嵌入式車(chē)載導航信息系統設計

我國GPS車(chē)輛導航系統受?chē)鴥绕?chē)工業(yè)發(fā)展現狀、電子地圖配套限制等諸多綜合因素制約，仍處于初始發(fā)展階段。在功能上，大部分GPS車(chē)輛導航系統還只有車(chē)輛跟蹤、數字地圖查詢(xún)、路徑簡(jiǎn)單規劃等基本功能。本文對嵌入式車(chē)載導航信息系統體系結構進(jìn)行研究，給出一個(gè)完整系統結構。并重點(diǎn)討論導航電子地圖的實(shí)現方法。

1 嵌入式車(chē)載導航信息系統結構

　　車(chē)載導航信息系統借助于定位、地理信息處理和通信等技術(shù)，通過(guò)處理車(chē)輛狀態(tài)數據。配合地理信息系統和導航數據庫處理信息，并與服務(wù)中心交流信息交流，可提供定位、電子地圖、路徑規劃和引導、信息查詢(xún)、歷史行駛狀態(tài)詳細記錄、通信等功能。圖1為該導航信息系統功能各模塊關(guān)系。

　　圖1中，定位系統包括定位模塊和地圖匹配模塊，可得到系統的實(shí)時(shí)姿態(tài)數據，如經(jīng)度、緯度、高度、速度、運動(dòng)方向等；數字地圖數據庫包含預先定義好存儲格式的數字地圖信息，提供計算機處理與地圖有關(guān)信息，如辨別場(chǎng)所、公路等級、交通規則和旅行信息等：路徑規劃和路徑引導模塊功能是根據地圖數據庫模塊所提供的地圖數據，加上從無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )收到的實(shí)時(shí)交通信息，按照某個(gè)指標(如最小時(shí)間或者最小旅行代價(jià))幫助用戶(hù)在行駛前或運行中規劃路線(xiàn)；人機接口允許用戶(hù)與定位和導航計算機及裝置進(jìn)行人機交互；無(wú)線(xiàn)通訊模塊進(jìn)一步改進(jìn)系統性能并增加系統功能。

　　傳統的導航信息系統主要有2種實(shí)現方法：基于單片機的簡(jiǎn)易導航系統和基于移動(dòng)PC的導航系統。前者結構簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但功能有限，僅僅實(shí)現定位、簡(jiǎn)易位置指示以及簡(jiǎn)單通訊功能；而后者以PC操作系統為軟件平臺，應用專(zhuān)業(yè)軟件包或自主開(kāi)發(fā)軟件包，配以相應外圍模塊(如定位、通訊等)能夠實(shí)現導航所有復雜功能，但價(jià)格高，且難以適應車(chē)載環(huán)境。因此，采用嵌入式系統作為現代車(chē)載導航系統的運行平臺是必然選擇。

　　選用PCM-5820作為嵌入式車(chē)載信息系統的硬件平臺，Windows CE作為嵌入式系統的操作系統平臺。PCM-5820完全滿(mǎn)足系統在存儲容量、處理速度、通信接口、功耗、體積等方面的要求。Windows CE具有方便定制、移植簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，且具有與PC操作系統一致界面風(fēng)格和操作方式，實(shí)現豐富的API，便于開(kāi)發(fā)?；谝陨掀脚_，圖2給出嵌入式車(chē)載導航系統的軟件結構。

　　該系統的定位模塊和無(wú)線(xiàn)通訊模塊需借助相應裝置，導航信息系統直接收發(fā)這些裝置數據，處理后為系統所用；路徑規劃和路線(xiàn)引導模塊功能的實(shí)現算法研究已相當深入，這里不再贅述。而對于導航電子地圖模塊，為便于功能實(shí)現和后期擴展，按其功能分為矢量圖形系統和導航數據庫系統，前者是按特定要求顯示矢量圖形，后者是存儲和管理圖形元素的幾何數據(如坐標等)、屬性數據(如道路等級等)以及其他相關(guān)數據(如交通信息等)。

2 導航矢量圖形系統

　　2．1 基于EVC的矢量圖形系統

　　分析地圖發(fā)現，地圖矢量化后矢量圖形的元素類(lèi)型有：點(diǎn)(Point)、線(xiàn)(Line)、連續折線(xiàn)(Polyline)、區域(Region)、弧線(xiàn)(Arc)、文本(Text)、矩形(Rectangle)、圓角矩形(Rounded Rectangle)、橢圓(Ellipse)、圓(Circle)、符號(Symbol)等11個(gè)類(lèi)型。導航電子地圖中，符號只用于顯示，而且類(lèi)型有限，該系統采用柵格方式在矢量圖形上透明顯示。其余10種圖形元素并非獨立分類(lèi)，比如，元素點(diǎn)可用其他若干個(gè)元素組合表達：矩形元素(在嵌入式C++中有直接函數支持)實(shí)質(zhì)是一個(gè)特殊區域。

　　考慮以上每個(gè)對象類(lèi)都有如線(xiàn)型、顏色等的公共數據，可抽象一個(gè)基類(lèi)。本文共建立了15對象類(lèi)及結構：基類(lèi)Class CDraw、線(xiàn)類(lèi)Class Cline：public CDraw、多線(xiàn)類(lèi)Class CPline：public CDraw、區域類(lèi)Class CArea：public CDraw、橢圓弧類(lèi)Class CEarc：public CDraw、圓類(lèi)偽代碼描述Class CCirele：public CDraw、矩形類(lèi)Class Crectangle：public CDraw、圓角矩形類(lèi)Class CroundedRectangle：public CDraw、橢圓類(lèi)Class CEllipse：public CDraw、文本類(lèi)Class CText：public CDraw、符號類(lèi)Class CSvmbol:public CDraw、繪制矢量圖形參數類(lèi)Class CgraphPara、圖層屬性結構typedef struct、當前畫(huà)面屬性結構tvoedef struct、導航目標屬性結構typedef stmct。

車(chē)載導航電子地圖一般采用小液晶顯示屏顯示。為了實(shí)現導航，顯示的畫(huà)面內容應盡可能簡(jiǎn)單明了，所以矢量圖形將數據分層組織，在圖形元素的基類(lèi)中設有表示元素所處圖層的信息。除了將元素分類(lèi)為不同的顯示圖層，簡(jiǎn)化顯示內容，基類(lèi)還可設置該元素是否顯示標志位，這樣可提高顯示速度，節省資源。例如。在同一圖層元素，如果有些元素不在當前顯示窗口，可以不進(jìn)行與顯示有關(guān)的后臺操作(坐標變換等)。DPtoVP和VPtoDP方法是實(shí)際坐標(地理坐標)和圖形坐標相轉換。通過(guò)矢量化得到的圖形元素的位置數據一般是某種坐標系下的坐標值，而本系統用戶(hù)可見(jiàn)的顯示坐標范圍為從(0，0)至(640，480)，所以需進(jìn)行坐標變換。每個(gè)圖形元素都需Draw(繪制)方法，但不同元素的繪制方法各不相同，為了方便Draw方法使用，在基類(lèi)中將Draw定義為純虛函數，在子類(lèi)中重載時(shí)再具體賦以不同繪制內容。

　　2．2 矢量圖形系統優(yōu)化

　　嵌入式車(chē)載導航系統硬件平臺一般采用低功耗設計，運算能力有限。但導航電子地圖顯示畫(huà)面往往含有大量圖形元素，圖形顯示一次需花費大量時(shí)間。如果采用每次全部繪制所有電子地圖內容并直接輸出到畫(huà)面，則會(huì )導致畫(huà)面刷新慢和重繪閃爍明顯。因此需優(yōu)化矢量圖形的繪制方法。

　　2．2．1 提高圖形的顯示速度

　　一般繪圖方法是繪制所有圖形元素，而這樣嚴重影響繪圖速度。為了加快繪圖速度，在顯示一個(gè)圖形元素前，先判斷該圖形元素是否在當前視圖屏幕中，如果不在，則無(wú)需繪制，從而節省繪制時(shí)間州。而判斷一個(gè)圖形元素是否在當前視圖屏幕．需計算判斷圖形元素與當前視圖屏幕矩形是否相交，但此方法需大量計算，影響顯示速度。采用的判斷圖形元素是否需要繪制的方法應允許不太嚴密，但要計算簡(jiǎn)單。在每次重繪圖形元素前，首先判斷元素是否顯示，并只繪制所需部分。這樣就大大加快繪圖速度，并能滿(mǎn)足導航電子地圖系統顯示要求。

　　2．2．2 解決畫(huà)面閃爍問(wèn)題

　　窗口圖形繪制包括：上次繪制、本次擦除、本次重繪。其中本次擦除操作是必須的。如果重繪時(shí)未清除原來(lái)繪制圖形，將導致新圖形和原圖形相疊加。而在新圖形繪制出前，在極短時(shí)間內屏幕顯示一個(gè)空的矩形區域，圖形重繪完成后，窗口顯示區才開(kāi)始有內容顯示。所以擦除屏幕會(huì )出現閃爍，這與圖形復雜程度無(wú)關(guān)。采用雙緩存機制解決重繪閃爍。雙緩存就是在內存中新開(kāi)辟一個(gè)緩沖區，原來(lái)的顯示緩沖區作為前臺緩沖區．新開(kāi)辟的緩沖區作為后臺緩沖區。如圖3所示，繪圖時(shí)先把輸出內容寫(xiě)入后臺緩沖區，繪圖完成后再把屏幕的當前顯示緩沖區切換到這個(gè)包含新內容的緩沖區。一旦把屏幕顯示緩沖指向后臺緩沖區，下一幀的輸出內容就可寫(xiě)入原緩沖區，再通過(guò)屏幕顯示。因為是非常規整的內存拷貝，所以前后臺的緩沖區切換速度非?？?，幾乎看不到圖形的擦除過(guò)程。因此使用雙緩沖區取代單緩沖區可成功隱藏繪圖過(guò)程．避免閃爍。

3 導航數據庫管理系統設計

　　所謂數據庫即格式化(結構化)的文件，用戶(hù)完全可自行設計所需格式文件，并提供操作函數。這里使用．dbf文件格式。因為該格式被眾多數據庫管理系統接受，處理方便。這樣實(shí)現的數據管理系統是一種平面文件數據庫。這種數據庫系統實(shí)現簡(jiǎn)單經(jīng)濟，開(kāi)發(fā)周期短，但速度較慢。實(shí)踐表明，車(chē)載導航系統采用這種方法完全可以滿(mǎn)足要求。

　　本文使用16進(jìn)制閱讀工具hex32．exe分析dbf文件結構。經(jīng)分析dbf文件具有以下特征：文件由文件結構說(shuō)明區和文件數據區構成；文件的結束標志為lAH。文件數據區存放記錄(類(lèi)似表格的一行)，每條記錄是等長(cháng)的；每條記錄以20H開(kāi)始，按字段順序存放，沒(méi)有字段分隔符，也沒(méi)有記錄終止符；若刪除該記錄，則記錄的第1個(gè)字節標記為2AH。文件結構說(shuō)明區包括數據庫參數區和記錄結構區。文件的前32個(gè)字節為數據庫參數區。記錄結構區包括各個(gè)字段參數，其中每個(gè)字段占32個(gè)字節。本系統基本表的組織形式與dhf文件組織形式相同。

　　數據庫管理系統實(shí)現的主要函數與普通關(guān)系數據庫接口類(lèi)似，選擇使用必要的函數可以實(shí)現車(chē)載導航所需的基本操作。實(shí)現通用數據庫所支持的全部操作，系統具備較豐富的操作功能。用戶(hù)還可開(kāi)發(fā)實(shí)現特定功能的其他操作，作為系統擴展。

4 結束語(yǔ)

　　針對嵌入式車(chē)載導航信息系統體系結構進(jìn)行研究，并重點(diǎn)討論導航電子地圖的實(shí)現。利用GIS組件實(shí)現導航電子地圖和導航數據庫的傳統方發(fā)法，以EVC(嵌入式VC)為開(kāi)發(fā)工具，設計了電子地圖矢量圖形系統，并自主設計能滿(mǎn)足車(chē)載導航需要的基于文件系統的導航數據庫管理系統。實(shí)踐表明，本文建立的導航電子地圖系統具有較強的靈活性和可擴展性，能方便移植于不同的軟硬件平臺，運行可靠，適合嵌入式系統應用，有一定的應用和推廣價(jià)值。