（电子科学与技术专业论文）智能车载语音播报器的设计与开发.pdf

t i ：l 学位论义 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e mi sa ni m p o r t a n tw a y t oo p t i m i z et r a f f i ce n v i r o n m e n ta n d s o l v et h ep r o b l e mo ft r a f f i cj a mi nt h ec i t y a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( a p t s ) i sa ni m p o r t a n tp a r to fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m b u i l d i n go f t h ei t sc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h eb u s so p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n ds e r v i c el e v e l t h e r e f o r e ，i t s c o u l dp r o v i d eh i g h e rq u a l i t ya n dm o r ec o n v e n i e n tt r a n s p o r t a t i o ns e r v i c e s f o rt h e m a j o r i t yo fp e o p l e a f t e rr e a d i n gal o to fr e f e r e n c e sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g yb o o k sb a s e do nm a n u a l ， u s i n ge m b e d d e dw i n c e ，g p s ，a r mt e c h n o l o g y ，p r e s e n t st h ei n t e l l i g e n tv e h i c l ev o i c e b r o a d c a s td e v i c ed e s i g n ，a n dr e a l i z et h eb a s i cf u n c t i o n so fb r o a d c a s t i n gd e v i c e i n t e l l i g e n tv e h i c l ev o i c eb r o a d c a s td e v i c e i sa ni m p o r t a n tp a r to fa d v a n c e d p u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，a st h es y s t e mt e r m i n a lw h i c hh a v es o m ef u n c t i o n s s u c ha sg p sd a t aa c q u i s i t i o n ，r e a l t i m ep o s i t i o n i n go ft h ev e h i c l e s ，i n t e l l i g e n tc r u i s e v o i c es t a t i o nr e p o r t i n ga n du p d a t i n gt h ev e h i c l el e dd i s p l a ya n ds oo n t h i sp a p e r i n t r o d h e e s d e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e l l i g e n tv e h i c l ev o i c eb r o a d c a s t d e v i c e i nt h eo v e r a l ls c h e m eo ft h es y s t e mp a r ti sp r e s e n t e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r m a n ds o f t w a r ep l a t f o r mo fc h o i c eh a r d w a r ed e s i g no fe a c hm o d u l ei nd e t a i l t h ec h i p s e l e c t i o na n dc i r c u i td e s i g na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h es o f t w a r ep a r ti sm a i n l ya b o u t f o rd e s i g no fo p e r a t i n gs y s t e mc u s t o m i z i n gt r a n s p l a n t a t i o na n da p p l i c a t i o ns p e c i f i c d e s i g ne l a b o r a t e f i n a l l y ，c o n s i d e r i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，g p sp o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h ei n c r e a s i n g l yh i g hd e m a n d ，g p sh i g h p r e c i s i o nd y n a m i cp o s i t i o n i n g t h e o r y ，a n a l y s i s s e v e r a lo ft o d a y sp o p u l a rh i g h p r e c i s i o nd y n a m i cp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m s ，f a s ta m b i g u i t ya n dr e l i a b l es o l u t i o n i st h e b i g g e s tp r o b l e mo fg p sh i g hp r e c i s i o nd y n a m i cp o s i t i o n i n gp r o b l e m w h i c hm u s tb e e n s o l v e d t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ec o n s t r a i n to fg p sf a s ti n t e g e ra m b i g u i t yr e s o l u t i o n a i g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ea l g o r i t h mo b t a i n e dc e r t a i nb a l a n c e b e t w e e na m b i g u i t yr e s o l u t i o ne f f i c i e n c y s u i t a b l ef o rv e h i c l ed y n a m i cp o s i t i o n i n g a n dr e l i a b i l i t yo fi n t e r m e d i a t e ，w h i c hi s i n t e l l i g e n tv e h i c l ev o i c eb r o a d c a s td e v i c e a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ed e s i g n ， t h r o u g ht h ea c t u a lt e s ta n dc a rw e r em o d i f i e da n do p t i m i z e d f r o mt h er e s u l to ft h e t e s t ，t h es y s t e mh a sc o m p l e t e dt h ef u c t i o n s s u c ha sr e a l - t i m ep o s i t i o n i n go ft h e v e h i c l e sa n dt h ei n t e l l i g e n tv o i c e ，l e du p d a t e st h ed i s p l a yf u n c t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ；i n t e l l i g e n tv e h i c l ev o i c e b r o a d c a s t d e v i c e ；g p s ；w i n c e ；i n t e g e ra m b i g u i t y ； 1 1 智能交通系统概述 第1 章绪论 智能交通系统( i t s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是将先进的信息技术、 通信技术、微电子技术、系统工程技术等综合运用于城市交通管理中，建立起的 一套实时、高效、准确的交通运输管理系统。智能交通系统( i t s ) * e i 比传统交通 管理系统而言，最为显著的区别是改变了以往以交通管理者为服务对象换之以道 路使用者为重点服务对象，利用高科技手段为道路用户提供完善的交通服务信息 和其他相关服务信息，使得道路的利用率最大化，从而提高道路通行能力，达到 缓解交通拥堵、优化交通质量的目的。 智能公交系统是智能交通系统的一个重要组成部分。公交管理者通过车载终 端系统获取车辆的实时信息，通过与上级交通部门的信息融合分析对城市的公交 车辆实时进行调度，对线路进行优化，并通过无线通信系统和车载终端系统为乘 客提供完善交通服务信息，从而为乘客的出行提供优质的服务。同时，提升城市 形象。 1 2 智能车载语音播报器的必要性 随着我国经济不断发展、城市化进程加速推进，人口不断向城市聚集。由此， 造成了大量的城市问题，其中最为突出的莫过于交通问题。人口大量的快速集中 造成了交通总量急剧增加，与此同时，由于人们生活水平的提高和汽车工业的发 展，城市私家车数量呈现出几何式增长。城市交通拥挤的状况日益严重，随之而 来的交通事故率增加、环境污染等社会问题已经成为阻碍城市发展的瓶颈。为此 城市管理者们也在绞尽脑汁试图解决当前交通拥堵问题。传统修路建桥的解决方 法需要耗费大量的土地，同时其还需要大量的人力、物力、财力，而城市的土地 资源十分稀缺，因此，其不可能从根本上解决问题。而城市公共交通是大部分人 出行的首选，因此大力发展城市公共交通，提高公共交通资源的利用率和其服务 水平，使得绝大部分人都愿意乘坐公共交通出行，从而减少私家车出行量，这才 是解决交通问题的根本出路。智能公交系统则正是解决这些问题的根本之道，智 能公交系统是智能交通系统( i t s ) 的重要组成部分，它将全球定位技术、i t 技 术、无线通信技术、微电子技术、地理信息技术等综合运用到公交车综合运营管 理中，从而实现了公交车智能调度，车辆运行时间的可视化和信息化，以及为广 大乘客提供完善的交通服务信息和其他相关信息 2 1 。近些年来，我国城市公交建 智能车找语卤播报器没引r j 开发 设取得了长足的进步。但是，城市公共交通滞后于经济社会发展的整体局面并没 有发生改变。直至目前我国还尚未建立起完善的智能公交管理系统。因此，大规 模实施智能公交系统迫在眉睫。 智能车载播报器作为智能公交系统的一个重要部分，与智能公交系统的发展 是息息相关的。智能车载播报器的发展能够很大程度的提高公共汽车的服务质量， 减少司乘人员的劳动强度。然而，目前我国大多数城市的公交车报站方式依然停 留在原始的人工报站或者半人工报站。这种人工干预报站方式有其很大的弊端： 第一，驾驶员要分心进行干预报站，影响车辆的运行安全；第二，由于个人的心 情或者天气等原因容易造成站点的误报、漏报和错报，导致乘客特别是外地乘客 下错站，而带来诸多不必要的麻烦。第三，人工或半人工报站仅仅只会提供站名 播报服务，而对于站点周边的旅游景点、酒店等其他公共服务信息则不提供任何 服务，乘客并不能获得与其出行相关的一些服务信息，而这些信息对于乘客特别 是外地乘客显得尤为重要。第四，人工或半人工的报站方式不可能给调度管理部 门提供及时的车辆运行情况和位置情况，这使得管理部门无从得知车辆的实时信 息，因此无法对车辆运行提供实时的调度，对于某些突发状况也只能束手无策。 而智能车载语音播报方式则是为了解决这些矛盾所提出的一种全智能化的公交车 车辆报站方式。它运用当前热门的电子和通信技术实现了车辆进出站自动语音报 站以及对车辆进行实时跟踪定位的功能，同时通过相关技术研发还可以实现特定 环境所需实现的特定功能。公交报站方式的智能化建设对于提高公共交通的服务 水平、提升城市的形象有着重要的意义。智能车载语音播报器的研究是实现智能 公交系统的基础，对智能公交系统的发展有着重要的推动作用。 1 3 国内外研究动态 2 0 世纪8 0 年代以来，西方发达国家投入了大量的大量人力、物力、财力进 行城市公共交通管理的智能化研究【3 】。因为城市决策者们意识到传统的加速道路 建设方法不可能从根本上解决这些问题，只有大力发展智能交通充分利用现有资 源才能从根本上解决城市道路拥挤问题，才能大幅提到行车安全和通行运输效率。 才能从根本上解决城市交通拥堵，突破城市经济建设发展的交通瓶颈。公交车报 站方式的智能化也正是在这个阶段提出和实现的。 1 3 1 国外研究动态 美国在其公共交通发展十年规划中明确指出，智能公交的发展要求政府各相 关部门和企业必须进行专业职能转换：要从大规模基础设施的建设与维护转型为 给公共交通基础设施的使用者司机与乘客提供高效、优质的服务。智能公交的发 展也将促使交通管理部门进行角色转换：它将从道路设施的建设者和维护者转化 为改善和提高基础设施的使用效率和肿t 2 台- 1 匕匕的协调者。这种职能转换将会对原有的 交通管理机构进行重新组合，其机构运行方式也将有较大的改变。因此，我们需 要重新认识各个管理机构之间、机构与出行者之间的关系。在各机构新的职责范 围内，我们要设立以公共交通运输项目为优先的开发机制，重新调整相关专业人 员的培训与雇佣的方式。 通过多年的发展，美国已经在智能公交领域取得了长足的进步，主要体现在 对公交公司的管理上【4 1 。成果主要包括了两个方面：一方面，将公司管理技术化。 其核心思想是把技术因素融入到管理的全过程，例如利用远程调度系统对车辆实 行远程的实时调度，其为公交公司管理规模的不断扩大提供了坚实的技术支持。 其二，实现了公司管理的模式化。它用简单的管理组织机构替代原有的错综复杂 的管理机构，例如a d a t r ( a u t o m a t i cd i s p a t c h a r i d et r a n s i t ) 管理模式和a p t s 管理模式，a d a t r 名为自动顺序进出站管理调度模式，它采用远程调度系统安 排公交车辆实现自动化运营的一种管理模式。而我们熟悉的a p t s 管理模式名为 智能公交系统，它主要是实现公交车辆的实时动态调度和实时信息的发布。通过 研究，已有多套智能系统应用到该系统中：车载通信终端系统、地理信息系统、 自动定位系统、乘客自动技术系统、广告和信息发布系统等。现在其正致力于研 究更为便捷的服务系统，例如在途信息系统、出行方式接驳信息服务系统等。 欧洲国家也很早对智能公交系统开展研究，相比美国大多数科技成果是由企 业独立研发不同的是，欧洲国家的研究是通过官方与民间科研机构进行合作完成 的。2 0 世纪8 0 年代，以英、法、德等为代表的数十个国家投资5 0 多亿美元实施 了“d r i v e ”计划。该计划主要目的在于通过完善道路设施的使用，从而提高公 交管理部门的服务水平，其研究内容涵盖了整个公共交通领域主要包括例如：公 众的需求管理、城市交通信息综合管理系统和辅助驾驶系统的研究等。通过实施 “d r i v e ”计划，欧洲各国在解决道路拥堵问题和公共交通服务问题上取得了良好 的效果。紧接着欧洲各国又开展了t e l e m a t i c 的应用，他们希望在全欧洲范围内 建立专门的交通无线数据通信网 s l 。该项目是实现了诸多交通管理功能如：驾驶 导航、电子收费等。目前，德国已经建立起完整的智能公交系统，其智能车载终 端能够高效的完成车辆实时定位、实时监控车辆状况、计算各站上下乘客数等众 多的功能。 亚洲国家在智能交通研究方面则起步较晚，日本在该领域研究是最早的，也 取得了较好的发展。在公交管理方面，其实现了中心管理模式和信息化管理。中 心管理模式即在某个区域设置区域管理控制中心，通过区域积累数据，将这些信 息进行集中处理，实现公共交通的实时监控、管理和服务。信息化管理则是通过 车辆动态信息系统、城市交通管理系统等在城市交通管理、公交车辆运营监督和 乘客出行服务等方面实现全方位的信息采集、传递和处理，利用信息化管理提高 智能。下载语博播报搽没汁j 开发 城市公共交通的运行效率和质量。其终端信息的搜集均是由车辆上配备的智能车 载终端进行采集和传输的。 1 3 2 国内研究动态 通过多年的发展，我国在智能公交领域也取得了比较大的发展，但是由于起 步较晚、经济发展不平衡、城市规划不够全面、基础设施建设不够完善，城市交 通问题依然严峻。随着各级政府部门对公共交通领域的投入也不断加大。一些经 济相对发达的大中城市已建立了相对完善的智能交通管理系统，比如深圳、北京 等发达城市目前就建立了相对完善的智能公交系统，该系统初步实现了车辆实时 调度、地理信息查询、导航、道路信息采集与提醒、车辆自动定位跟踪等功能。 这些功能的实现很大程度的提高了公交的运行质量和服务水平，大大提高了人们 乘坐公共交通出行的意愿。 然而，由于经济发展不均衡，我国各地智能公交系统发展水平也大不相同。 现阶段大部分国内城市报站方式依然是传统的人工报站或者是人工干预的半自动 报站方式。这些方式由于都需要由驾驶员进行人为干预，从而造成很大的安全隐 患，错报、漏报等状况也时有发生。近年来，随着g p s 技术的发展，其也被用于 自动报站领域。利用g p s 进行自动报站具有高精度、全自动播报、限速提醒等诸 多优点。然而目前国内市面上大多数报站器都是基于单片机的，其由于受到主控 芯片自身条件的限制，这种报站器功能单一、提供的外部接口很少、同时由于其 语音芯片容量有限，能够存储的内容也很少造成语音信息压缩率过高，大大影响 了播报音质。而且这种单片机播报器语音数据更新困难需要专业的人员进行操作， 步骤十分复杂。智能公交系统的不断发展对于车载设备的要求不断提高，这种基 于单片机报站器已经不适应智能公交系统的发展了。因此，开展新代的智能车 载语音播报器的研究工作势在必行。 1 4 本课题研究背景及意义 近年来，随着国家经济发展的战略调整，中西部成为国家经济发展的重心。 长沙经济也借着这股春风也得到了大力的发展，人民生活水平逐步提高。据报道， 2 0 11 年初长沙市区车辆保有量已经突破百万辆，而城市建设速度远远赶不上机动 车增长速度，交通问题已经成为长沙经济实现可持续发展的瓶颈问题。城市道路 拥堵给人们的出行带来了极大的不便。同时，造成了很大的环境污染。随着生活 水平的提高，人们对于公共交通服务的水平和质量以及居住环境质量提出了更高 的要求。因此，大力发展智能公交系统无论对于长沙经济的发展以及人们生活质 量的进一步提高有着重要的意义。g p s 全球定位技术、嵌入式技术、系统集成技 术、通信技术等高科技的发展也为智能公交系统的实行提供了技术支持。 目前，长沙市约有3 0 0 0 余台公交车，它们均安装了第一代g p s7 d - 音报站器。 实现了自动报站，站点间行车时间存储等功能。公交车还装有p o s 刷卡机、l e 。d 电子显示屏等车载设备。但是由于无统一标准，这些车载设备也是根据不同时期 的不同需求而添置的，每个设备均是一个独立的小系统，无法实现统一管理，因 此对于各种数据的更新都极为不便，只能采取人工方式对每台车的每台设备进行 操作，浪费了大量的人力、财力。同时，智能公交系统需要采集多种数据发送到 后台管理中一心，如果都交由后台处理数据量可想而知，如果车载终端能够进行初 步的筛选对于后台的处理压力将大为减少。随着人们对信息的需求越来越大，出 行的人们都希望随时随地能进行相关交通服务信息查询，对于上述这些要求第一 代基于p i c 处理器的g p s 语音报站器不可能通过简单的软件升级来完成上述功 能，我们必须研发新一代的智能车载语音播报器来满足长沙智能公交发展的需要。 本课题以长沙市公交管理公司为应用背景，最终目的设计一款高性能的智能 车载语音播报器，它除了能够进行准确高效的语音报站以外，其还能完成对公交 车所有车载设备的统一管理和信息更新，同时具有一定的数据收集和处理能力。 同时课题也对近年来热门的g p s 动态精确定位算法进行了研究。课题的开展对于 长沙市智能公交系统的建设有着较大的实用价值，并对长沙市智能公交的发展和 建设具有一定的科研价值和理论指导意义。 1 5 本论文的主要内容 本文提出了智能车载语音播报器的的总体设计方案，重点介绍了播报器的软 硬件设计及主要功能的实现。本人作为项目负责人主要完成了以下工作：智能语 音播报器的总体设计方案、部分硬件电路调试、操作系统的移植、应用程序的设 计与调试、终端的总体测试并对g p s 高精度动态定位理论进行了研究。本论文主 要内容具体包括： 第1 章：绪论。综述了智能交通系统和智能公交系统的基本概念、国内外发 展现状。详细分析了目前智能公交系统及智能车载语音播报器的发展现状，提出 了本文需要完成的工作及课题研究的实际意义。 第2 章：智能车载语音播报器总体设计。详细介绍了发展智能公交系统的组 成。根据长沙智能公交系统的发展状况提出了智能车载语音播报器的功能需求和 指标，之后提出， - - - 2 , 体设计方案，并结合方案对主控芯片选型和操作系统的选择进 行了具体介绍，并对主要功能模块进行了简单介绍。 第3 章：智能车载语音播报器硬件设计。详细介绍了智能车载语音播报器的 硬件平台的设计方案，并给出了重要模块的具体电路设计。 第4 章：智能车载语音播报器软件设计。介绍了智能车载播报器w i n c e 操作 系统的定制及移植、外围驱动程序以及应用程序的开发过程。其中对部分重要驱 智z 。m * t 7 r ，7 载语音播报器设汁j 升发 动及应用程序的开发过程进行了详细的介绍。 第5 章：g p s 整周模糊度解算研究。本章首先对载波相位测量原理及作用进 行了简单介绍，之后详细阐述了当前几种流行的o t f 算法，最后研究了附有约束 条件的整周模糊度解算方法，详细介绍了该算法的数学模型及仿真分析和结论。 总结和展望中，对本设计取得的成果以及局限性进行了分析和总结，对下一 步的工作和项目未来的发展进行了展望。 硕二1 ：学位论文 第2 章智能车载语音播报器的总体设计 2 1 智能公交系统的组成 以往的公交车辆调度都是按照固定的轮转方式进行人工调度，调度管理人员 对于车辆的调度调整往往是根据驾驶员和乘客的反馈以及各方面的实际情况来实 现的。这种人工调度方式根本无法掌握车辆的实时状态、实时位置以及各线车辆 的运行密度等信息。然而，车辆运行中的状况是无法预料的，如果车辆行驶过程 中出现意外状况后，后台调度根本无法实时判断当前情况。因此，就不能及时下 达准确的调度指令从而影响车辆运输效率和公交服务质量。而现代智能公交系统 正是为了应对越来越复杂的交通状况而建立的一套具有实时处理能力的调度管理 系统。智能公交系统构建框图如图2 1 所示。 n 载l e d p o s f l 数据系统 图2 1 智能公交系统构建图 该系统由车载终端系统、无线传输系统、后台调度处理系统组成。由具有g p s 定位功能的智能车载终端提供实时的车辆信息，由无线通信网络将车载终端搜集 的信息传送至后台管理系统中，后台管理系统负责处理和分析传来的信息自动进 行管理调度工作，发布实时的调度信息。智能公交系统的建立改变了以往人工排 班的单一的调度形式，使得车辆和后台以及车辆和车辆之间能够相互进行实时通 信获取各自信息从而为科学调度提供了有力的依据。， 智能车载语音播报器是智能公交系统的重要组成部分，作为重要的车载终端 其除了进行自动语音报站工作外，还作为整个智能公交系统的数据采集源，为整 个系统提供相应的数据支持，同时，它还是系统调度命令的最终发布者。本文研 究重点就是车载终端系统中的智能车载语音播报器。 2 2 智能车载语音播报器功能需求及技术指标 根据系统对车载播报器的功能需求，车载播报器需要实现以下功能： 1 ) 实时定位功能：能实时获取车辆的经度、纬度、时间、速度等信息。 2 ) 语音报站功能：能够在车辆到站时进行语音报站，语音报站有两种模式： 自动报站和手动报站，驾驶员可以根据实际情况在不同的报站模式之问进行切换。 3 ) 自动更新车载l e d 显示屏：l e d 显示屏实时显示车辆进出站信息、时间、 广告和其它一些后台调度系统需要其显示的信息。 4 ) 超速报警：当车辆时速超过设定的阀值时，车载终端发出警报提醒驾驶员， 从而保证车辆在安全速度行驶最大程度保证行车安全。 5 ) 自动播放语音广告：公交车语音广告是一个新兴领域，通过车载语音系统 不定时向乘客播报语音广告，其广告覆盖面是其他媒体无法比拟的，商：业广告能 为公交公司带来了不错的经济效益；同时公益广告也能带来很好的社会效益。 6 ) 外部接口：长沙公交车现状决定了很多车载设备必须接入到整个公交系统 中进行管理，这就要求必须提供丰富的接口供给其他外部设备的接入。 根据功能需求，本课题制定播报器的技术指标如表2 1 所示： 表2 1 智能车载语音播报器技术指标 功能指标 语音格式 s d 卡容量 线路存储条数 巡航导播方式 电源输入 操作系统 扩展接口 工作温度 m p 3 格式 2 g ( 支持更大容量s d 卡) 大于l0 0 条 多方式语音导播 5 - 3 3 v w i n d o w sc e5 o r $ 2 3 2 、r $ 4 8 5 、u s b 2 0 - 7 0 颂：卜学位论文 2 3 智能车载语音播报器的总体框架 根据播报器设计功能需求，考虑到车载环境卜分复杂，为了保证系统能很好 的运行，本系统采用稳定性高，可靠性强，体积小，功耗低，抗干扰能力强的嵌 入式系统。其主要由：主控模块、电源模块、语音模块、显示模块、键盘模块、 s d 卡以及相应的外围电路和1 1 0 口等组成。同时，预留了3 g 通信模块接口和多 种接口如：r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、u s b 2 0 以供其他车载设备接入。智能车载播报器系 统框图如图2 2 所示。 图2 2 智能车载播报器系统框图 智能车载语音播报器将站点、广告等语音信息存储到大容量的s d 卡中，通 过g p s 模块获取车辆的实时经纬度信息，再和播报器中存储站点的经纬度信息进 行比较，以此作为触发报站条件。当车辆从上游进入以站点为圆心，设定的阀值 为半径的范围时自动播报进站语音并更新l e d 显示屏的站点信息，当车辆离开该 范围时自动播报离站语音。若某站点为语音广告播放站点，则到达站点播放完站 点信息后自动播放指定的语音广告。 2 4 嵌入式微处理器的选择 2 4 1 嵌入式系统概述 嵌入式计算机系统是当今计算机技术发展的一大热点领域。虽然嵌入式技术 已经进入了我们生活的各个方面，但是对于嵌入式系统却没有一个明确的定义。 简单的说嵌入式系统就是计算机、电子等相关技术与各行业的具体应用结合起来， 为特殊的用途而设计的微计算机系统【如】。现在最为普遍的描述是“以应用为中心、 以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、成本、可靠性、功 耗、体积的严格要求的专用计算机系统”。 嵌入式系统并不是简单的将一台通用计算机原封不动地植入应用对象中，而 是将计算机核心技术通过功能分析裁剪后有机的植入设备对象。在发展初期，人 们将通用计算机原封不动地嵌入到控制对象中以实现自动化，例如控制机床。结 果发现通用计算机在这样的微控制系统中不仅控制能力弱，抗干扰能力差，而且 设备体积大、功耗高、成本高等。随着技术的发展到2 0 世纪7 0 年代，面向控制 的单片微计算机出现，嵌入式计算机才正式开始其发展之路【6 】。经历三十多年的 发展，嵌入式技术突飞猛进，处理器速度不断提高，微电子集成技术不断发展， 存储设备制造技术不断进步使得高性能片上系统s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 趋于成 熟。同时，由于互联网技术的飞速发展，嵌入式产品更是得到了更为广泛的应用， 航空航天领域、军事领域、工业控制领域、汽车电子领域、通信领域、办公及消 费电子领域等领域中嵌入式系统的应用无处不在。如今它又朝着信息家电领域和 3 c 领域大步发展。 嵌入式系统是根据对象设备的具体应用需求将计算机技术嵌入到对象设备 中，通过处理、运算、控制等使对象表现出智能化。因此，其并没有统一的物理 形态。我们按照形态可以将嵌入式系统分为：设各级( 工控机) 、板级( 单板、 模块) 、芯片级( s o c 、m c u ) 。嵌入式系统由嵌入式硬件部分和嵌入式软件部 分组成。对于嵌入式硬件其核心是微处理器，在机械电子、仪器仪表、家用电器 等低端应用中通常采用单片机，在多媒体、通信、网络等信息量大的中高端应用 中则通常使用处理能力强、运算速度快的3 2 位微处理器。除了处理器外嵌入式系 统还包含了基本的支撑硬件：存储器( 如f l a s h 、r a m 、r o m 、m e m o r y ) 、 i o 接口( 如串口、网络接口、u s b 口、键盘接口等) 。嵌入式软件包括了操作 系统和应用软件。对于低端应用，是应用软件直接与硬件打交道。而对于复杂的 中高端应用，嵌入式操作系统发挥着重要的作用，通过对操作系统进行简单的修 改，开发人员可以避开繁杂的底层控制，将主要精力集中于应用程序的开发，从 而大大短短嵌入式产品的开发周期。因此，软硬件的差异性决定了嵌入式系统的 多样性。 正是考虑到嵌入式具有如此多的优点，它十分适合本文的智能车载语音播报 器的工作环境。因此，本文才会最终选择嵌入式系统。 2 4 2 几种嵌入式微处理器的比较 嵌入式系统是以嵌入式微处理器为核心，通过扩展各种外围设备和接口而构 建的。目前，嵌入式处理器依据其采用的处理器核，有很多种不同的型号。当今 市面上流行的处理器架构有以下几种，下面对它们做简单的介绍。 1a r m 系列 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 可以说是一个公司的名称，也可以说是一类 硕l j 学位论文 处理器架构的名称，它是微处理器行业中i p 核设计的一面旗帜。a r m 处理器是 基于精简指令集( r i s c ) 的优秀c p u 架构，除了捌有r i s c 的优点外，a r m 还 有其自身的特点：a r m 架构大量使用寄存器，绝大部分数据处理在寄存器中完成， 芯片的指令执行速度更快；同时，其采用灵活的寻址方式，执行效率非常高；而 且其功耗低、成本小已经被全球各大芯片厂商所接受和采购。a r m 芯片有很多系 列：a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 、a r m l1 等，目前正在设计的c o r t e x a 1 5 芯片已经 可以与x 8 6 架构的桌面c p u 相抗衡。当然每一个系列的a r m 微处理器由于其性 能与价格的差异，因而都有各自的特点和应用领域。由于a r m 基础架构优秀， a r m 微处理器已经在工控、消费类电子、通信等领域有了极为广泛的应用，占到 了3 2 位r i s c 处理器3 4 以上的市场份额。 2m i p s 系列 m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e ) 简明并行指令计算 系统。它是由m i p s 技术公司开发的一种处理器内核标准，该公司主要设计和制 造高性能、高档次的嵌入式3 2 位和6 4 位处理器。其于19 9 9 年发布了m i p s 3 2 和 m i p s 6 4 架构，为其后续发展奠定了基础。基于m i p s 的设计已经集成在全球千万 产品中了。从技术创新上来说多线程技术一直是m i p s 发展的主要方向，目前m i p s 已经能够提供单线程和多线程处理器在系统中的有效应用。 3x 8 6 系列 x 8 6 结构已经主宰了几乎全部的p c 市场份额，然而嵌入式领域的开发相比 p c 机有着其自身的特点，不同领域的嵌入式产品设计有着不同的要求。x 8 6 架构 比起a r m 结构在性能方面要快得多强得多，但是它发展的思路是：性能+ 速度， 这个发展方向和模式使其产品的功耗居高不下，即使是号称低功耗的手提电脑或 上网本，其功耗与a r m 结构的电脑也无法相比。 综上所述，考虑到功耗、性能、价格、市场占有率和兼容性等各方面的因素， 本文系统选用a r m 9 微处理器。 2 5 嵌入式操作系统的选择 2 5 1 嵌入式操作系统概述 随着技术的发展和人们需求的增加，各种电子产品的功能越来越强大，很多 设备变得“等同于p c ”：设备有键盘、触摸屏、l c d 等输入输出设备，可以完 成很多p c 机的功能。当系统越来越大，应用越来越多时使用操作系统就显得十 分必要。操作系统的主要作用有：统+ 管理系统资源、为用户提供丰富的访问硬 件的接口、调度多个应用程序、管理文件系统等。在嵌入式领域中，可供选择的 操作系统称为嵌入式操作系统，比如：嵌入式l i n u x 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e 等。 相比传统的p c 操作系统，嵌入式系统有其自身显著的特点 7 ： 1 ) 设计原则不同。传统的p c 领域注重系统的整体系能，强调对多用户多任 务的支持和系统的平均响应时间。而嵌入式操作系统则是针对“专一”的某种功 能和强调很高的实时性。 2 ) 交互方式不同。传统p c 领域的交互模式一般体现在鼠标键盘等外接设备 上，而嵌入式操作系统出了这些外接设备外，还可以通过触摸屏、电子墨水笔等 系统自带的语音识别软件实现人机交互。 3 ) 稳定性要求不同。嵌入式领域对系统稳定性的要求远远高于传统的p c 领 域，如果嵌入式设备没有高的稳定性和可靠性是无法适应其使用环境的。， 4 ) 开发环境不同。嵌入式领域软件设计需要直接对底层硬件进行操作才可以 获得良好的软件性能。 5 ) 系统资源不同。p c 上的硬件资源非常丰富可以充分发挥软件的性能，而 嵌入式设备的资源有限，必须加以考虑。 6 ) 实时性要求不同。嵌入式设备大多应用在对于实时性要求很高的领域。 7 ) 可裁剪性不同。嵌入式系统可以根据实际应用来进行内核的裁剪，这点在 p c 领域操作系统很难实现。 2 5 2w i n c e 嵌入式操作系统的特点 w i n c e 是微软公司针对嵌入式设备开发的3 2 位、可裁剪、多任务、多线程 的实时嵌入式窗口操作系统。它主要由有以下一些优点1 8 1 ： 1 ) 高可靠性和稳定性。w i n c e 是一个专门针对嵌入式操作系统领域推出的 产品，可靠性和稳定性一直是其追求的目标，相比桌面w i n d o w s 而言，w i n c e 要稳定得多。因此被应用到很多对可靠性要求比较高的领域。车载终端是整个公 交系统的数据源它对设备的稳定性有着比较高的要求。 2 ) 多任务性。w i n c e 可以看成是w i n d o w s 的简化版本自然也能支持多任务 功能，可以在系统中同时执行多个任务，并在多个任务之间来回切换。适应车载 终端管理整套车载设备时需要同步执行多个任务的需求。 3 ) 有良好的兼容性。它支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、s h 等架构的c p u ，硬件 驱动程序丰富，比如支持w i f i 、u s b 2 0 等新型设备。随着智能公交的发展，各 种新型设备在不久的将来极有可能用于智能公交系统中，因此适当新型设备接口 的支持有利于终端设备的扩充。 4 ) 可裁剪性。w i n c e 可以灵活裁剪以减小系统的体积。 5 ) 容易上手的开发环境。与p c 机上的w i n d o w s 桌面系统相通，开发调试工 具使用方便，应用程序的开发流程与p c 上的w i n d o w s 程序的开发流程相似。 6 ) 强大的图形界面。友好的用户界而使得用户在使用时完全可以避免晦涩难 懂的命令行代码来操作，只需点击相应的图标即可，同时其还支持手写识别、声 音识别等特殊功能。对于要进行人机交互的车载终端设备而言是必须的。 7 ) 无处不在的通信。它支持各种通信硬件、局域网连接，可以用于各种级别 的数据传输和设备之间的连接。同时它不仅与桌面w i n d o w s 有良好的通信能力， 与其他支持主流通信方式的设备同样可以进行高效通信。 综上所述，w i n c e 嵌入式操作系统相对而言更适合本文智能车载语音播报器 的开发需求，因此本文播报器选择w i n c e 作为片上操作系统。 2 6 主要功能模块介绍 1 主控模块 主控模块是整个系统的核心部分，是实现系统功能的基础。通过它对系统各 个功能模块进行控制和协调。本设计采用s u m s u n g 公司设计生产的基于 a r m 9 2 6 j e s 内核的嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 16 为主控芯片。虽然其主频只有 4 0 0 m h z 和基于a r m 9 2 0 t 为内核的$ 3 c 2 4 4 0 持平，但是在处理运行速度方面要 快很多。$ 3 c 2 4 16 在内存方面支持m d d r 、l p d d r 、d d r 2 等多种内存，最高 1 2 8 m b ；在s d m m c 卡方面支持2 路协议为4 0 协议的高速s d 卡和m m c 卡。 因此，$ 3 c 2 4 1 6 不仅在处理数据方面有很强的优势，还能支持市面上大部分高速 s d 卡和m m c 卡，符合多智能车载播报器的需要。 2 语音模块 语音模块的主要是实现本系统所需的各种语音播报功能。本文采用由深圳点 创公司生产的一款语音处理模块m i n i c a 1 0 1 f s ，该模块是一个提供串1 2 1 控制的语 音模块，其使用简单、扩展灵活，不仅能提供丰富的串口命令用于控制语音播放， 还可以向主机提供信息查询命令。其具有以下特性：支持m p 3 格式文件播放、提 供串口控制( t t l 电平) 播放、支持f a t l6 、f a t 3 2 文件系统、支持s d 卡等。 3g p s 模块 g p s 模块是位置信息采集模块为实现实时定位和自动报站提供数据支持。本 文选用台湾长天科技有限公司生产的g r 8 7 卫星接收模块，它采用s i r f 第三代 高效能，高灵敏度、低耗电量芯片s t a ri i i ，内建a r m 7 t d m ic p u ，2 0 0 ，0 0 0 个 卫星追踪运算器，大幅提高了搜寻及运算卫星讯号能力，支持r t c ms c - 10 4d g p s 和w a s s e g n o s 解调，支持n m e a 0 1 8 3v 2 2 版本规格输出，符合本文智能车 载播报器对于定位精度要求。 智能乍载语音播报器改汁j 开发 4u s b 模块 u s b 口分为u s bh o s t ( u s b 设备控制器) 和u s bd e v i c e ( u s b 驱动器) ， 它们分别可以作为外部设备的接入口和连接电脑使用。本文系统采用g l 8 5 0 芯 片，其全面支持u s b l 0 和u s b 2 0 协议，提供4 个总线供电或自供电的下游端口， 支持外部1 2 m h z 晶振。有利于将来智能车载语音播报器同时支持接入多个u s b 设备，从而进行统一维护管理。 5 串口模块 主要作为相关命令和数据的传输通道。本系统选用最常用的s p 3 2 3 2 e e n ，其 满足e i a t i a 2 3 2 f 标准，工作电压为+ o 3 vn + 5 5 v ，同时该芯片面积很小有利 于电路设计。 6s d 卡 作为语音文件的存储以及操作系统镜像的存储设备。 7 电源模块 鉴于车载环境十分复杂，为整个设备提供稳定的电源是保证系统安全高效运 行的关键。 2 7 本章小结 本章首先介绍了智能公交系统的组成，之后对智能车载播报器的功能需求及 其技术指标进行了分析介绍，根据功能需求提出了智能车载语音播报器的总体设 计方案，详细介绍了微处理器和操作系统的选择。最后对几个重要的模块主要完 成的功能进行了简要的介绍。 第3 章智能车载语音播报器硬件设计 任何嵌入式设备都是由硬件和软件组成，嵌入式硬件平台是嵌入式系统实现 其功能的基础。本章将对智能车载语音播报器各部分模块的芯片选型和具体的硬 件电路设计进行详细介绍。 3 1 主控模块 微处理器的选择不能纯粹只考虑硬件接口，还需考虑操作系统支持、开发工 具及仿真器的支持等情况。微处理器选择是否得当是项目成败的首要关键问题9 1 。 本文智能车载语音播报器选用的处理器是由三星公司于2 0 0 8 年底推出的一款基 于a r