嵌入式定位系統的實(shí)用設計與軟件算法實(shí)現

定位系統自問(wèn)世后便得到了蓬勃發(fā)展，其應用已滲入到各行各業(yè)。個(gè)人消費領(lǐng)域引領(lǐng)移動(dòng)定位類(lèi)型科技產(chǎn)品集中涌現，其他領(lǐng)域和行業(yè)也有大量技術(shù)更新。目前各領(lǐng)域的定位系統主要集中在平臺和地圖的研發(fā)上，平臺配合應用要求選用硬件，地圖根據顯示要求實(shí)現軟件算法。因而，它們在定位系統的研究工作中各成體系，兼容性不強。

近年來(lái)，在定位系統設計中，硬件選擇越來(lái)越集中在幾個(gè)品牌的幾個(gè)型號上。而軟件設計方面比較分散。因而在一個(gè)兼容性強的平臺上實(shí)現軟件的集中研發(fā)，將是未來(lái)的研發(fā)方向。

這里提出一種系統構造模式，弱化硬件平臺的影響而力求最大限度的統一軟件設計。

1 系統整體設計方案

這里提出一種實(shí)用的設計方案，通過(guò)對系統的各方面配置，實(shí)現GPS實(shí)時(shí)導航功能。系統主控器件采用韓國Samsung公司生產(chǎn)的ARM核32位RISC微處理器S3C2410，并在由其組成的開(kāi)發(fā)板上移植Linux操作系統，Linux操作系統負責系統的整體調度和控制。通過(guò)S3C2410的UART接口連接GPS接收機，用以接收NEMA0183格式的GPS定位信息。通過(guò)UART接口和GSM／GPRS模塊MC35進(jìn)行通信。

為了在移動(dòng)LED上實(shí)現電子地圖的繪制顯示，系統的整體層次結構框圖如圖1所示。Linux操作系統負責底層硬件的初始化和管理，并向上層提供應用接口，MiniGUI完成電子地圖在LED上的繪制，并通過(guò)Linux內核提供的應用接口與GPS接收機和GSM／GPRS模塊完成通信等功能。

2 圖形界面支持系統——MiniGUI

MiniGUI是一個(gè)針對嵌入式系統的輕量級圖形界面支持系統。MiniGUI能夠在各個(gè)不同的平臺上提供最大程度的接口兼容性，可運行于A(yíng)R-M、MIPS等各種主流嵌入式硬件平臺之上。它能夠提供一個(gè)輕型、資源開(kāi)銷(xiāo)少的嵌入式圖形接口。

這里利用MiniGUI Ver l．3．3版本，將其編譯為lite版本并移植到基于A(yíng)RM核的32位微處理器S3C2410上。在此基礎上，開(kāi)發(fā)基于MiniG-UI的電子地圖顯示應用程序，配合GPS信號接收機實(shí)現定位導航功能。

2．1 交叉編譯MiniGUI

MiniGUI從結構層次上可以分為3層，最上層是APT層，中間層是MiniGUI核心，負責維護整個(gè)窗口系統的運行，最下層由2部分組成，即圖形抽象層(GAL)和輸人抽象層(IAL)。

為了使MiniGUI能夠在不同的目標平臺上運行，必須有針對相應平臺的交叉編譯環(huán)境。根據本文的設計選用S3C2410器件，則選擇交叉編譯環(huán)境Linux-ARM，選擇Mizi公司針對SAMSung公司32位ARM核RISC微處理器S3C2410設計開(kāi)發(fā)的工具鏈，這樣的配置環(huán)境使軟件和硬件具有更好的兼容性。具體交叉編譯的步驟如下：

1)修改cONfigure文件。設置make環(huán)境變量CC、LD及AR等。

2)GAL(圖形引擎)和IAL(輸入引擎)接口的實(shí)現。在MiniGUI中，GAL和IAL是MinGUI的2個(gè)基礎設施，MiniGUI的高可靠度在很大程度上也是由于這2個(gè)接口提供了獨立于硬件的抽象能力。這2個(gè)接口的抽象類(lèi)似于Linux內核中的虛擬文件系統。

在具體實(shí)現一個(gè)輸入引擎(IAL)時(shí)，其中最為關(guān)鍵的是事件處理函數wait_event()的實(shí)現，MiniGUl會(huì )不斷的調用該函數，來(lái)確定在輸入引擎上是否有輸入事件發(fā)生。這里需要特別注意的是，因為MiniGUI是通過(guò)select系統調用來(lái)實(shí)現進(jìn)程間通信機制的，因此在實(shí)現lite版本輸入引擎的wait_event函數時(shí)，一定要通過(guò)select函數或與其等價(jià)的poll函數實(shí)現。與此同時(shí)，在實(shí)現目標板的觸摸屏驅動(dòng)時(shí)，必須要實(shí)現對應file_operaTIons結構中的poll函數指針。即使觸摸屏驅動(dòng)未提供poll函數，也要在wait_event返回之前調用select，并傳遞相關(guān)參數。

Linux系統提供了一種基礎設施——FrameBuffer，通過(guò)這個(gè)設施Linux的圖形輸出有了統一的接口。由于MiniGUI可以通過(guò)FrameBuffer獲得統一的圖形引擎接口。

因此其適應性大大提高，也就很少需要再為MiniGUI編寫(xiě)GAL驅動(dòng)層。

3)依次運行configure、make和make inSTall命令，完成MiniGUl的配置和編譯。

經(jīng)過(guò)上述編譯過(guò)程，會(huì )將編譯好的MiniGUI庫文件安裝在／home／MiniGUI-lite目錄下。為了減小庫文件的大小，根據需要利用config-ure命令去掉MiniGUI中一些不需要的功能，同時(shí)利用交叉編譯工具鏈中的strip命令刪除MiniGUI函數庫中的符號信息和其他一些調試信息。

2．2 MiniGUI向S3C2410上的移植

在嵌入式系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中，編譯完MiniGUI和應用程序后，把MiniGUI庫和應用程序拷貝到為目標系統準備的文件系統目錄中，然后使用相關(guān)工具生成文件系統映像，下載到目標板上。

MiniGUI在運行時(shí)需要一個(gè)配置文件，用來(lái)配置MiniGUI運行所需要的環(huán)境參數。本設計中，將配置文件MiniGUI．cfg放到目標板的／etc目錄下。另外，MiniGUI使用framebuffer作為其輸入引擎，因此在編譯Linux內核時(shí)，選擇將framebuffer相關(guān)的功能編譯到內核中去。

3 繪制基于MiniGUI的電子地圖的算法

3．1 提取電子地圖數據的算法實(shí)現

由于GUI的程序和傳統單一流程的程序不太相同，因此通過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)獲取GPS數據的方式是不可取的。該系統通過(guò)多線(xiàn)程的循環(huán)提取數據，每組數據的提取與處理是在一個(gè)單線(xiàn)程中完成的，從而避免了數據和處理的復雜交互，能更好地體現實(shí)時(shí)性。

首先，對所采用的坐標系進(jìn)行說(shuō)明：假定有一個(gè)形狀為嚴格矩形的地圖，其像素坐標原點(diǎn)為(O，0)，地圖X軸方向上的寬度為W個(gè)像素點(diǎn)，Y軸方向上的高度為H個(gè)像素點(diǎn)，地圖上某點(diǎn)的坐標為(X，Y)，則定義該像素點(diǎn)的歸一化坐標為(x／W，y／H)。對于終端而言，其覆蓋的地理范圍相對于地球半徑來(lái)說(shuō)幾乎可以看作無(wú)窮小，故可以認為電子地圖所對應的經(jīng)緯度坐標在其覆蓋的區域內是線(xiàn)性變化的。有了這2個(gè)點(diǎn)的坐標數據后，當從GPS接收機讀取到經(jīng)緯度坐標時(shí)，根據近似的線(xiàn)性映射關(guān)系，就可以算出該坐標在電子地圖上的歸一化坐標。這種映射關(guān)系，根據歐式幾何原理即式(1)和式(2)，由已知的2個(gè)點(diǎn)可以算出點(diǎn)A和點(diǎn)B的未知參數。

要得到地圖的左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標，只需知道地圖邊界范圍內任取的2個(gè)參考點(diǎn)的4個(gè)參數即可。通過(guò)在某地實(shí)地采集的3個(gè)參考點(diǎn)，得到表l所列的坐標數據。

根據公式，上面的3個(gè)參考點(diǎn)共有3種組合方式，分別得出3組經(jīng)緯度值，對這3組取平均值，以減少誤差，提高精度。最終求得左上角和右下角的坐標數據，如表2所示。

從而得到基準點(diǎn)，并將其坐標數據保存到坐標數據文件taiyuan_gps．dat中。

為了提高靈活性，這里為坐標源數據定義如下數據結構：

3．2 GPS線(xiàn)程

采用單線(xiàn)程對采集的一組數據進(jìn)行讀取、解析和計算。在程序中定義一個(gè)pthread_t類(lèi)型變量，代表采集并解析GPS數據的后端線(xiàn)程。由于GUI的前端和后端GPS線(xiàn)程都要訪(fǎng)問(wèn)某些GPS數據，因此需要在線(xiàn)程間采用同步策略。這里利用線(xiàn)程鎖來(lái)實(shí)現，將其定義為GPSL0CK。它是一個(gè)pthread_mutex_t類(lèi)型的變量。

對應于Point型、Pline型和Region型3種類(lèi)型的地理信息，分別定義數據結構_POINT、_PLINE和_REGION。以道路為例，在程序中定義對應的_PLINE結構來(lái)描述相關(guān)信息，該結構定義如下：

3．3 MiniGUI下電子地圖的繪制

MiniGUI程序的入口點(diǎn)為MiniGUIMain．main函數已在MiniGUl的函數庫中定義，該函數在進(jìn)行一些MiniGUI的初始化工作后調用MiniGUI-Main函數。先調用SetDesktopRect函數來(lái)設置程序的顯示區域，然后調用CreateMainWindow函數創(chuàng )建并顯示程序的主窗口，最終進(jìn)入消息循環(huán)。

MiniGUI是消息驅動(dòng)的系統，一切運作都圍繞消息進(jìn)行，MiniGUI應用程序通過(guò)接收消息來(lái)與外界交互。在電子地圖的繪制過(guò)程中，主要用到MiniGUI的窗口繪制消息MSG_PAINT。該消息在需要進(jìn)行窗口重繪時(shí)發(fā)送到窗口過(guò)程。MiniGUI通過(guò)判斷窗口是否含有無(wú)效區域來(lái)確定是否需要重繪，在需要進(jìn)行重繪時(shí)，MiniGUI會(huì )向相應的窗口過(guò)程發(fā)送MSG_PAINT消息。MSG_TIMER則主要負責從后端GPS線(xiàn)程中取得當前的經(jīng)緯度信息，格式化之后輸出到文本框中。

當MiniGUI主程序接收到其GPS通信子進(jìn)程發(fā)送的SIGUSRl信號時(shí)，就會(huì )調用相應的信號處理函數。為了實(shí)時(shí)更新定位點(diǎn)在電子地圖中的位置，必須在該函數中讀取共享內存中的最新位置信息；同時(shí)根據定位點(diǎn)位置的變化確定需要重繪的區域，調用MiniGUI中的lnvalidateRect函數使該區域無(wú)效。通過(guò)這種方式使得最新的位置信息實(shí)時(shí)地顯示在電子地圖上。

4 結束語(yǔ)

隨著(zhù)社會(huì )信息化的發(fā)展，GPS導航終端的使用已成燎原之勢，越來(lái)越多的設備配備定位或導航功能。本設計利用MiniGUI來(lái)實(shí)現GPS的基本功能，使地圖的繪制工作脫離繁瑣的底層硬件，大大簡(jiǎn)化了此項工作，再配合GPS信號接收機實(shí)現實(shí)時(shí)定位導航功能。同時(shí)，本設計還有許多地方值得改進(jìn)，例如通訊反饋精度和矢量化地理信息的優(yōu)化顯示等。