（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式linux的车辆轨迹复现手持终端的研究与实现.pdf

基于嵌入式l i n u x 的车辆轨迹复现持终端的研究1 j 实现中文摘要 基于嵌入式l i1 1 1 i x 的车辆轨迹复现手持终端的研究与实现 中文摘要 随着汽车产业的飞速发展，交通事故的发生率也在快速提高，严重危害居民安全 和社会稳定。目前，我国在事故分析及责任认定上仍处于人工分析判断阶段，这种方 式含有很大的人为因素。因此，交通事故发生后，如何对交通事故的责任进行客观、 公正地判定，已经成为具有重要社会意义的研究课题。 本课题在总结现有研究成果的基础上，设计实现了具有较完整功能的车辆轨迹复 现手持终端系统。手持终端通过无线设备接收车载设备发送的车辆行驶数据信息，调 用轨迹复现算法，计算出车辆在事故发生过程中的行驶轨迹坐标，并以图形方式显示 在手持终端的l c d 屏幕上。本课题最终实现的车辆轨迹复现手持终端是以高性能 a r m 9 内核处理器$ 3 c 2 4 4 0 芯片为核心，实现了数据的快速接收、存储及处理；以 嵌入式l i n u x 为操作系统，实现了多任务运行；基于m i n i g u i 开发了友好的图形用户 界面，实现了触摸屏输入控制；同时还具有车辆行驶数据无线接收存储、轨迹复现算 法实现及轨迹图形绘制、轨迹数据文件管理等功能。 本手持终端可辅助相关人员进行交通事故的处理，通过现场再现事故发生时车辆 的行驶轨迹，快速判定事故的责任归属：同时通过保存在手持终端中的轨迹数据信息， 为后续相关事故处理工作提供事实依据。因此，本系统对提高交通事故的处理效率和 准确性具有重要意义。 关键词：车辆轨迹复现，手持终端，嵌入式l i n u x ，嵌入式g u i ，$ 3 c 2 4 4 0 作者：黄坤 指导老师：施国梁 a b s t r a c t r e s e a r c h a n dr e a l i z a t i o no nv e h i c l et r a j e c t o r yr e c o n s t r u c t i o nh a n d h e l dt e r m i n a lb a s e do ne m b e d e dl i n u x r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no nv e h i c l et r a j e c t o r yr e c o n s t r u c t i o n h a n d h e l dt e r m i n a lb a s e do ne m b e d e dl i n u x a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y ，t h ei n c i d e n c eo ft r a f f i ca c c i d e n t s h a sa l s or i s e nr a p i d l y ，s e r i o u s l ye n d a n g e r i n gt h es a f e t yo fr e s i d e n t s a tp r e s e n t ，a n a l y s i s a n dr e s p o n s i b i l i t yi nt h ea c c i d e n ta r es t i l li nt h es t a g eo f m a n u a la n a l y s i s t h i sa p p r o a c h c o n t a i n sl o t so fh u m a nf a c t o r s t h e r e f o r e ，i ft h ea c c i d e n th a so c c u r r e d ，h o wt op r o v i d e o b j e c t i v ea n a l y s i sa n dj u d g m e n to nt r a f f i ca c c i d e n t sh a sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c i nt h i st h e s i s ，av e h i c l et r a j e c t o r yr e c o n s t r u c t i o nh a n d h e l dt e r m i n a ls y s t e mw i t hf u l l f u n c t i o n a l i t yi sp r o p o s e da n dd e v e l o p e d t h eh a n d h e l dt e r m i n a lr e c e i v e sw i r e l e s sd a t a s e n d e db yt h ee q u i p m e n ti n s t a l l e di nv e h i c l e w i t ht r a j e c t o r yr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m ，t h e h a n d h e l dt e r m i n a lc a nc a l c u l a t et h ev e h i c l e sp o s i t i o n t h et r a j e c t o r yo ft h ev e h i c l e i n v o l v e di na c c i d e n tc a l lt h e nb er e c o n s t r u c t e da n ds h o w no nt h el c do fh a n d h e l d t e r m i n a l t h eh a n d h e l dt e r m i n a lb a s e do na r m 9 ( $ 3 c 2 4 4 0 ) a n de m b e d d e dl i n u xc a n s t r o ea n dp r o c e s sd a t ar a p i d l y w i t ht h eg u ia n dt o u c h s c r e e nb a s e do nm i n i g u i ，u s e r s c o u l dc o n t r o lt h es y s t e me a s i l y t h eh a n d h e l dt e r m i n a la l s oh a ss o m eo t h e rf u n c t i o n ss u c h a sv e h i c l ed a t as t o r a g ea n dv e h i c l et r a j e c t o r yd r a w n t h eh a n d h e l dt e r m i n a lc o u l da s s i s tp o l i c eo f f i c e r st od e a lw i t ht r a f f i ca c c i d e n t sa tt h e s c e n ea c c u r a t e l y w i t ht h ed a t as t o r a g e di nt h eh a n d h e l dt e r m i n a l ，i ta l s op r o v i d e sf a c t sf o r t h ef o l l o w u pt r e a t m e n t k e y w o r d s ：v e h i c l et r a j e c t o r yr e c o n s t r u c t i o n ，h a n d h e l dt e r m i n a l ，e m b e d e d el i n u x ， e m b e d d e dg u i ，$ 3 c 2 4 4 0 w r i t t e n b y ：h u a n gk u n s u p e r v i s e db y ：s h ig u o l i a n 皋十嵌入l i n u x 的车辆轨迹复现r 持终端的研究j 实现 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着我国汽车产业的快速发展，我国已经成为世界汽车产量、销量第一的汽车大 国。伴随着公路上行驶着越来越多的车辆，随之而来的是交通事故的频繁发生。国家 不仅在努力采取各种措施以减少交通事故的发生，同时也在研究如何在交通事故发生 后进行科学定责。目前，我国对交通事故的责任判定，通常主要由交通部门和保险部 门以事故现场及监控录像记录为依据，通过询问当事人和目击者、拍摄现场照片和调 用监控录像来判定事故的责任归属。然而由于各种外在因素及人为因素的影响，使得 交通部门和保险部f - j n 断的准确性、可信度等出现问题，更有甚者伪造、破坏、转移 事故现场，使得交通事故的定责更加困难。因此，如果交通事故已经发生，如何科学 客观地描述当事各方在事故发生前和发生过程中的车辆行驶状态( 包括车辆的速度、 姿态、行驶路线、事故发生时间等) ，以及如何客观地判定交通事故当事各方的责任， 使受害方的权益不受侵害，肇事方得到法律的制裁，已经成为具有重要社会意义的研 究课题【。 基于以上原因，本课题给出了事故车辆轨迹复现手持终端系统的设计和实现方 案。轨迹复现手持终端通过无线接收安装在车辆中的车载设备【2 】所采集的车辆行驶过 程中的数据信息，结合手持终端内的轨迹复现算法【3 】，复现出车辆发生事故过程中的 行驶轨迹。其中，车载设备安装在车辆的固定位置，在车辆行驶过程中不间断地采集 存储行驶过程中的相关数据信息，在车辆发生事故停止行驶后停止数据的采集，并能 够将采集的数据以无线传输方式发送给手持终端进行处理。轨迹复现手持终端由交通 部门相关人员持有，在事故发生后，能够在事故现场操作手持终端，通过手持终端无 线接收并保存车载设备采集的数据信息，手持终端内部调用相关轨迹复现算法计算出 车辆行驶的轨迹坐标，最后在显示屏幕上绘制出来。由于整个车载设备的数据采集及 手持终端的轨迹复现过程中都排除了各种人为因素的干扰，因此此系统可以客观公正 地辅助相关部门进行现场交通事故的责任认定，提高交通事故的处理效率。同时，完 整的手持终端系统还具有历史数据文件保存及导出功能，为后续的事故处理理赔等提 第一章绪论 基于嵌入式l i n u x 的乍辆轨迹复现下持终端的研究j 实现 供事实依据。 1 2 课题国内外研究现状 事故再现的过程主要是依据事故现场的采集、记录、调查与分析，将事故车辆由 碰撞后的终止位置反推回碰撞过程，再反推回碰撞前的运行状态，以此来分析事故原 因，然后根据相关法律规定进行责任认定1 4 】。目前，交通事故过程再现主要通过计算 机辅助实现。通过对交通事故的现场进行勘察，提取事故发生时的现场特征，如碰撞 后车辆的位移、损坏程度、拖痕长度、路面情况等，运用动量守恒与能量守恒的基本 原理，在计算机辅助下进行系统化建模，从而模拟再现交通事故的整个过程。 我国在事故分析及责任认定上仍处于人工分析判断阶段，这种方式含有很大的人 为因素。近年来，我国加大了事故重建技术方面的投入，比较典型的有：清华汽车碰 撞试验室开发的“道路交通事故再现分析系统”；长安大学主持的“道路交通事故分 析与模拟技术研究 项目等1 5 , 6 j 。 国外对交通事故计算机辅助模拟分析系统的研究较早。二十世纪七十年代美国国 家道路交通安全局( n h t s a ) 资助开发了大型交通事故再现系统软件s m a c ( 汽车碰撞 模拟模式：s i m u l a t i o nm o d e lo f a u t o m o b i l ec o l l i s i o np r o g r a m ，基于牛顿第二定律的数 值积分进行求解) 和c r a s h ( 卡尔斯本公路肇事速率再现程序：c a l s p a nr e c o n s t r u c t i o n o f a c c i d e n ts n e e do nt h eh i g h w a yp r o g r a m ，采用碰撞前后的能量守恒和平移动量守恒 求解) ；s t e f f a n 博士主持开发了p c c r a s h ( p c 碰撞模拟软件) ；法国i n r e t s 研制了 a n a s ；同本j a r i 推出了j 2 d a c s 软件等7 j 。 1 3 课题研究的主要内容 本课题的主要任务是实现一款具有较完整功能的车辆轨迹复现手持终端系统。一 套完整的车辆轨迹复现系统由车载设备和手持终端两部份组成。其中，车载设备安装 在车辆中，其主要功能是通过车载设备中的惯性器件采集车辆行驶过程中的数据信 息，并在必要的时候发送给手持终端。手持终端主要功能是：能够在事故发生现场接 收事故车辆的车载设备中所保存的轨迹数据信息，通过调用轨迹复现算法，计算出事 故车辆在发生事故过程中的行驶轨迹坐标，并以图形的方式在手持终端的屏幕上显示 2 蘩十嵌入式l i n u x 的车辆轨迹复现于持终端的研究j 实现 第一章绪论 出来。同时，手持终端还具有数据文件的保存功能，以及历史数据文件的查看和管理 功能。本论文主要包含以下几方面内容： l 、对系统所要实现的功能进行分析，根据分析结果选取相应的硬件资源。 2 、以轨迹复现手持终端的功能实现为主，给出系统的开发流程。 3 、车载设备的软硬件系统搭建。 4 、手持终端的软件系统搭建：手持终端内嵌操作系统的选取( 综合考虑后选取嵌 入式l i n u x 操作系统) ；嵌入式l i n u x 软件开发环境的搭建；与手持终端嵌入式l i n u x 系统相关的b o o t l o a d e r ( 选用u b o o t ) 、l i n u x 内核、根文件系统及g u i ( 选取m i n i g u i ) 的移植和构建；手持终端中所涉及的硬件设备( 触摸屏、l c d 、串口) 在l i n u x 中的设 备驱动开发和移植；基于m i n i g u i 的人机交互界面设计实现；车辆轨迹复现功能在 手持终端上的实现等。 5 、调试运行整个系统，并对系统运行效果以及产生的误差进行分析，最后给出 改进建议。 3 第一二帝轨迹复现于持终端总体设计方案基十嵌入式l i n u x 的乍辆轨迹复现于持终端的研究。j 实现 第二章轨迹复现手持终端总体设计方案 本课题旨在设计实现具有车辆轨迹复现功能的手持终端系统。课题主要工作集中 在轨迹复现手持终端的设计实现部分，同时针对手持终端的功能要求对车载设备软硬 件系统设计进行完善。 2 1 轨迹复现手持终端功能分析 一套完整的车辆轨迹复现系统由车载设备和手持终端两部份组成。车载设备主要 负责定时采集车辆行驶过程中的角速度与加速度，并将采集的数据保存在车载设备的 存储芯片中。手持终端通过蓝牙与车载设备建立连接，接收车载设备中存储的采样数 据，计算出车辆在每个采样时刻的姿态、速度和位置参数，对计算出的参数进行处理， 复现出车辆在事故发生过程中的行驶轨迹，并以图形方式显示在手持终端l c d 屏幕 上，实现事故再现功能。本课题分以下两部分进行设计： 1 、车载设备部分：主要实现车辆行驶过程中数据的采集、存储及发送。本课题 主要工作是在参考已有车载设备设计的基础【2 】上对车载设备硬件部分进行完善，并重 新设计软件程序，使其能够配合手持终端实现系统功能。此部分非本文重点，将会在 手持终端丌发过程中，在涉及到车载设备部分时，做简要叙述。 2 、轨迹复现手持终端部分：主要完成数据的接收及轨迹的复现。为增强手持终 端实脂性及可拓展性，在手持终端中嵌入操作系统，并在此系统基础上，结合g u i 软件设计出友好的人机交互界面。手持终端采用触摸屏作为输入接口，用户通过触摸 屏，方便快捷地控制手持终端完成数据接收、轨迹复现等功能。此部分为本文重点内 容，将对其实现过程进行详细阐述。 2 2 轨迹复现手持终端总体框架 2 2 1 嵌入式手持终端概述 本课题所实现的车辆轨迹复现手持终端是具有特殊功能( 能够复现车辆轨迹) 的 4 摹十嵌入式l i n u x 的午辆轨迹复现r 持终端的研究。j 实现第二章轨迹复现于持终端。i 1 体设汁方案 嵌入式手持终端。嵌入式手持终端是便于携带的嵌入式数掘处理终端，其具有以下特 点：强大的数据存储及计算能力：可拓展性，可进行二次开发；能与其他设备进行数 据通讯；具有人机交互界面，具体而言要有显示和输入功能【8 1 。典型的嵌入式手持终 端系统【9 j 如图2 1 ： 手持终端输入端 图2 - 1 嵌入式手持终端系统框图 本课题所实现的车辆轨迹复现手持终端是以高性能a r m 9 内核处理器$ 3 c 2 4 4 0 芯片【1 0 】为基础；以嵌入式l i n u x 为操作系统；基于m i n i g u i t 1 开发了友好的图形用户 戆 界面；具有车辆行驶数据无线接收存储、轨迹复现算法实现及轨迹绘制等功能。根据 此手持终端所要实现的功能，下文将给出具体的开发流程。 ：p 2 2 2 轨迹复现手持终端开发流程 手持终端系统的开发流程与大多数嵌入式系统类似，关键是根据具体功能要求选 取合适的硬件资源，并在软件层实现相应功能。本课题参照以下几个步骤进行开发： l 、硬件系统搭建：根据手持终端功能要求，综合考虑产品的性能、体积、成本 等因素，选择主要处理器芯片和硬件接口。 2 、软件系统搭建：选择合适的嵌入式操作系统、建立主机端交叉编译环境。 3 、在手持终端上实现b o o t l o a d e r ，配置、编译、下载操作系统内核。 4 、制作手持终端嵌入式系统的的根文件系统，并移植图形界面系统。 5 、根据手持终端的功能要求和操作系统的类型丌发设备驱动程序。 6 、为手持终端设计人机交互界面，开发和移植应用程序，调试整个系统。 本章下文将按照此开发步骤，先给出硬件系统的设计及软件丌发环境的搭建。 第二二章轨迹复现丁持终端总体设计方案 基于嵌入式l i n u x 的下辆轨迹复现持终端的研究1 j 实现 2 3 轨迹复现手持终端硬件系统设计 2 3 1 硬件系统框架 根据系统总体框架的要求，分车载设备和手持终端两部分进行硬件系统设计。其 中车载设备负责车辆行驶数据的采集、存储和发送；轨迹复现手持终端则负责轨迹数 据的接收、存储和轨迹坐标的计算、绘制。根据各自需要完成的功能，分别给出以下 硬件框架设计方案。 一、车载设备的硬件框架 图2 - 2 车载设备硬件框架 车载设备硬件框架如图2 2 ，主要由以下几个模块组成： l 、c p u 模块：车载设备采用单片机( 本系统采用宏晶公司的s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 1 坨1 ) 为系统c p u ，通过c p u 对惯性器件进行定时采样，以此来获取车辆行驶时的运动信 息，从而为轨迹复现手持终端提供其复现轨迹时所需的轨迹数据信息。 2 、惯性器件模块：惯性器件模块由加速度计和陀螺仪组合而成，可以实时测量 车辆三个方向轴的加速度和角速度。本系统的惯性器件采用a d i 公司的a d i s l 6 3 5 5 1 1 3 】 集成模块，模块与单片机之白j 采用s p i 方式【l2 j 通信。 3 、存储模块：用来保存车载设备采集的车辆行驶数据，其掉电后不会丢失。此 模块本系统采用铁电存储芯片f m 2 5 l 1 6 t 1 4 1 实现。 4 、蓝牙数据传输模块：实现手持终端与车载设备之间数据的无线发送和接收。 为了缩短开发周期，本系统采用南京国春电气有限公司提供的蓝牙【1 5 1 实现，蓝牙模块 6 皋于嵌入式l i n u x 的车辆轨迹复现手持终端的研究与实现第二章轨迹复现手持终端总体设计方案 与c p u 通过串口连接，读写串口数据即可完成数据的传输。 5 、扩展辅助模块：包括电源模块、时钟模块、编程模块及复位模块等。其中电 源模块为车载设备各模块供电，采用l m 2 5 7 6 1 】芯片实现了1 2 3 v 一3 7 v 宽电压输入 和5 v 电源输出、采用l m ll1 7 1 1 。7 】芯片实现5 v 电压输入和3 3 v 电压输出。实时时钟 模块用来记录车辆发生事故后的停车时刻，采用d s l 2 c 8 8 7 t 1 8 】芯片。 此部分的设计在参考已有车载设备设计的基础上进行改进和完善，完整的设备实 物图如图2 3 ，车载设备的电路原理图见附录一。 图2 3 轨迹复现系统硬件实物图 二、轨迹复现手持终端硬件框架 轨迹复现手持终端的硬件框架如图2 4 ： a r m 内核l ，l ；蓝牙无线 微处理器+ 誓传输模块 隧霞霞2 x = = jl ；电源、串口i i 网口模块i 图2 4 手持终端硬件框架 轨迹复现手持终端主要包含t f t l c d 模块、外部存储模块、蓝牙模块及触摸屏 第二章轨迹复现于持终端总体设计方案甚于嵌入代l i n u x 的下辆轨迹复现于持终端的研究j 实现 输入控制模块。手持终端中内嵌操作系统，以增强手持终端的实时性及可扩展性。在 操作系统平台上移植g u i 及文件系统，以方便图形界面的设计及数据文件的管理。 蓝牙模块负责与车载设备之间建立通信链接，以实现数据的无线传输。本课题采用触 摸屏作为手持终端的用户输入及控制接口。用户可通过触摸屏控制手持终端，操作终 端完成数据采集、轨迹显示等一系列功能。此部分硬件以m i c r 0 2 4 4 0 开发板【1 9 】为基础， 外扩蓝牙数据采集模块【i5 1 。下文将给出手持终端硬件资源的介绍。 2 3 2 硬件系统介绍 轨迹复现手持终端是车辆轨迹复现系统的重要组成部分。该手持终端既要具有快 速准确的数据接收及处理能力，同时还需具有简洁友好的人机交互界面，因此对手持 终端的硬件配置要求较高。为了提高开发效率，决定采用现有的开发板作为硬件丌发 平台。综合考虑，本系统采用基于a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 4 0 作为核心处理器，采用 f r e n d l y a r m 2 0 】的m i c r 0 2 4 4 0 开发板为基础平台，并在其上扩展蓝牙模块【1 5 】，进行手 持终端的开发设计。m i c r 0 2 4 4 0 硬件资源配置如图2 5 ： h 5 瓢筑牟雎盯c 备出痒，p w f h 腔糖鸯磷嚣h l 5 槐户鲰0 1 | a 口埭 q 荡电糌 一l c o n t ：s d 十鲤 盏 ；l 4u s 8 i o t l r l u s e 一。s - ， 一目“7 - l c d 接口 叶l c d l ；l c o 接口 一c o h g 舷 曩癣接l j 孽经愤锋 图2 - 5m i c r 0 2 4 4 0 开发平台硬件资源 简要介绍本系统开发过程中所涉及的m i c r 0 2 4 4 0 硬件模块： c p u 处理器：s a m s u n gs 3 c 2 4 4 0 ( a r m 9 内核) ，主频4 0 0 m h z ，最高5 3 3 m h z 。 s d r a m 内存芯片：在板6 4 ms d r a m ，3 2 b i t 数据总线，时钟频率1 0 0 m h z 。 f l a s h 存储芯片：在板6 4 mn a n d f l a s h ，2 mn o r f l a s h ，掉电非易失。 l c d 触摸屏：n e c2 5 6 k 色2 4 0 x3 2 0 3 5 英寸t f t 真彩液晶屏，带4 线电阻 式触摸屏。 摹十嵌入式l i n u x 的乍辆轨迹复现：r 持终端的研究1 j 实现第- 二帝轨迹复现丁| 持终端总体设计方案 接口资源：1 个1 0 0 m 以太网接口( 采用d m 9 0 0 0 网络j 芭：片) ，3 个串行口。 外扩蓝牙模块：与车载设备相同的蓝牙模块，模块与$ 3 c 2 4 4 0 的串口1 相连。 2 4 轨迹复现手持终端软件系统设计 本系统采用嵌入式操作系统配合嵌入式g u i 的方式进行丌发。本节给出操作系 统的选取及相应软件开发环境的构建方案。 2 4 1 嵌入式操作系统概述及选取 根据嵌入式系统的概念【2 1 1 ，嵌入式系统大多包含多任务操作系统，即嵌入式操作 系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 。目前国际上比较流行的嵌入式操作系统主要 有嵌入式l i n u x 、i t c l i n u x 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、s y r n b i a n 、i t c o s i i 掣9 1 。 从应用层面考虑；如果丌发的嵌入式设备功能较复杂，要实现复杂的网络功能， 应该选用l i n u x 而非t t c o s i i 。因i r t c o s i i 仅支持1 2 8 个任务数，且系统没有集成 网络处理功能，需扩展实现1 2 2 1 。 从目标处理器方面考虑：如果目标处理器没有集成内存管理单元m m u ( m e m o r y m a n a g eu n i t ) ，也无法使用嵌入式l i n u x ，只能用 t c l i n u x 代替。i t c l i n u x 就是主要 针对目标处理器没有m m u 的嵌入式系统设计的【2 3 1 。 从实时性考虑：l i n u x 本身还无法称为实时操作系统，但加入实时补丁的嵌入式 l i n u x 可以满足大多数嵌入式系统应用。如需更快的中断响应，则可以考虑v x w o r k s 。 从价格和技术支持考虑：v x w o r k s 、w i n d o w sc e 等商用实时操作系统性能稳定、 技术支持完善，但授权费用昂贵，而l i n u x 等免费丌源操作系统的技术支持相对落后。 综合硬件配置和应用设计方面的考虑，选取嵌入式l i n u x 为本系统的操作系统。 2 4 2 基于l i n u x 的手持终端软件系统开发流程 本课题参考了大多数嵌入式l i n u x 系统的开发流程，给出如图2 - 6 所示的基于 l i n u x 的轨迹复现手持终端开发流程。 9 第一二章轨迹复现于持终端总体设计方案 摹于嵌入式l i n u x 的下辆轨迹复现于持终端的研究1 j 实现 图2 - 6 手持终端开发流程 l 、构建宿主机开发环境：包括建立交叉编译环境和设置宿主机环境。宿主机需 要运行l i n u x 系统，设置宿主机环境包括设置网络环境心f s 网络服务、t f t p 服务) 、 安装串口调试工具m i n i c o m 等。本课题宿主机系统为运行在v m w a r e 虚拟机下的 u b u n t u 9 0 4 1 2 4 】系统，选用的交叉编译工具是为f r i e n d l y a r m 公司提供的 a l l t l 1 i n u x g e e 4 3 2 f 2 5 1 。 2 、构建目标机开发环境：包含移植b o o t l o a d e r 、移植l i n u x 内核、构建根文件 系统、移植g u i 系统。本系统选用的b o o t l o a d e r 为u b o o t ( u b o o t 2 0 0 8 1 0 t 2 6 】) ；l i n u x 内核为l i n u x 2 6 3 0 4 ；根文件系统为n f s 网络文件系统和y a f f s 2 文件系统：嵌入 式g u i 选用的是m i n i g u i ( m i n i g u i 1 6 10 1 2 7 】) 。 3 、开发设备驱动。本系统主要完成l c d 驱动的移植、触摸屏驱动的开发及串口 驱动设备文件的读写。 4 、开发人机交互界面、编写应用程序。本系统采用m i n i g u i 丌发人机交互界面， 并在此基础上编写应用程序，主要设计实现了登录界面、主界面、数据接收界面及轨 迹绘制界面，应用程序实现了轨迹数据接收存储、轨迹绘制等功能。 5 、整体调试，产品发布。开发最后阶段给出了本系统的功能效果以及存在的问 题，并给出了改进建议。 下文将分章节具体阐述u b o o t 、内核、g u i 的移植，文件系统的构建，设备驱 动的编写，图形界面的开发及应用程序的编写。 1 0 基于嵌入式l i n u x 的车辆轨迹复现了持终端的研究j 实现第三章桀于l i n u x 的轨迹复现丁持终端软件系统设计 第三章基于l in u x 的轨迹复现手持终端软件系统设计 完整的手持终端应用程序开发环境包含两大部分：一是宿主机的软件开发环境， 二是目标机的操作系统及应用程序运行环境( 2 8 j 。本章给出基于l i n u x 的轨迹复现手持 终端( 下文简称：手持终端) 操作系统及应用程序运行环境的构建方案，主要包含 b o o t l o a d e r 的移植、l i n u x 内核的移植、根文件系统的构建及m i n i g u i 的移植。 3 1 手持终端b o o t l o a d e r 移植 b o o t l o a d e r 在手持终端的开发过程中起着至关重要的作用，其功能和效率直接影 响整个系统的性能。本节先给出b o o t l o a d e r 的功能原理【2 9 j 介绍，之后根据本手持终 端的功能需求选择了合适的b o o t l o a d e r 版本，并对其进行了分析和移植。 一、b o o t l o a d e r 功能原理及选取 b o o t l o a d e r 之所以在嵌入式系统中起着举足轻重的作用，是由嵌入式系统的软件 组织方式决定的。一般情况下，嵌入式l i n u x 系统中的软件主要分为：引导加载程序、 l i n u x 内核和设备驱动、根文件系统、用户文件四个部分。 在f l a s h 存储器中，它们的分布如图3 1 ： 少，霸 | b o o l l _ o a a e r 翟l i n u x p 嗽 ；搬文件系统耀户数据 爹 l；参数毽ii 图3 - 1 嵌入式l i n u x 系统软件分布 b o o t l o a d e r 是在操作系统内核启动前运行的引导加载程序。通过这段程序，可以 初始化硬件设备，将系统软硬件环境设置到合适状态，以便为调用操作系统内核准备 好环境，最后从别处( f l a s h 、以太网、u a r t ) 载入内核镜像并跳到内核入口地址处。 由于b o o t l o a d e r 直接操作硬件，所以它严重依赖于具体的硬件环境，而且依据所引 导的操作系统不同，也有不同的选择。就本系统所采用的c p u 处理器( s 3 c 2 4 4 0 ) 而言， 如果是引导l i n u x ，一般选用韩国m i z i 公司丌发的v i v i 或者d e n x 软件工程中心开 发的u b o o t 。本课题选取u b o o t 作为系统的b o o t l o a d e r 。u b o o t 的源码可以从 h t t p ：s o u r e e f o r g e n e t p r o j e e t s u b o o t 获得。 第二三章基于l i n u x 的轨迹复现- 了持终端软件系统设计基于嵌入式l i n u x 的币辆轨迹复现于持终端的研究。j 实现 二、u b o o t 引导l i n u x 的模式 系统上电启动或复位后，系统上的目标处理器会从某个特定的地址开始执行。本 系统中，根据处理器的结构及f l a s h 芯片的连接方式1 1 9 】，将u b o o t 烧写在n a n d f i a s h 的o x 0 0 0 0 0 0 0 0 位置，系统上电后首先执行u b o o t 。 u b o o t 引导l i n u x 的模式有两种：内部自动引导模式、外部下载引导模式。 内部自动引导模式：此模式下，内核镜像及文件系统镜像都存放在目标机存储设 备( 如n a n d f i a s h ) 的固定位置。u - b o o t 启动后自动将存放在目标机存储设备中的操 作系统镜像拷贝到r a m 中运行，并加载文件系统。整个过程不需要用户参与。本系 统在演示阶段，采用此模式。 外部下载引导模式：此模式下，内核镜像及文件系统存放在宿主机中。u b o o t 启动后，目标机通过网线或串口从宿主机中下载镜像文件。u b o o t 先将内核镜像保 存在r a m 运行，然后直接通过网线挂载宿主机中的文件系统。此模式可减少系统调 试阶段f l a s h 的擦写次数，提高开发效率。在本系统开发调试过程中，采用此种模式。 三、u b o o t 工作流程 u b o o t 的工作流程分为两个阶段，各阶段的流程图如图3 2 ： 第一阶段代码 第二阶段代码 ，羁；复位后转入i 卜i ：，跳转到第二阶段代码 的第一阶段代码入口点 u 队口点 1 3 弋7 太 设置异常中断向量 视晤化f l a s h 设各 本 一一- 阶 i | 之多璧 段，r 硬 设置c p u 的速度、时钟 初始化系统内存 硬 件 频率及终端控制寄存器 乡翕 打 例 嚣之多 初始化n m c l ) f l a s h 、 始 化 初始化内存控制嚣 阿绍等设备 化 jl ， 弋夕 将内核和根文件系统镜像 拷贝u - b o o t 的第= 阶段 从f 1 a s 寸到r a m 中 代码到r a m 空间 ， 【1 】- 户2 m 宰 n a m e - m y 2 4 4 0k e m e l ”， | s i z e 2 o x 0 0 2 0 0 0 0 0 ， o f f s e t = o x 0 0 0 5 0 0 0 0 l 上一 ； 1 6 基于嵌入j l i n u x 的车辆轨迹复现r 持终端的研究j 实现第二三章基于l i n u x 的轨迹复现丁持终端软件系统设计 【2 】= 宰余下空_ f n j 木 n a m e = m y 2 4 4 0f i l e s y s t e m ”， s i z e= 0 x 0 3 d a c 0 0 0 o f f s e t 2 0 x 0 0 2 5 0 0 0 0 ， ) 6 、配置内核选项 在内核根目录下执行命令：m a k em e n u c o n f i g ，进入内核图形配置界面。首先加 载s 3 c 2 4 x x 系列处理器的通用配置，然后在此基础上进行修改，主要修改的选项如下： ：s y s t e mt y p e s 3 c 2 4 1 0m a c h i n e s 木】s m d k 2 4 1 0 a 9 m 2 4 1 0 一一 $ 3 c 2 4 4 0m a c h i n e s 牛1s m d k 2 4 4 0 f * i s m d k 2 4 4 0w i t h $ 3 c 2 4 4 0c p um o d u l e 。d e v i c ed r i v e r s m e m o r yt e c l m o l o g yd e v i c e ( m t d ) s u p p o r t n a n dd e v i c es u p p o r t 一 n a n df l a s hs u p p o r tf o rs 3 c 2 410 $ 3 c 2 4 4 0s o c f i l es y s t e m - * l m i s c e l l a n e o u sf i l e s y s t e m s y a f f s 2f i l es y s t e ms u p p o r t 枣1n e t w o r kf i l es y s t e m s 一一 n f sc l i e n ts u p p o r t 宰1r o o t f i l es y s t e mo n n f s b o o to p t i o n s d e f a u l tk e r n e lc o m m a n ds t r i n g ： ( n o i n i t r dr o o t = d e v m t d b l o c k 2i n i t = l i n u x r cc o n s o l e = t t y s a c 0 ) 其中s y s t e mt y p e 中设黄表明：开发平台类型为s m d k 2 4 4 0 ：d e v i c ed r i v e r s 中 设置表明：系统支持n a n d f i a s h 芯片m t d 分区；f i l es y s t e m s 中设置表明：系统支 持y a f f s 2 格式文件系统；n e t w o r kf i l es y s t e m s 中设置表明：系统支持n f s 网络文 件系统；b o o to p t i o n s 中设置表明：挂载m t d b l o c k 2 分区作为根文件系统( m t d b l o c k 2 代表本系统n a n d f i a s h 的第3 个分区) ，且设置k e r n e l 启动期间的信息由串口0 输出。 7 、制作l i n u x 内核镜像u l m a g e u b o o t 的t o o l s 目录下m k i m a g e 文件提供了制作u l m a g e 镜像的支持，将其拷贝 到系统u s r b i n 目录下。然后，在内核目录下执行m a k eu l m a g e 命令，将会在内核 a r c h a r m b o o t 目录下生成u l m a g e 镜像文件，之后就可以使用u b o o t 下载引导内核。 1 7 第三章基于l i n u x 的轨迹复现下持终端软件系统设计基于嵌入式l i n u x 的乍辆轨迹复现于持终端的研究j 实现 3 3 手持终端根文件系统构建 u b o o t 引导内核启动后所要完成的最后一项工作是挂载根文件系统f 2 8 】。如果此 时按照内核参数设置找不到根文件系统的话，内核会报错退出。具体原因是：内核启 动最后要运行i n i t 初始化程序，而i n i t 程序在根文件系统中，并且后续开发的应用程 序、图形界面程序也存放在根文件系统中。 3 3 1 根文件系统定制 一、定制根文件系统目录 一般来讲，只有b i n 、s b i n 、d e v 、l i b 、p r o c 、e t c 、v a r 和u s r 目录及其下的内 容是不可缺少的2 8 1 。本系统定制的根文件系统存放在宿主机i 拘h o m e h k r o o tn f s 文件 夹下( 系统中设置r o o tn f s 为n f s 共享文件夹) 。本系统的根文件系统基本目录结构如 图3 - 6 ，具体内容如下： r o o t ：根用户目录。 h o m e ：多用户目录( 本系统只使用了根用户，该目录保留未使用) 。 b i n ：存放l i n u x 用户管理工具( 如c p 、m v 、r m 、v i 等) 。 s b i n 存放l i n u x 的系统工具( 如i f c o n f i g ) 。 u s r ：存放系统触摸屏校验程序与图形人机交互界面的字体文件。 d e v ：存放系统的设备节点文件，如本系统使用的l c d 设备节点文件d e v f b o 、 触摸屏设备节点文件d e v i n p u t e v e n t 0 、串口设备节点文件d e v t t y s a c l 等。 l i b ：存放l i n u x 系统库文件和本系统应用程序所需要的动态链接库文件。 m a t ：系统的临时挂载目录。 e t c ：此目录下的i n i t d 目录中保存内核启动后的初始化脚本文件r c s 。 a r m g u i ：自定义目录，用来存放m i n i g u i 界面设计相关文件及应用程序文件。 r o o tr t f s r 图3 - 6 根文件系统目录结构 1 8 皋于嵌入式l i n u x 的乍辆轨迹复现于持终端的研究j 实现第三章基于l i n u x 的轨迹复现于持终端软件系统设计 二、使用b u s y b o x 添加系统功能 基本的根文件系统目录搭建好后，可以选用b u s y b o x 为嵌入式l i n u x 系统添加一 些常用的系统管理工具f 2 9 1 。本系统中，存放在根文件系统b i n 、s b i n 目录下的命令大 都由b u s y b o x 实现。安装使用过程如下： 1 、下载b u s y b o x 源码包，本系统采用b u s y b o x 1 1 3 0 t a r g z 。 2 、解压源码包：t a r - z x v f b u s y b o x 1 1 3 0 t a r g z 。 3 、进行配置界面：m a k em e n u c o n f i g 。本系统仅在默认配置基础上根据功能需要 做了少量修改，用户如果要定制特殊功能，可参考b u s y b o x 帮助文件进行配置。 4 、交叉编译b u s y b o x - m a k e m a k ei n s t a l l 。 5 、将b u s y b o x 1 13 o i n s t a l l 目录下生成的b i n 、l i n u x r c 、s