基于ARM9的嵌入式车载导航终端的设计

北华大学毕业设计（论文）北华大学毕业设计（论文）----北华大学毕业设计（论文）--摘要随着汽车产业的迅速发展，GPS车载导航系统得到了越来越广泛的应用，已成为汽车上的重要配置，为用户提供便利。另一方面随着计算机技术、通信技术的迅猛发展，微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式系统已经成为信息产业的热点。而Linux操作系统以其性能稳定可靠、源码公开免费、可裁剪、易移植等优点成为嵌入式系统的首选操作系统，具有巨大的市场价值和潜力。论文首先简要介绍了GPS车载导航系统的基本原理及其在国内外的现状与发展前景，并描述了课题的研究方向和作者的主要工作。然后根据GPS车载定位导航系统的要求设计系统方案，并按照该方案设计了ARM9（S3C2410A）核和系统硬件平台，重点分析了电源和时钟、外部存储器、以太网、串口、音频和HPI等接口电路设计及其原理。在对嵌入式Linux操作系统深入理解的基础下，设计了软件系统框架及应用程序，并为各设备模块编写了设备驱动程序。论文最终所实现的是一款高档车载导航终端，具有彩色LCD，外形美观。除具有友好的人机交互界面外，在通信方面：具有车载电话的功能，且可以进行电子地图的实时更新；在娱乐方面，可外接DVD/VCD、浏览电子书、播放MP3、游戏等。强大的软件系统使导航终端具有较强的系统配置和管理功能。关键词：关键词：嵌入式Linux系统；全球定位系统；智能交通系统；无线通信系统1AbstractWiththerapiddevelopmentoftheautoindustry,GPSVehicleNavigationSystembeenwidelyused.Ithasbecomeanimportantvehicleconfiguration,providingconveniencetotheusers.Ontheotherhand,alongwithfastdevelopmentofcomputerandcommunicationtechnology,andmicromationandspecializationasanewtrend,theembeddedsystemhasbecomeahotspotoftheinformationindustry.AndtheLinuxOperatingSystembecomesthepreferredoperatingsystemformanyusers,becauseofitsadvantages,suchasstabilityandreliability,freeandopensource,beingabletocut,easytobetransplantedandsotremendousvaluesandpotentialsintheautomarket.Firstly,thepaperbrieflyintroducedthefundamentaloftheGPSVehicleNavigationSystemanditsstatusquoandprospectathomeandabroad.Describedtheresearchpurthesubjectandtheauthor’smainwork．Then,accordingtotherequirementsofthissystem,wedesignedthesystematicsolution．Inaccordancewiththesolution,wedesignedthehardwareplatform：theARM—coresystemandanalyzedtheperipheralcircuitsdesign.SuchasPoandClock,ExternalMemory,Ethernet,SerialPort,Audio,HPIInterfaceandetc.OntofthedeepunderstandingoftheembeddedLinuxsystem,wedesignedthesoftwareframeandapplicationprograms,andwrotetheLinuxDeviceDriverforallthedevicesinthisWhatthewholepaperachievesisakindofhigh-gradevehiclenavigationterminalcolorLCDandbeautifuloutlooksotherthanthefunctionofnavigation,asforcommunitisakindoftelephoneanddigitalmapscallbereal-timeupdatedbywirelesscommuasforentertainment:DVD/VCDCallbeanattachment,electronicsbookscanberead,Canbeplayed,Gamingetc.Powerfulsoftwaresystemmakestheproducthaspowerfulfunofsystemconfigurationandmanagement.KeyWordsKeyWords：EmbeddedLinuxSystem,GPS,ITS,GPRS2目录摘要Abstract引言绪论论文选题背景及意义智能导航系统功能框图1.3论文工作2基于ARM的硬件和软件总体设计2.1导航终端系统硬件框架2.2导航终端系统软件框架2.2.1软件系统的构成2.2.2驱动程序的设计框图3基于ARM的嵌入式车载导航硬件设计CPU芯片S3C2410的选择SDRAM接口电路设计NANDFlash芯片选择及接口电路设计GPRS模块选择及接口电路设计GPS模块选择及接口电路设计3.6触摸屏的设计3.7键盘模块的设计3.8以太网及串行通信接口设计3.9复位电路的设计3.10电源管理3.11JTAG接口电路设计3.12AV板14软件系统设计4.1软件系统构成4.2软件的调试4.3系统的启动过程结论参考文献致谢2引言智能车辆自动导航系统是智能交通系统的重要组成部分，是把先进的全球卫星定位技术、地理信息技术、数据库技术、多媒体技术，现代通信技术和嵌入式计算机系统综合在一起的高科技系统，能够实时、高效地向驾驶员提供多种重要信息，具有很强的实用价值和广阔的市场前景。为了解决城市交通和车辆管理问题，欧美、日本等发达国家和地区己经开始使用“智能交通系统”（ITS，IntelligentTransportationSystem）来管理现有的交通道路。而该产业在我国才刚起步，政府已经将“智能交通系统”列入国家“十五”计划，使其成为交通领域的重大科技攻关项目。在ITS中，智能车辆定位导航系统IVLNS（IntelligentVehicleLocationandNavigationSystem）是其中最为核心的一部分。它是基于矢量电子地图VEM（VectorElectronicMap）的将全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、地图匹配技术相结，实现ITS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ITS的关键。典型的智能车辆定位导航系统由电子地图数据模块、地图操作查询模块、定位模块、路径规划模块、路径引导模块等组成。GPS系统是由美国国防部出资几百亿美元开发的一种最新的无线电导航系统，该系统具有高精度、全天候、全球覆盖能力，正在和即将取代所有的其它无线电导航手统。GPS系统自问世以来，已充分显示了其在无线电导航、定位领域的优势地位，在海湾战争和科索沃战争中GPS均的到了广泛的应用，发挥了重耍作用。许多民席领域也由于GPS的出现而产生了革命性的变化。目前，GPS不仅在美国及其盟国的军队中广泛应用于导航、定位，几乎全世界所有需要导航、定位的用户，都被GPS的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和优质廉价所吸引。GPS从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。嵌入式系统这些年来已经成为信息产业的热点之一，渗入到我们生活的方方面面，特别是汽车领域。现今微处理器价格越来越低廉、结构越来越小巧、性能越来越强大、外设连接架构越来越稳定可靠，这些都为我们设计高性价比、方便可靠的车载导航定位系统提供了条件。因此，将GPS导航定位技术与嵌入式系统相结合，是一个可行且非常有吸引力的方案。1绪论1.1论文选题背景及意义应该说，在我国GPS车辆导航系统的发展还处在初始阶段。在国内车用导航仪产品的研究和应用起步较晚。目前在北京、上海等大城市，作为ITS的核心设备之一的车载智能导航系统也受到了一些科研部门和企业的关注，己有一些单位也在研制类似的产品。国外公司由于难以解决电子地图的兼容性问题以及受我国交通设施与国外的差异所限制，尚无法推出适应中国市场的产品。关于导航仪市场的实际需求和发展趋势是不言而喻的。美国在1994年，使用GPS卫星定位技术的车载导航系统“导航之星”在市场上出现。美国在进入90年代，相继实施了一系NITS领域的研究计划，发展包括ATMS（先进的交通管理系统）、ATIS（先进的旅行者信息系统）、ARCS（先进的车辆控制系统）、APTS（先进的公共交通系统）、ARTS（先进的郊区交通系统）、CVOS（商用车辆运行系统）等六大子系统的ITS系统。日本是最早开发车载导航设备并投入市场的国家，在90年代,带有彩色液晶显示器、使用CD-ROM作为电子地图存储设备的车用导航系统开始大量投入市场。此后不断地有性能更先进的产品出现，地图匹配、GPS卫星定位以及语音导航等新技术相继被采用。嵌入式车载导航系统是把全球定位技术、地理信息技术、通信技术和嵌入式计算机技术综合在一起的系统，它能够实时、高速地向驾驶员提供导航定位、地理信息等服务。其主要应用在以下几个方面： 1.城市公交汽车和出租车行业，用于车辆调度以及线路优化；车载导航系统的中心端可作为物流企业的车辆监控以及车辆调度中心，提高物流公司效率，促进经济效益的提高。2.用于银行、公安等单位实现对车辆的安全监控及跟踪；例如2008年北京奥运车辆的调度、监控以及路线优化，为2008年北京奥运会交通管理服务。3.个人私家车用户，可以运用车载导航仪查询兴趣点，规划出行最优路径和全程的路径引导，极大的方便用户出行。4.优化交通流在整个路网上的分配。通过发布实时路况信息等手段合理诱导交通流，优化交通流在路网中各可行路线上的分配比重，从用户最优进一步达到全局最优；5.减少拥堵情况的发生，使交通流的运行趋向平稳，从而降低尾气排放，减少交通带来的环境污染，建立可持续的交通发展模式。由此可见，嵌入式车载导航系统的研究意义是非常重大的，它的应用对改善城市交通状况、促进行车安全和提高道路通行效率有极其重要的意义。1.2智能导航系统功能框图无线无线通信模嵌入式操作系统平台用户操作界面底层硬件平台GPS定位模块地图匹配，路径规划和导航模块地理信息系统图1.1导航系统功能框图1.3论文工作第一章：说明了本论文所研究的课题的背景和意义,智能导航系统功能框图及论文的主要工作。第二章：主要写基于ARM的车载导航系统硬件和软件的总体设计方案。第三章：嵌入式车载导航系统的硬件设计及主要用到的芯片选择。第四章：对车载导航系统软件的设计与实现进行了研究。第五章：对整个论文进行总结。2基于ARM的硬件和软件总体设计2.1导航终端系统硬件框架硬件主板的核心是三星公司的S3C2410芯片，该芯片是基于ARM920T而开发的一款多功能SOC。采用西门子公司的MC55GPRS模块，用于进行无线通信；采用Falcom的JP7GPS模块进行全球定位；采用HY57V5616204*416位SDRAM.NANDFlash采用K9F1208,128MNandFlash用于存放启动代码、Linux嵌入式操作系统、电子地图等；键盘模块用于导航仪系统的基本操作：触摸屏提供了更好的人机交互界面；采用12C通信协议的温度传感器来监控导航仪的工作温度；音频模块能够实现导航仪语音导航、电话功能以及完成它们之间的切换。AVBoard调试电路MotherBoardS3C2410POWER128MNANDFlash64MSDRAMOtherCircurtsGPSModuleGPRSModuleTouchScreenKeyBoardSDCircuitUSBCircuitPOEWERAUTOAmplaferVediocontrolKeyBoardＥｔｈｅｎｅｌＣｏｎＪＴＡＧＣｏｎｅｃ图2.1导航终端系统硬件框图其它的外围电路还包括1.存储器：静态易失性存储器（RAM/SRAM）、动态存储器（DRAM）和非易失性存储器（Flash）。2.标准接口：应用最为广泛的包括并口、RS-232串口、IrDA红外接口、SPI串行外围设备接口，12C总线接接口、USB通用串行总线接口、Ethernet网口，USB，SDCARD等。3.人机交互：LCD，键盘和触摸屏等人机交互设备。2.2导航终端系统软件框架2.2.1软件系统的构成软件系统主要由：应用软件、内核、系统服务、驱动程序等组成。其构成示意图如图2.2所示。应用软件内核系统服务驱动程序硬件平台图2.2软件系统构成示意图2.2.2驱动程序的设计框图驱动程序是硬件平台与高层程序的中介。它按结构可以分为两类：分层的（Layered）和非分层的（Monolithic）。非分层的驱动程序整体向高层程序提供了对硬件设备的控制，而分层的驱动程序模型在两者间增加了一个界面和接口（Interface）。高层程序非分层结构上层下层硬件图2.3驱动程序结构示意图3基于ARM的嵌入式车载导航硬件设计3.1CPU芯片S3C2410的选择Samsung公司推出的16/32位RISC处理器S3C2410A，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整个系统的成本，S3C2410A提供了以下丰富的部设备：分开的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU虚拟存储器管理，LCD控制器（支持STN—TFT），支持NANDFLASH系统引导，系统管理器（片选逻辑和SDRAM控制器），3通道UART，4通道DMA，4通道PWM定时器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC和触摸屏接口，IIC－BUS接口，IIS－BUS接口，USB主机，USB设备，SD主卡—MMC卡接口，2通道的SPI以及内部PLL时钟倍频器。S3C2410A的显著特性是它的CPU核心，是一个由AdvancedRISCMachines（ARM）有限公司设计的16/32位ARM920TRISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBABUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KBCCache和16KB数据Cache，每个都是由8字长的行（Line）构成。通过提供一系列完整的系统外围设备，S3C2410AＡ大大减少了整个系统的成本，消除了为系统配置额外器件的需要。本文档将介绍S3C2410A中集成的以下片上功能：8V/2.0V内核供电，3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电；具备16KB的Ｉ－Cache和16KB的Ｄ－Cache/MMU；外部存储控制器（SDRAM控制和片选控制）LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT）提供1通道LCD专用DMA;4通道DMA并有外部请求引脚;3通道UART（IrDA1.0，16字节TxFIFO，和16字节RxFIFO）/2通道SPI;1通道多主IIC-BUS/1通道IIS--BUS控制器。兼容SD主接口协议1.0版本和MMC卡协议2.11兼容版。2端口USB主机/1端口USB设备（1.1版）4通道PWM定时器和1通道内部定时器看门狗定时器117个通用I/O口和24通道外部中断源功耗控制模式：具有普通，慢速，空闲和掉电模式。8通道10比特ADC和触摸屏接口具有日历功能的RTC具有PLL片上时钟发生器3.2SDRAM接口电路设计SDRAM是SynchronousDynamicRandomAccessMemory的缩写，意思是同步动态随机存储器。与Flash存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，且具有读/写的属性，因此，SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。要在系统中使用SDRAM，就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。S3C2410在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可方便地与SDRAM接口。目前常用的SDRAM为8位/16位的数据宽度，工作电压一般为3.3V。主要的生产厂商为W/UNDAI、Samsung、Winbond等。他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式，可通用。本系统中使用HY57V561620型号芯片，它的存储容量为4组×4MX16位（32M字节），工作电压为3.3v，常见封装为54脚TSOP，兼容LVTTL接口，支持自动刷新（Auto-Refresh）和自刷新（Self-Refresh）。16位数据宽度。根据系统需求，可构建16位或32位的SDRAM存储器系统，但为充分发挥32位CPU的数据处理能力，大多数系统采用32位的SDRAM存储器系统。HY57V561620BT-H为16位数据宽度，单片容量为32MB，系统选用的两片HY57V561620BT-H并联构建32位的SDRAM存储器系统，共64MB的SDRAM空间，可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂的功能运行要求。与Flash存储器相比，SDRAM的控制信号较多，其连接电路也要相对复杂。图为两片HY57V561620BT-H并联构建32位的SDRAM存储器系统的实际应用电路图，其中一片为高16位，另一片为低16位，可将两片HY57V561620BT-H作为一个整体配置到DRAM/SDRAMBank0--Bank3的任一位置，一般配置到DRAM/SDRAMBank0，即将S3C2410的SCS0接至两片HY57V561620BT-H的片选CS端。两片HY57V561620BT-H的时钟CLK端接S3C2410的SCLK0端；两片HY57V561620Err-H的时钟使能端CKE接S3C2410的SCKE端：两片HY57V561620BT-H的行地址锁存RAs、列地址锁存CAS、写使能WE端分别接S3C2410的NSRAS端、NSCAS端、NSWE端；HY57V561620-H的地址总线A11—A0接S3C2410的地址总线ADDR11-ADDR0；HY57V641620的组地址选择BS0，BS1接S3C2410的地址总线ADDRl3、ADDRl4；高16位片的数据总线DQl5一DQ0接S3C2410的数据总线的高16位：DATA3lDATA3l—DATAl6，低16位片的数据总线DQl5一DQ0接S3C2410的数据总线的低16位：DATAl6一DATA0。高16位片的数据I/O屏蔽UDQM，LDQM分别接S3C2410的nWBE3、nWBE2，低16位片的数据Ｉ/O屏蔽UDQM，LDQM分别接S3C2410的Nwbe1、Nwbe0。图3.1SDRAM与CPU芯片连接图3.3NANDFlash芯片选择及接口电路设计一、NORFlash和NANDFlash的区别NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发NORflash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NANDflash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。NAND是高数据存储密度的理想解决方案。NOR的特点是芯片内执行（XIP,eXecuteInPlace），这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。二、性能比较flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作（尤其是更新小文件时），更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。NOR的读速度比NAND稍快一些；NAND的写入速度比NOR快很多；3.大多数写入操作需要先进行擦除操作；4.NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。接口差别flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。可靠性和耐用性采用flash介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。寿命（耐用性）在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。软件支持在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序（MTD），NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被WindRiverSystem、Microsoft、QNXSoftwareSystem、Symbian和Intel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。电路原理图图3.2NANDFlash接口电路设计本论文采用的是K9F1208闪存芯片。K9F1208对外数据接口为8位并行端口操作，分别为I/O0-I/O7。具有读写功能、命令和地址锁存控制引脚、标志引脚和写保护引脚。3.4GPRS模块选择及接口电路设计一、GPRS概述GPRS是通用分组无线业务（GeneralPacketRadioService）的简称，它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRS（GeneralPacketRadioService）是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术，可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。二、GPRS特点1.应用上的特点高速数据传输速度10倍于GSM，更可满足您的理想需求，还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件，可谓不一般的巨大进步。永远在线由于建立新的连接几乎无需任何时间（即无需为每次数据的访问建立呼叫连接（，因而您随时都可与网络保持联系2.技术上的特点GPRS的最大优势在于它的数据传输速度不是WAP所能比拟的。目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6K字节，GPRS手机在今年年初推出时已达到56Kbps的传输速度，到现在更是达到了115Kbps（此速度是常用56Kmodem理想速率的两倍）。GPRS服务特点对应的范围1.移动商务2.移动信息服务3.移动互联网4.多媒体业务MC55模块接口电路设计在本次论文中使用的是西门子公司生产的MC55模块。西门子MC55无线模块是当今市场上尺寸最小的三频模块。其紧凑型设计特别适用于大规模生产的生活消费品。更小巧，更紧凑是下一代的移动电话、智能手机和PDAS发展的趋势。5.5克的重量和35×32.5×2.95mm的尺寸使MC55/56模块能够大大提高您将语音和数据传输功能溶合到您的产品的集成度。特点：1.紧凑的尺寸（35×32.5×2.95mm）,仅5.5克的重量2.双三频工作模式:900,1800和1900MHz（MC55）3.语音和数据传输功能4.设计用于基于Microsoft®Windows Mobile＆#8482平台的设备（SmartphonesandPocketPCs）5.GPRS（class10）标准，支持PBCCH。图3.3GPRS模块接口电路图3.4MC55模块原理图图3.5模块电源启动电路和复位电路图3.6耳机接口电路图3.7话筒接口电路图3.8LED灯接口电路图3.9SIM卡接口电路3.5GPS模块选择及接口电路设计一、GPS系统组成GPS包括下列三大部分：（1）空间部分（GPS卫星）（2）地面监控部分（地面支撑系统）（3）用户设备部分（GPS接收机）这三部分的简单关系如图所示。下面将简要介绍这三部分。图3.10GPS系统示意图二、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已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：图3.11GPS定位示意图监控部分：中央控制系统；时间同步；跟踪卫星定规用户部分接收设备，接收卫星信号空间部分：24颗卫星；广播L1，L2，卫星轨道，时间数据及辅助资料信息[(XX)2(YY)2(ZZ)2]1/2c(VV)d1 1 T1 T0 1（3.5.1） [(XX)2(YY)2(ZZ)2]1/2c(VV)d2 2 T2 T0 2（3.5.2）[(XX)2(YY)2(ZZ)2]1/2c(VV)d3 3 T3 T0 3（3.5.3）[(XX)2(YY)2(ZZ)2]1/2c(VV)d4 4 T4 T0 4（3.5.4）上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di=c△ti（i=1、2、3、4）。di（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。△ti（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。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。xi、yi、zi（i=1、2、3、4）分别为卫星1、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。Vti（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto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Vto。三、GPS系统的特点1.全球，全天候工作能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。2.定位精度高单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3.功能多，应用广随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大四、GPS模块及接口电路（1）GPS模块用于接收GPS卫星的信号，并计算出车载终端目前所在位置。本系统采用的是Falcom的JP7GPS模块，JP7模块是由SiRFstarII芯片集和GPS内核组成，GPS内核包括：获取加速器、DGPS处理器、多路转移硬件及卫星跟踪器等。其特性为：单板并行12频道接收；3D/2D/DGPS导航；NMEA-0183，RTCMSC-104，SiRF二进制格式；小尺寸，表面贴安装；缺醒省电模式；3.3V的供电电压；电流消耗65MA；GPS模块通过串行口向CPU发送定位坐标，主控制器也可以向GPS模块发送设置命令，以控制GPS模块的状态和工作方式。GPS模块需要配备专门的GPS天线接收GPS卫星信号。一般在比较开阔的地区，需接收到三颗以上的GPS卫星信号才能进行准确定位。在移动终端系统中，把天线放置在车顶可以有比较好的定位效果。图3.12GPS模块接口电路图图3.13GPS模块供电电源图3.6触摸屏的设计在便携式的电子类产品中，触摸屏由于其轻便、占用空间少、方便灵活等优点，己经逐渐取代键盘和鼠标成为嵌入式系统常选用的人机交互工具。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，我们把触摸屏分为四种，它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。触摸屏附着在显示器的表面，与显示器相配合使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐标位置，则可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图。触摸屏按其技术原理可分为五类：矢量压力传感式、电阻式、电容式，红外线式、表面声波式，其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。本文中采用的是四线制的电阻式触摸屏，下面对其工作原理进行简要说明。电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面相匹配的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两层导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，这种接通状态被控制器侦测到后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比即可得到触摸点的Y轴坐标，同理得出x轴的坐标，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。电阻类触摸屏的关键在于材料科技。电阻屏根据引出线数多少，分为四线、五线、六线等多线电阻触摸屏。电阻式触摸屏在强化玻璃表面分别涂上两层0TI透明氧化金属导电层，最外面的一层0TI涂层作为导电体，第二层0TI则经过精密的网络附上横竖两个方向的+5V至0V的电压场，两层0TI之间以细小的透明隔离点隔开。当手指接触屏幕时，两层0TI导电层就会出现一个接触点，电脑同时检测电压及电流，计算出触摸的位置，反应速度为l0—20ms。图3.14触摸屏等效原理图图3.15S3C2410与触摸屏接口电路示意图本文采用了S3C2410内部的AD转换器的两个通道分别采样触摸点的电压。在触摸点X，Y坐标的测量过程中，测量电压与测量点的等效电路如图所示，图中P为测量点。笔中断（TRQ）输出通过笔中断请求向表示有触摸发生。如图所示，当没有触摸时，MOSFET关闭，则笔中断输出引脚通过外加的上拉电阻输出为高。当有触摸时，MOSFET打开则笔中断输出引脚为低，从而向S3C2410提中断请求。触摸屏接口设计，采用了内部A/D转换器的两个通道分别采样水平和垂直方向的位置。3.73.7键盘模块的设计键盘模块由六个开关键（可发光）及相关的旋密特触发电路组成。每一个键占用一个中断。六个键分别实现如下功能：●总电源开关●查询导航功能键●单键拨号键（12580大按键）●电话功能（拨号/接听/免提接听/挂断键）●用户定义功能热键，娱乐DVD/导航界面切换键图3.16键盘模块原理图3.8以太网及串行通信接口设计本部分主要介绍了以太网通信接口的设计，并简要介绍了串行通信接口,通用串行总线。所设计的以太网通信接口主要用于调试，以太网控制器在Debug板上，而非在主板上。以太网控制器和CPU之通过板对板双排插针连接起来。随着网络的发展，智能设备上网是一种重要需求，在相互连接不断加强的世界中，网络通信对于嵌入式系统来说很快成为了普遍性的要求。嵌入式系统通常使用两种类型接口中的一个进行连接：以太网和串行连接，以太网连接要求提供本地网络，设备可以在上面进行连接。通过串行的连接打开了很多其他通道，可以通过利用其他作为网关的设备或调制解调器实现通信。本主板在设计中考虑到不同需求的要求，设计了以太网、通用串行接口USB等通信接口。1）CS8900A以太网控制器3.10电源管理由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。又由于主板电路复杂，布线密度高，CPU的主频高达203MHZ以及GPRS和GPS射频干扰，所以对系统的电源管理有着较高的要求。本系统主板要求提供4.1V（GPRS）、3.3V（CPUI/O等）、1.8V（CPU内核）电压，PCB的电源层按不同的电压进行分割；地层进行模拟地、数字地分割。3.11JTAG接口电路设计JTAG（JointTestActionGroup联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（TestAccessPort，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。JTAG接口还常用于实现ISP（In-SystemProgrammable在系统编程）功能，如对FLASH器件进行编程等。通过JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。本系统利用ARⅥ处理器中的调试模块的功能，通过其JTAG边界扫描口来与仿真器连接，以达到对芯片内部的工作状态进行监控的目的。JTAG接口同JTAG仿真器硬件连接，通过调试接口可以利用相应的调试工具观察CPU状态，调试工具可以检查和控制CPU的运行。3.12AV板AV（AudioVideo）板主要有三部分组成：电源模块、视频信号控制模块、功率放大器。电源模块除提供自身的电源之外还给主板提供5v和3.3v电源。视频信号控制模块将CPU送来的视频信号驱动至LCD。功率放大模块将音频信号放大，音频信号包括导航、电话、娱乐等。4软件系统设计4.1软件系统构成应用软件内内核系统服务驱动程序硬件平台图4.1软件系统构成示意图图中驱动程序是指系统对LCD，串行口，触摸屏等外设的控制程序。用来完成对外设的初始化，并提供一些简单的接口函数来控制外设。而系统服务实际上是提供了系统中常用功能的函数库，如内存分配，延时，使用中断，获取系统时间；它与外设的关系不大。内核模块是指系统运行时的主调度程序。系统服务和内核模块即系统的操作系统，本设计中使用Linux操作系统。1、GPS定位程序的主函数如下：函数的主程序初始化串口（通过调用前面的串口初始化程序），检测接受到的卫星个数，而后接受并解析数据，主要代码如下：#include“communication_gps.h”intmain(){IntI;uart1_initial();Printf(“Theuartporthasbeeninintialed!\n”);While(1){If(position_check()){gpsdata_receive()gpsdata_dispose();};Printf(Printf(“\nReceivedatasuccess\n”）;}Uart1_close();Return1;}图4.2应用软件流程图2、GPS信号接收程序：#include<signa1.h>#include<sysmtypes.h>#include<unistd.h>voidpickup_op(int,siginfd_t*,void*);intsemReceive(){structsigactionact;intsig;pid_tpid;pid=getpid()/*建立信号，并在本进程中注册*/siq=SemNum;//SemNum为信号起始值sigemptyset(&act.sa_mask)act.sa_sigaction=pickup_op;//得到信号后的操作:执行picact.sa_flaqs=SA.SIGINFO;if(sigaction(sig,&act,NULL)<0){Printf("installsigalerror\n");//建立过程出错}While(1){sigsuspend(&；emptyset);//等待发送信号到来Sleep(2)Printf("waitforthesignal\n");}}voidpickup_op(intsignnm,siginfo_t*info,void*myact){Printf("theIDcodevalueis%d\n",5ad\n,info->sival_int);}3、GPS信号发送程序：#include<signa1.h>#include<sys/time.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>SemSend(){pid_tpid;//接收进程IDintsignum;//signu为当前信号值unionsigvalpositionID;//信号的附加信息（联合数据结构）pid=pid_pickup;signu=TRUE;//TRUE=1,置信号有效positionID.sival_int=IDCode;//把IDCode作为信号的附加信if(siqqueue（pid,signum,positioned）==1)printf("siginlsenderror\n");/出错提示}4.2软件的调试本设计采用JTAG仿真器进行底层软件调试以及软件和硬件的联调，JTAG仿真器也称为JTAG调试器，是通过ARM芯片的JTAG边界扫描口进行调试的设备。JTAG仿真器比较便宜，连接比较方便。它通过现有的JTAG边界扫描接口与ARMCPU核进行通信，属于完全菲插入式调试。它无需目标存储器，不占用目标系统的任何资源，而这些是驻留监控软件所必须的。另外，由于JTAG调试的目标程序是在目标板上运行的，仿真更接近于目标硬件。因此，许多接口问题，如高频限制、AC和DC参数不匹配以及电缆长度的限制等被最小化了。使用集成开发环境配合JTAG仿真器进行开发是目前最为常用的一种调试方式。调试时，先由Eboot启动，向主机端的调试程序Platformbuilder（简称PB）发送BOOTME请求，然后主机通过以太网把WinCE的映像文件传到目标端的内存中。在目标端启动CESH服务后，主机端在PB中可以像调试本地程序一样随心所欲地设置断点，查看数据和控制程序运行了。这期间，所有的调试中间信息通过串行口和以太网传送到主机端。4.3系统的启动过程引导程序其功能类似于普通PC机的BIOS功能，主要完成系统的切始化，构造程序的运行环境并完成windowsCE操作系统的加载。其中系统的初始化包括初始化SDRAM、初始化I/O等，然后控制权交给操作系统。主要函数说明如下：ChangeClockDivider(1,1)；CharigeMplIValue（Ox5,Ox4，Ox0）完成论文S3C2410时钟模式的配置；Port—Init0完成对外部I/O口状态的初始化；UartInit（PCLK，115200）完成对串口的初始化。引导程序能够完好的建立操作系统，运行所需要的硬件环境并把操作系统加载。结论嵌入式系统是当今的研究热点，其应用领域也越来越广，在工业控制领域中，无论是智能仪表和现场总线控制系统都可以应用，本文研发的基于ARM微处理器和Linux嵌入式操作系统的车载导航终端，无论是理论上还是实际应用中都有着很强的先进性和实用性。嵌入式移动地图导航系统经过最初设计、实现及应用检验，已经具备基本的功能，可初步满足个人移动导航信息系统的需求。能完成数字地图的加载、缩放、拖动、搜索、简易导航、测距、GPS功能开闭等功能。同时我们也摸索出了一整套较为可行的矢量地图的制作方法,能依据使用的场合不同，较快速的完成地图数据源的制作及相关信息的添加，有一定的扩展能力。当然由于时间和能力的有限，这款产品也有其一定的不足，值得进一步的深入研究。随着汽车产业的迅速发展，车载GPS导航系统得到了越来越广泛的应用，为用户提供了很多的便利。同时嵌入式Linux系统也在越来越多的产品上被采用。论文提出了以嵌入式系统、全球定位系统、无线通信模块为核心的车载导航系统的总体技术方案．继而对嵌入式操作系统、ARM体系结构以及嵌入式微处理器S3C2410进行了较为全面的研究，利用ARM嵌入式处理器设计了能够运行嵌入式操作系统Linux的硬件平台，实现了一个完整的嵌入式车载导航主板，并介绍了导航仪软件系统。诱发操作系统的引导程序使得Linux能自动加载并运行于上述硬件平台之上。参考文献张其善，吴今培，杨东凯.智能车辆定位导航系统及应用[M].北京：科学出版社，2002：1-25.赵亦林.车辆定位与导航系统[M].北京：电子工业出版社，1999：1-38ARMLimited.ARMArchitectureReferenceManual[M].London：ARMPress，2000：42-53.[4]傅曦，齐字编.嵌入式系统WindowsCE开发技巧与实例[M].化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心.2007.6[5]王田苗主编，嵌入式系统设计与实例开发[M]，清华大学出版社.2003.9[6]王铁勇，候善明，吴盘龙.嵌入式操作系统uC/OS-II的特点及应用[J].控制工程，2003，(10)：5-7.刘文峰，李程远，李善平.嵌入式Linux操作系统的研究[J].浙江大学学报,2004，(4)：448-452.KarimYaghmour.BuildingEmbeddedLinuxSystems[M].NewYork：O'ReillyPress，2003：52-54.DanielP.Bovet,MarcoCesati.UnderstandingtheLinuxKernel[M].NewYork：O'ReillyPress,2000：6-24邓涛，徐勇，潘成源等.磁阻传感器在车辆航位推算系统中的应用研究[J].电子设计应用,2005，(8)：98-100.李天平.GPS原理及应用[M].北京：科学出版社，2003：34-89.[12]周宇宏，李峰.面向汽车导航的嵌入式软件平台[J].全球定位系统,2004,(3)：42-44.[13]AlphaSemiconductorInc.AS1117[EB/OL].http://www.gs.ru/soft/si/ss2/doc/ame1117.pdf,1999-09-14.[14]张其善，吴今培，杨东凯.智能车辆定位导航系统及应用[M].北京：科学出版社，2002：1-25.[15]刘向阳.汽车导航系统产品介绍[J].全球定位系统,2004,(5)，51-52.[16]杨希锐.车载定位导航系统发展状况及市场前景[J].汽车与配件,2004，（9）：26-27.[17]陵龙.汽车导航系统前景诱人健伍率先进入中国市场[J].汽车与配件,2004:(2)14-15.ARMLimited.ARM920TTechnicalReferenceManual[M].London：ARMPress，2001：24-36.AlessandroRubini,JonathanCorbet.LinuxDeviceDrivers[M].NewYork：O'ReillyPress，2002：48-109.魏忠，蔡勇，雷红卫.嵌入式开发详解[M].北京：电子工业出版社，2003：11-35.致谢此论文是我在大学四年期间学习生活的总结。首先要感谢的是我的指导老师邢砾云老师，在写论文期间老师给予了我热情的指导与无私关怀，她严谨的治学、高尚的人格、渊博的知识、敏锐的眼光和宽容的心深深的影响了我。论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导和帮助下完成的，老师倾注了大量时间和精力，特别是在我一筹莫展时帮我拓宽思路，走出困境。从她身上，我不仅仅学到了专业技术知识，而且学到了很多人生之道，更使我清晰了人生奋斗目标。在此，谨向刑老师表示最诚挚的感激!同时也感谢宿舍的舍友们，正是在她们的热情帮助下我克服了一个个的困难，也少走了很多弯路。此外，还要感谢四年来给我提供了良好学习环境的北华大学电气工程学院以及所有曾经给予我谆谆教诲的各位老师，是通过他们的辛勤教学，丰富了我的知识和思维方法，拓展了视野。崇德尚学，自强厉行的校训永远都不会忘记。即将踏上我的职业生涯的我，作为一名即将走出校门的北华学子，我深深感谢母校，感谢母校给我的一切。

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