（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm9的车载自主导航系统软硬件平台设计.pdf

哈尔演i 。w 人学硕十学伊论文 摘要 车载自主导航系统是智能交通系统的重要组成部分，将使用者、道路网、 交通运输工具三者作为一个整体综合考虑，使交通运输基础设置得以发挥最 大功效，明显改善车辆堵塞和交通拥挤，提高出行者的安全度和舒适度，并 且节约能源和保护环境，适应当日仃科技发展的要求。 本文的研究主要是车载自主导航系统软硬件平台的设计。硬件平台以 $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器为核心，外部包含6 4 m 的s d r a m 和6 4 m 的n a n df l a s h ， 集成了液晶、触摸屏等人机接口和g p s 模块，同时提供了u s b 主机、s d 卡 等扩展接口。 在此硬件平台的基础上，本文深入探讨和解决了l i n u x 操作系统和嵌入 式图形用户界面移植过程中所面临的任务和难题。首先，研究了硬件平台下 引导l i n u x 启动的b o o t l o a d e r 的设计方法和实现过程；其次，给出了l i n u x 启动过程的分析及其移植的详细过程，并且在分析嵌入式l i n u x 设备的驱动 模型基础上，成功实现了网络设备驱动的移植；然后，进行了文件系统的原 理分析和根文件系统的制作；最后，对q t e 底层支持做了分析，详尽描述了 q t o p i a 4 的交叉编译过程，并在此平台上运行q t o p i a 4 自带的例程。 关键词：车载自主导航系统；嵌入式系统；l i n u x ； q t o p i a 4 哈尔滨l ：科人学硕十学位论文 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i | n n i i i i i a b s t r a c t v e h i c l ea u t o n o m o u sn a v i g a t i o ns y s t e mi sa ne s s e n t i a l p a r to fi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n i tc o m b i n e su s e r 、r o a dn e t w o r k 、c o n v e y a n c et o g e t h e ra saw h o l e s y s t e mt om a x i m i z et h eu s a g eo ft r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，l i g h t e nt h et r a f f i c ， i m p r o v et h ec o s i n e s sa n ds e c u r i t yo ft h et r a v e l e r , m e a n w h i l e ，i ta l s oc a ns a v e e n e r g y 、p r o t e c te n v i r o n m e n t ，m e e tt h er e q u i r e m e n to ft h et e c h n o l o g yt r e n d t h i sp a p e ri sf o c u so nt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m t h e c e n t r a lp a r to ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mi s $ 3 c 2 4 10p r o c e s s o r , i n t e g r a t e dw i t h6 4 m s d r a m 、6 4 mn a n d f l a s h ，l c d ，t o u c hs c r e e n ，g p sm o d u l ea n dt h e i n t e r f a c e ss u c ha sus b 、s dc a r d o nt h i sh a r d w a r ep l a t f o r m ，w ed e e p l yd i s c u s s e da n dr e s o l v e dt h et a s ka n d d i f f i c u l tp r o b l e mb ec o n f r o n t e dw i t ht h ec o u r s eo fl i n u xa n de m b e d d e dg u i p o r t i n g f i r s t l yr e s e a r c h e dt h ed e s i g nw a y sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ft h e b o o tl o a d e rw h i c hi su s e dt ob o o tt h el i n u x s e c o n d l y ，s h o w e dt h ea n a l y s eo f b o o t i n gl i n u xa n dt h ep r o c e s so ft r a n s p l a n t i n g ，t r a n s p l a n t e dn e td e v i c e sd r i v e r s u c c e s s f u l l yb a s e do na n a l y z i n ge m b e d d e dl i n u xd e v i c e sd r i v e rm o d e l ，t h e n a n a l y s e dt h ef i l es y s t e m sp r i n c i p l ea n dm a d es u c c e s s f u l l yt h er o o tf i l e ；a tt h ee n d ， a n a l y s e dw h a tt h eq t e sl o wl e v e ls u p p o r t e d ，d e s c r i b e dt h ep r o c e s so ft h e q t o p i a 4 sc r o s sc o m p i l ei nd e t a i l ，a n dr u nt h er o u t i n ew h i c ht h eq t o p i a 4s e l f - b r i n g w i t hu n d e rt h i sp l a t f o r m k e yw o r d s ：v e h i c l ea u t o n o m o u sn a v i g a t i o ns y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ；l i n u x ； q t o p i a 4 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日 期：姗年弓眵日 哈尔滨l ：稃人学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 近年来，我国的交通运输建设取得了快速的发展。由铁路、公路、水运、 航空和管道运输所构成的综合运输体系己经基本建立，并对保证社会经济体 系j 下常运转发挥着越来越大的作用。随着人们生活水平的不断提高，汽车逐 渐进入家庭，并成为生活必须品，汽车销售总量和私人购车数量逐年上升。 然而，车辆的广泛普及给人们的生活带来了方便的同时也给使用者带来了更 多的困惑。复杂的交通网络使人们无所适从，频繁发生的交通堵塞使人们难 于选择正确的行车路线，处在陌生的地理环境中无法准确了解周围的交通条 件和自己的位置，交通安全状况不断恶化，实际交通行为中无效出行大量存 在，这些交通问题的解决已成为我国大城市交通面临的一项十分迫切的任务。 目前解决城市同益严重的交通问题主要有两个途径，一是多修道路以容 纳更多的车辆，但是由于城市道路的路网密度不可能无限制的增加，即道路 在城市中的比例必须有一定限制，否则将影响城市其它功能的发挥；二是采 用智能交通系统( i t s ) lu l ，加强城市道路管理的水平和智能化程度，是目前国 际公认的解决城市以及公路交通拥挤、改善行车安全、提高运行效率、减少 空气污染等的最佳途径，也是全世界交通运输领域研究的自仃沿课题。智能交 通系统集成了先进的信息技术、数据通讯传输技术、传感技术、电子控制技 术及计算机处理技术等，是一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、 高效的综合交通运输管理系统弘1 。 车载导航系统是智能交通系统的重要组成部分，是近年束发展很快的一 种安装在车辆上用来对车辆进行导航的系统，它将使用者、道路网、交通运 输工具三者作为一个整体综合考虑，使交通运输基础设置得以发挥最大功效， 明显改善车辆堵塞和交通拥挤，提高出行者的安全度和舒适度，并且节约能 源和保护环境，适应当前科技发展的要求。 车载导航系统主要可分为两类，一类是自主式( 分布式) 导航系统，其 定位与导航功能均由车载设备完成；另一类是中心决定式导航系统，它的一 哈尔滨i + 样人学员十7 ：伊论文 些功能需要借助通信网络j 能完成，由控制中心、车载导航终端和通信网三 大部分组成。自主导航系统建立了动态路径诱导系统为核心的通用交通管理 系统，而中心决定式导航系统及终端目前还很不成熟，更不完善，所以，目 前我国市场上仍以自主式导航终端产品为主，技术不断提高和完善卜”。 车载自主导航系统软硬件平台可分为三层：嵌入式硬件平台、嵌入式操 作系统平台和导航应用软件。其中嵌入式硬件板和嵌入式操作系统属于两大 基础平台。 嵌入式硬件平台以微处理器为核心，其外部的支撑硬件主要包括存储介 质、通信部件和显示部件等。 硬件平台的上层是嵌入式操作系统平台。该平台可以分为驱动和系统环 境两部分，其中驱动主要是负责导航系统各个零部件的输入输出控制，而系 统环境主要提供系统界面显示，以及为导航软件的丌发提供接口支持，使导 航应用系统可以在该平台上运行”。 导航应用软件是以嵌入式硬件平台的搭建、嵌入式操作系统平台的成果 移植和运行为自仃提的，这一部分运行于嵌入式操作系统平台之上，完成特定 的功能或利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用p 1 。 车载导航的应用极大地改变人们的出行和生活方式，使行驶中的汽车不 再是道路上的孤立物体，因而很快就受到广大用户的重视和欢迎，在全球发 达国家的应用普及很高。车载导航装置不仅仅是高档豪华轿车的象征和专用 品，而且己扩展到大客车、出租车甚至载货汽车，就连经济型车辆也用上车 载导航装置。车载导航系统由于能与无线手机等联用，将成为汽车上不可缺 少的重要信息设备。 1 2 国内外发展现状 国外对车载自主导航系统平台的研究起步较早，借助自身在半导体、微 电子领域的领先优势，智能化车载电子设备的发展己经达到相当高的水平， 很多高科技车载电子设备已经逐步普及，世界各大汽车制造商都在车载自主 导航系统平台的研究和信息技术的应用上加大丌发力度。导航硬件平台的多 样性，目前市场上见到的导航硬件平台有：常用的车载d v d 光盘式、基于a r m 9 芯片的专用导航平台、基于x 8 6 的专用导航平台、p o c k e tp c 、p d a 、智能手 2 哈尔滨f 秤人学硕十学何论文 机等，目前最受欢迎的硬件平台似乎是便携式的p o c k e tp c 、p d a ，价格最低， 最为方便。未来最有可能占据市场大部份额的平台应当为基于a r m 9 、a r m l l 芯片的硬件平台，该平台的可扩展性最强，既可以衍生出低成本的外接显示 屏导航系统，又可以通过集成应用软件衍生出具有g p s 、娱乐、防盗等功能 的高端产品。下面所介绍的就是一些国外厂商的最新产品和技术1 ： ( 1 ) 同本先锋公司推出的车载系统a v i c h d l b t ，该系统具有导航、收音 机、免提电话、可视倒车、多媒体播放等多种功能，并且安装了i b m 公司的 语音识别软件，司机可以通过语音控制车载导航系统，这套系统售价高达 2 3 0 0 美元。 ( 2 ) 索尼公司的多媒体车载导航系统n v - x y z ，其内置大容量硬盘，配有 p c 底座，提供c a r d b u s 插槽( 支持无线网卡) 、u s b 2 0 接口以及记忆棒接口。 除了具有导航功能外，n v - x y z 还提供了多媒体播放、网络浏览、e - m a i1 收发、 文字处理、图片查看等功能。系统并采用了触摸屏技术，司机还可以使用遥 控器对其操作。该产品售价为1 6 0 0 0 人民币。 ( 3 ) 松下电器推出的c n - h d x 7 3 0 车载系统具备所有的汽车音响功能，同时 它还可以进行汽车导航，其内置了电视接收器、d v d 播放器。 ( 4 ) 摩托罗拉是全球最大的车载通讯系统的生产商。其车载通讯系统把无 线电、全球定位系统( g p s ) 及其他保持汽车连通的应用方案整合到一起，并以 此带给驾驶者所需的即时信息服务和轻松的驾驶方式。 ( 5 ) 微软公司汽车业务部与赛灵思公司联合丌发了车载信息处理平台，该 平台可以提供以下功能：语音识别与合成技术、点播w e b 服务、远程珍断车辆 状况、个性化导航、手机通信等。 通过上述介绍可以看出，国外的车载系统功能十分强大，技术也十分先 进，由于其具有相当大的技术领先优势，其售价也十分昂贵。另外，由于导 航系统需要地理信息系统和导航软件的支持，同时中外在交通习惯以及道路 建设等方面有很大的差别，国外导航系统在进入中国市场的过程中也有很大 的障碍，本地化进展并不顺利，所以虽然国外产品比较先进，但也并没有真 正大规模进入中国市场。目自仃国内市场出现的车载导航系统产品包括h 1 ： ( 1 ) 上海凌宇汽车电子商务公司推出的领路人导航系统，是一套基于 w i n d o w sc e 操作系统的应用软、硬件产品，具有独特的g p s 定位、电子导航、 哈，j ：滨i ：树人。字：硕十4 孚：1 寺论文 语音提示、语音通信、自动报警等功能。 ( 2 ) 美国g a r m i n 公司与北京合众思壮公司联合在国内推出的s t p iii “任 我行”语音车载导航仪。s t p i i i “任我行”具有智能路径选择、全程语音提 示、电子地图浏览，卫星定位导航等多种实用功能，预装了6 4 m 的中国地图， 无使用费，无盲区，可2 4 小时全天候使用。 ( 3 ) 海尔集团推出的博路达导航仪。这款导航产品采用5 8 寸的大屏幕、 全彩色、高分辨率的液晶显示屏，具有行车路线智能规划、全程地图语音自 动导航和强大的城市综合信息查询功能，并集成了电视、c d 多媒体功能。 ( 4 ) 深圳麦士威科技有限公司的麦士威汽车智能导航系统集g p s 定位、电 子地图语音导航、车载电脑、电视、音响、d v d 、m p 3 等于一体，可适用于各 种主流车型。输入目的地，拥有自主知识产权的导航软件能在几秒钟之内为 车主推荐出三条不同的路径供选择；当遇到隧道等g p s 卫星信号较弱的地区 时，内置的陀螺仪可实施惯性导航，确保车主对信息的掌控。 ( 5 ) 乾润直通车g p s 导航系统由上海乾润信息技术有限公司推出，利用 g p s 定位技术，可配套全国及各大城市电子地图，结合城市道路禁行信息， 充分满足用户轻松定位、方便查询、准确导航的需求，并拥有1 9 2 m b 内存， 且断电后信息不会丢失，具有非常实用的路上行车助理功能：快速导航、全 程语音提示、偏航纠f 、行车轨迹记录、自建常用信息点等。 车载导航系统要想在市场站稳脚跟，不仅要有很好的硬件，更重要是要 有很好的软件相配合，导航内容一定要有道路状况、商店分布、交通规则等。 在中国要把这些资料搜集全是一件非常困难的事，因此要想在中国市场上取 得成功，拥有准确和全面的资料是关键，全面准确的导航内容是体现其价值 所在。国外市场( 同韩、欧美、澳大利亚、南非) 比较成熟，对导航硬件平 台有降低研发、制造成本的市场需要，特别是以a r m 芯片为核心的导航硬件 平台，国内可以接触到较多这种市场询问p 。 目前，同本的车载导航安装率高达5 9 ，欧美约占2 5 ，而中国车载导航 安装率却不到2 。2 0 0 5 中国汽车产量达5 7 0 万辆，其中轿车2 7 7 力辆，预计 今年汽车产量可达7 3 0 力辆，其中轿车3 8 8 万辆。这显示中国车载g p s 的前 装市场发展潜力巨大。截至2 0 0 5 年底，中国汽车保有量达到3 ，3 0 0 力辆，其 中轿车近1 ，2 0 0 力辆，所以后装车载导航系统也有着广阔的应用前景。据天 4 哈尔滨f ：榉人学硕十学何论文 极数据调查中心报道，北京市计划在2 0 0 8 年之前给全市的公共汽车安装g p s 监控系统，预计g p s 系统的装置费用约1 9 2 亿元人民币。据预测，围绕奥运 物流市场，将有1 0 0 万辆汽车需要安装导航和安全监测系统，2 0 0 8 年北京奥 运会释放出的g p s 商机巨大。2 0 1 0 年上海世博会的召丌，经济型车的推广， 自驾游的兴起，都将有力刺激中国汽车导航市场。预计到2 0 0 8 年，中国将有 2 0 0 万台的车载g p s 市场，规模将达2 5 亿美元。面对如此庞大的市场，海内 外厂商均虎视眈眈，等待车载导航系统市场启动时机p 1 。 1 3 嵌入式系统概述 目前，国内外车载自主导航系统的设计大多采用嵌入式系统方案，嵌入 式系统的应用软件与系统的硬件体化的工作方式具有效率高、可靠性高、 占用存储空间小等特点，适合子要求实时处理和多任务的体系，特别是车载 自主导航系统。 嵌入式系统是不同于常见计算机系统的一种计算机系统，它不以独立设 备的物理形态出现，即它没有一个统一的外观，它的部件根据主体设备以及 应用的需要嵌入在设备的内部，发挥着运算、处理、存储以及控制的作用。 从体系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式 软件组成。其中嵌入式处理器通常是单片机或微处理器；支撑硬件主要包括 存储介质、通信部件和显示部件等；嵌入式软件则包括支撑硬件的驱动程序、 操作系统、支撑软件以及应用中f 日j 件等。 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。目日订嵌入式处理器的寻址空间 可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s 。嵌入式处理器的主 要发展方向是小体积、高性能、低功耗。 嵌入式操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序，使计算机硬 件便于使用，高效组织和正确地使用计算机的资源一1 。 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业，充满了竞争、机遇与创 新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场，即便在体系结 构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能少数公司、少数产品 垄断全部市场。另外，社会上的各个应用领域是不断向前发展的，要求其中 的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动 5 哈尔浮f 千! f ! 人予： l 觅十宁伊论丈 力。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软 件产品开发。由于嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，才具有较长的 生命周期。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统也必将获得 广阔的发展空问。 1 4 论文主要研究内容 在本项目中作者参与的主要工作包括：车载自主导航系统硬件平台设计、 原理图及p c b 的绘制，嵌入式l i n u x 操作系统的研究及其移植等。其中嵌入 式l i n u x 作为本平台核心，它控制着整个车载自主导航系统平台的所有资源 并为应用程序的丌发打下基础，占有重要的地位，故本文对其进行重点研究。 具体内容按以下结构来编排： 第l 章：绪论。提出本课题的研究背景及其构成车载自主导航系统的三层 平台，概要性的介绍车载自主导航系统囤内外发展现状，并对嵌入式系统做 了概述，接着叙述了作者所做的工作，以及本论文的章节安排。 第2 章：车载自主导航系统软硬件平台总体设计。从嵌入式车载自主导 航系统功能设计入手，分别在硬件和软件两方面说明了系统的总体设计。本 章以介绍和概述为主，旨在使读者在掌握部分概念性知识的基础上对本文有 一个初步了解。 第3 章：车载自主导航系统硬件平台设计与调试。硬件平台的搭建为整 个系统设计的基础，从构成系统硬件平台的核心板入手，不仅对接口板一些 关键模块的设计加以具体描述，同时也详细介绍了p c b 设计及电路调试。 第4 章：嵌入式l i n u x 操作系统的构建。具体讲述l i n u x 交叉编译开发 环境的建立，启动引导程序b o o t l o a d e r 的设计及其移植，l i n u x 启动过程的 分析及其移植的详细过程，嵌入式l ir l u x 设备的驱动模型的详细分析及网络 设备驱动的移植，文件系统的原理和根文件系统的制作，涉及了移植过程中 的主要问题及关键技术。 第5 章：基于q t e 的图形用户界面移植。本章对q t e 底层支持做了分 析，详尽描述了q t o p i a 4 的交叉编译过程，并在此平台上运行q t o p i a 4 自带 的例程。 本文的最后对全文做了总结并对系统的前景作了展望。 6 哈尔滨i + 科人学硕十学f 节论文 第2 章车载自主导航系统软硬件平台总体设计 车载自主导航系统是一个融合了多项技术的复杂系统，由自车定位、路 径规划、路径引导、电子地图、地图描画、人机接口、无线通信、地图匹配、 音像娱乐以及交通信息几个部分或所有的模块来组成“。针对车辆导航的 要求和功能，在结构功能的设计和分配上需要尽可能的合理，充分利用现有 资源尽可能完善其功能，这就需要我们在设计之初，选定一个设计合理的总 体方案，进而完成对车载自主导航系统软硬件平台的设计。车载自主导航系 统的硬件方面和软件方面这两个部分的设计是互相关联、密不可分的，这就 需要在硬件和软件的设计之间进行权衡。 2 1 车载自主导航系统功能分析 根据车辆导航的实际需要，一般车载自主导航系统具有以下功能： ( 1 ) 导航功能。使用者在车载g p s 导航系统上任意标注两点后，导航系统 便会自动根据当前的位置，为车主设计最佳路线。 ( 2 ) 电子地图。车载系统都配备了电子地图，一般覆盖全国的各大省会城 市，功能强大的地图系统包含了中小城市，城市数目达到了近4 0 0 个，可以 随时查看目的城市的交通、周围建筑物等情况。 ( 3 ) 转向语音提示功能。如果前方遇到路口或者转弯，系统具有转向语音 提示功能，这样可以避免车主走弯路。 ( 4 ) 定位功能。g p s 通过接收卫星信号，准确地定出其所在的位置，位置 误差小于l o 米，可以在地图上相应的位置用记号标记出来，同时，g p s 还可 以显示方向，显示海拔高度等信息。 ( 5 ) 测速功能。通过g p s 对卫星信号的接收计算，可以测算出行驶的具体 速度。 ( 6 ) 显示航迹。g p s 带有航迹记录功能，可以记录下用户车辆行驶经过的 路线，小于1 0 米的精度，甚至能显示两个车道的区别。 鉴于以上功能，下面对车载自主导航系统从硬件和软件两方面进行总体 设计。 哈尔滨i ：稃人学硕十学何论文 2 2 硬件平台总体设计 2 2 1 总体架构 从车载自主导航系统功能出发， 位系统、网络通信系统、存储系统、 不。 硬件平台包括嵌入式微处理器、g p s 定 人机接口系统和电源管理，如图2 - 1 所 图2 1 车载自主导航系统硬件平台总体架构框图 ( 1 ) 嵌入式微处理器作为系统的核心，承担着系统各种功能的实现。除了 要求具有较高的运行速度外还必须拥有丰富的外设接口以及轻巧的封装，以 便实现系统的运行稳定、功能丰富、结构轻便的设计宗旨。 ( 2 ) 存储系统主要是实现对操作系统、应用软件以及地图数据的存储。 ( 3 ) 人机接口系统包含两个方面的内容，在输入方面，操作者通过触摸屏 向导航系统输送控制命令，同时系统通过输出设备向操作者反馈系统的工作 状态。而在输出方面则包含了针对视觉的液晶屏和针对听觉的音频设备。 ( 4 ) g p s 模块。在系统处于导航工作模式下，通过g p s 模块实时的接收车 辆的位置坐标，提供给导航软件，以便将车辆的实时位置反映在导航地图上。 ( 5 ) 电源管理在车载自主导航系统中的地位不言而喻，直接影响到硬件平 台的稳定性和可靠性，它的功能是为不同的功能模块提供不同功率的电源。 ( 6 ) 网络通信系统主要完成内核下载、应用程序调试和地图信息更新。 2 2 2 嵌入式微处理器的选择 嵌入式微处理器是整个车载自主导航系统平台的核心。目前，嵌入式微 处理器有许多种流行的处理器核，如i n t e l 公司的x 8 6 嵌入式c p u ，基于r i s c 只 哈尔滨f 种人宁硕十学伊论文 架构的a r m 系列，基于r i s c 架构的d s p + 单片机，以及基于f 1 立s h 3 、s h 4c p u 芯片的系列。其中x 8 6 系列主板运算能力和图形处理能力较强，但由于价格 及功耗较高，对散热要求也较高，一般用于高档车的车载信息系统和高档的 导航系统中，在目前国内车载导航系统的研究中，实验室研究阶段使用这种 方案的情况比较多，在市场推出的真f 产品少。d s p + 单片机系列则由于综合 功能较差，结构复杂，价格也不菲，也不是很普及。s h 3 、s h 4 系列的主板主 要是同本导航厂商广泛使用的一种结构，该系统具有低功耗、体积小的特点， 但该芯片缺点是运算处理能力不是非常强。基于r i s c 架构的a r m 系列微处理 器具有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；1 6 3 2 位双指令集；全 球众多的合作伙伴。这些特点使a m r 微处理器核技术广泛用于便携式通信产 品、多媒体和嵌入式解决方案等领域，已成为r i s c 标准。目日 ，基于a r m 技术的微处理器的应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场，所以在 该系列的芯片上开发车载导航系统比较容易。 目前，a r m 处理器有五个系列：a r m 7 ，a r m 9 ，a m r 9 e ，a r m l 0 和s e c u r c o r e 。 每个系列都提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求“。 ( 1 ) a r m 7 系列。a r m 7 系列包括：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。 这一系列采用a k i r v 4 t ( n e w m a n ) 结构，分为三级流水，空f 日j 统的指令与数 据c a c h e ，平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度为6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。 ( 2 ) a r m 9 系列。a r m 9 系列包括：a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 。这一系 列采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，五级流水处理以及分离的指令和数据c a c h e 结构，平均功耗为0 7 m w m h z 。时钟速度为1 2 0 m h z 一2 0 0 m h z ，每条指令平均执 行1 5 个时钟周期。 ( 3 ) a r m 9 e 系列。a r m 9 e 系列包括：a r m 9 2 6 e j s ，a r m 9 4 6 e s ，a r m 9 6 6 e s 和a r m 9 6 8 e s 。这一系列为综合处理器，具有d s p 扩充，嵌入式i c e - r t 调试 逻辑，提供1 1 m i p s m h z 的5 级整数流水线和哈佛结构，紧藕合存储器( t m c ) 接口，可使存储器以最高的处理器速度运转，可直接连接到内核上，非常适 合于必须有确定性能和快速访问时间的代码。 ( 4 ) a r m i o 系列。a r m l 0 系列包括：a r m l 0 2 0 e ，a r m l 0 2 2 e ，a r m l 0 2 6 e j s 。 a r m l 0 系列为硬宏单元，具有d s p 扩展，嵌入式i c e r t 调试逻辑，c a c h e 和 9 哈尔滨i 科人：硕十学何论文 全性能m m u ，6 级整数流水线，支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集、 3 2 位的高速a m b a 总线接口以及v f p i o 浮点处理协处理器，主频最高可达 4 0 0 m i p s ，内嵌并行读写操作部件。 ( 5 ) s e c u r c o r e 系列。s e c u r c o r e 系列包括：s e c u r c o r es c l 0 0 、 s e c u r c o r es c110 、s e c u r c o r es c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 210 。s e c u r c o r e 系列 专为安全需要而设计，具有特定的抗窜改和逆向工程特性，带有灵活多样的 保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。 从上面介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应 不同的应用领域。车载自主导航系统要求具有功耗低、运行可靠、抗恶劣环 境的特点，使用标准l i n u x 操作系统，需要选择带有m m u 功能的a r m 芯片， 要求具有较高的处理速度以及丰富相关功能模块扩展资源，因此，在本系统 中选用a r m 9 2 0 t 内核的微处理器是一个非常理想的解决方案。由于a r m 处理。 器具有高集成度的特点，很多外围功能都被集成到芯片内部，这样大大减小 了系统体积，并且降低了成本。 生产a r m 9 2 0 t 内核微处理器的公司众多，像s a m s u n g 、m o t o r o l a 、a g i1 e n t 、 i n t e l 等厂家都有自己的产品。这些产品针对于不同领域的应用都有着各自 的特点。根据处理速度、集成度、开发难度、价格等多方面的考虑，选用 s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器作为车载智能终端的处理器比较合适。这款 处理器最高主频可达2 6 6 m h z ，能够满足系统对处理速度的要求。在集成度上， $ 3 c 2 4 1 0 a 具有丰富控制器和多种通信接口，可以很大程度上减少系统复杂 度。在价格上$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器具有良好的性价比，使系统的成本得到了有效 的控制。 2 2 3 处理器外围电路选择 存储系统包括s d r a m 、n a n d f la s h 和s d 卡。s d r a m 和n a n d f l a s h 都选用 6 4 m 。s d r a m 用于程序运行时代码的装入和运行，相当于p c 机中的内存。 n a n d f l a s h 用于存储l i n u x 操作系统内核，运行时被拷贝到s d r a m 中，相当 于p c 机中的外部存储器硬盘。s d 卡接口用于用户扩展系统的外部存储空间， 大小可随意选择，主要存储电子地图。 人机接口系统由l c d 、触摸屏、键盘和音频构成。l c d 采用6 4 英寸 1 0 哈尔滨f w 人字硕十。7 ：1 市论丈 6 4 0 * 4 8 0 真彩t f t 液晶屏，触摸屏采用4 线电阻式。l c d 和触摸屏是作为一个 人机界面不可或缺的部分，作为显示系统运行状态和人机交互的接口。音频 部分为导航软件和语音识别软件提供音频输入和输出功能。 g p s 模块接收车辆的位置坐标，提供给导航软件，以便将车辆的实时位 置反映在导航地图上。 电源管理在车载导航系统中占有重要地位，直接影响到硬件平台的稳定 性和可靠性。导航系统的电源来自车载，车载1 2 v 电源不能直接给c p u 和各 功能模块供电。所以电源管理最重要的功能是为不同的功能模块提供不同功 率的电源，同时为用户提供人性化的丌关机功能。 网络通信系统由u s b 、以太网、串口和j t a g 接口构成。u s b 是主机和目 标机通信的有效手段，可用于下载内核、调试应用程序和更新地图信息等功 能，同时支持u 盘和鼠标操作。以太网只在丌发阶段使用，用于下载调试内 核和应用程序。串口用于$ 3 c 2 4 1 0 a 系统与其他应用系统的短距离双向串行通 讯，其一是用在系统调试阶段与p c 机的串口通信，其二是与应用系统的数据 采集部分进行通信。j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接 口可对系统进行调试、编程等。车载自主导航系统硬件平台框图如图2 2 所 示。 人 机 接 口 系 统 s d r a m | - 一g p s ；：| 块 n a n d f l a s h _ 一 电源管珥 s d f s 3 c 2 4 l o a 一+ u s b l c d l 、 1 ；- r l - f r ” 触摸肼 卜 - 1r i 。r 一 - 一j t a g 疗频 i - 图2 2 车载自主导航系统硬件平台框图 2 3 嵌入式操作系统的选择 网 络： 通! 信 系； 统； 在嵌入式车载自主导航系统软件平台的前期设计过程中，首先必须决定 哈尔滨i 。群人字：硕十。孑：伊论文 采用哪一种嵌入式操作系统，因为这将影响到后期的发行以及软件的维护。 嵌入式操作系统并不是新生事情，从2 0 世纪8 0 年代丌始，国际上就有 一些i t 组织、公司开始商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发。目前， 国外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，从8 位1 6 位单片机发展到以a r m c p u 核为代表的3 2 位嵌入式处理器，嵌入式操作系统将替代传统的由手工编 制的监控程序或调度程序，成为重要的基础组件。更重要的是嵌入式操作系 统对应用程序可以起到屏蔽的作用，使应用程序员面向操作系统级丌发应用 软件，并易于在不同a r m 核的嵌入式处理器上移植。目前国内市场上主流 的嵌入式操作系统有以下3 种： ( 1 ) w i n d o w sc e 。w i n d o w sc e 是微软公司面向p d a 等设备的嵌入式操作 系统，也用于车载设备，当前市面上就有一些采用w i n d o w sc e 的嵌入式车载 导航系统。和其他w i n d o w s 产品不同，它是基于组件的操作系统，由内核模 块、对象存储、g w e s 、通信等模块构成，各功能模块可方便裁剪。支持对任 务、多进程。具有广泛的支持平台、支持大容量存储、支持多媒体、支持多 种通信协议、兼容基于w i n d o w s 系统a p i 及利于丌发等优点。但需要交纳计 费许可证，需要支付一笔费用购买w i n c e 及其开发环境，套用陔操作系统刀： 发出来的每套产品也需交纳一定的费用。 ( 2 ) u c o s - i i 。u c o s - i i 是j e a nj l a b r o s s e 丌发的“微内核”实时操 作系统，其实就是一个实时操作系统内核，全部核心代码只有8 3 k b ，只包 含了进程调度、内存管理、时钟管理及进程间通信等功能。支持i n t e l 、a r m 、 m o t o r o l a 等公司的8 1 种不同的处理器，具有实时性好、可剥夺型内核、可 移植、可固化等优点。 ( 3 ) l i n u x 。l i n u x 是l i n u st o r v a l d s 丌发的完全丌源免费的多任务“宏 内核操作系统，从严格的技术定义讲，l i n u x 指的是丌放源代码的u n i x 类 操作系统的内核。但对于l i n u x 用户和系统管理员来说，l i n u x 是指包含 k e r n e l 、u t i l i t i e s ( 系统工具程序) 以及a p p l i c a t i o n ( 应用软件) 的一个完整 的操作系统。至于嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 则是指对l i n u x 操作系统 经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百k 字节或几兆字节的存储器芯 片中，应用于特定嵌入式场合的l i n u x 操作系统。只要遵循g p l 声明，就可 以自由修改和传播。嵌入式l i n u x 拥有广泛的硬件支持平台，是一种可靠性 哈尔演f ：w 人学硕十学位论文 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i |ji 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 和健壮性非常高的系统。具有丰富的网络功能、支持多种文件系统、良好用 户界面。上述3 种嵌入式操作系统的详细性能比较如表2 1 所示。 表2 1 l if l u x 与w in c g 、u c o s - i i 的主要性能比较 l i n u xw i n c eu c o s ii 完全免费的操作系统，使用微软的商用嵌入式操不是完全免费的操作 者不需支付任何费川，只需作系统，使用它，需要系统，可以利心它来学 价 遵循6 p l 声明支付购灭w i n c e 及其开习或科研，这是不收费 格发环境的费刚，套川该的，但使刚u c o s 一儿 操作系统开发出来的开发商川产品和销售 每套产品也需交纳一u c o s - i i 操作系统都 定的费h j是收费的 源代码完全开放的操作系部分源码开放的商川是内核源码开发的实 统，可以从网站上自由f操作系统，如果要修改时操作系统 开载，并且在遵循g p l 卢明其中的代码，需获得微 放下，可以自由地修改、移植、软公司的授权 性传播等，这给系统的开发利 调试带来极人的便利 臼诞生之日起就与网络密通过网络组件米对远 本身是个微内核，只包 网 不可分，具有丰富、完善的程访问、局域网、含操作系统最基本的 络 网络功能，内置t c p i p 协t c p i p 协议等提供支 功能，闪此如果需要迕 支议、支持i n t e r n e t 、文什持接网络，必须购买商业 持传输、远程访问开发的配套网络或移 植 文件支持绝人部分文件系统，只仅支持w i n d o w s 系列的没有包括文件系统，需 系统需在编译内核时选择相应f a t l 6 、f a t 3 2 等有限文 购买或移植 支持的文f ，f ：系统即可彳， ：系统 本年载自主导航系统软硬件平台的设计应基于以f 原则： ( 1 ) 成本。成本对于嵌入式产品是敏感的，车载导航系统也一样，所以在 设计初需充分考虑产品成本因素。 ( 2 ) 稳定性。产品的质量是市场占有率的保证，只有性能可靠、稳定的产 品才能获得客户的认可。 哈尔演f ：利人7 ：硕十。 ! 伊论丈 ( 3 ) 可定制性和可移植性。由于导航系统中资源的有限，所以需要根据实 际需要进行定制，去除冗余，添加所需部件，真正做到面向具体应用，充分 利用系统有限软、硬件资源。此外，可移植性也是进行嵌入式软件开发时需 重点考虑的问题，良好的移植性可以在不同平台、不同系统上运行而无需做 太多的改动“。 根据以上分析，l i n u x 是本车载自主导航系统软件平台的最佳选择，选 用它有利于降低产品成本，提高系统的性价比。 2 4 嵌入式图形用户界面的选择 图形用户界面( g u i ) 在嵌入式l i n u x 系统中占有很重要的地位，它是浏 览器和其他应用程序的基础。嵌入式g u i 要求简单、直观、可靠、占用资源 小且反应快速，以适应系统硬件资源有限的条件。另外，由于嵌入式系统硬 件本身的特殊性，嵌入式g u i 应具有高度可移植性与可裁减性，以适应不同 的硬件条件和使用需求。 由于嵌入式g u i 系统的应用的不同，使得g u i 系统在接口定义、体系结构、 功能特性等方面都存在着很大的差别，另外它们所采用的技术路线也不尽相 科8 1 ： ( 1 ) m i n i g u i 的目标是首先建立在比较成熟的图形引擎之上，比如 s v g a l i b 干n l i b g g i ，开发的重点则在于窗口系统，如图形接口。在m in i g u i 的 开发中，引入了图形抽象层和输入抽象层( g a l 矛 i i a l ) 两个概念。利用g a l 和i a l ，m i n i g u i 可以在多种图形引擎上运行，并且移植方便。它尽量保持与 w i n 3 2 的兼容，因此，在w i n c e 应用的任何场合，也可以使用m i n i g u i 。 ( 2 ) i ic r o w in d o w s 目前的丌发重点则在底层的图形引擎，而窗口系统 和图形接口方面的功能还比较欠缺。但是它能够在没有任何操作系统或其他 图形系统的支持下运行，它能够对裸显示设备进行直接操作，因而显得十分 小巧，便于移植到各种硬件和软件系统上。最上层的a p l 支持w i n 3 2 和n a n ox 接口，这样就与w in 3 2 和i xw i n d o w 窗口系统保持了兼容，在这些系统间移植应 用软件就很容易了。 ( 3 ) q t e m b e d d e d 是一个多平台的c + + 图形用户界面应用程序框架，它 注重于能给用户提供精美的图形用户界面所需要的所有元素。而且它是基于 哈尔滨1 柑人7 7 ：硕十学1 市论文 一种面向对象的思想，所以用户对其对象的扩展是相当容易的，另外，它还 支持真正的组件编程。 除此之外，这些g u i 系统所使用的授权条款