接口；能实时定位， 并且在地图上显示，实时刷新。 地理信息g i s 功能 要求地理信息软件开发平台支持通用的地图数据格式，如：m a p i n f ot a b 文 件格式( $ t a b ) 、m a p i n f o 交换格式( m i f ) 、0 p e n g i s g m l 文件格式( g 1 ) 、 a r c i n f og r i d 等：具有实时导航定位及模拟导航提示的功能；具有最短路径与 最快路径规划功能。 数码存储部分 内置m u l t i m e d i ac a r d ( m m c ) 、s e c u r ed 滔t a l ( s d ) 接口，可以直接读取m m c 卡、s d 卡的数据；通过u s b 接口支持对多合一读卡设备的存取访问，包括c f 、 s d 及m s 卡等；支持对2 5