1 引言

車載電子設(shè)備在技術(shù)水平上的不斷提高已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標志之一，而車載導(dǎo)航設(shè)備是其中重要組成部分。它要將數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，影音娛樂系統(tǒng)，定位系統(tǒng)，電子控制系統(tǒng)實時顯示出來，讓用戶得到充分的駕駛信息，以ARM 及嵌入式操作系統(tǒng)為技術(shù)核心，為車輛駕駛者提供安全行駛所必需的路況、地理信息的車載導(dǎo)航系統(tǒng)目前正在全世界得到越來越廣泛的應(yīng)用，大大提高了用戶駕駛體驗與車輛運行的安全性。

但目前市場上的車載導(dǎo)航系統(tǒng)多使用 WinCE 作為操作系統(tǒng)，不僅軟件使用價格昂貴，而且對硬件要求較高，運行速度偏慢。本文提出并設(shè)計了一種基于GPS 和GPRS，使用嵌入式32 位處理器和嵌入式Linux 的車載導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用S3C2440A:32 位ARM920T內(nèi)核處理器，外部擴展GPS 接收模塊及GPRS 通訊模塊，顯示部分采用SAMSUNG 4.3 寸480×272 分辨率寬屏TFT 真彩液晶。底層采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，具有源碼開放、易移植、模塊化、資源豐富的優(yōu)勢。圖形用戶界面（GUI）采用Qt/Embedded 軟件進行開發(fā)。本文著重從 GPS 與GPRS 數(shù)據(jù)接收與發(fā)送， 嵌入式Linux 總體架構(gòu)，多線程技術(shù)在Qt中應(yīng)用等方面進行論述。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及軟件開發(fā)平臺

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，本系統(tǒng)采用SAMSUNG 公司的S3C2440A嵌入式處理器，標稱工作頻率：400MHz；CPU 內(nèi)置STN/CSTN/TFT LCD 控制器，支持1024ⅹ768 分辨率以下的各種液晶；以太網(wǎng)控制器；1 通道5 線制串口，2 通道3 線制串口，CAN 接口，SPI接口，RTC實時時鐘等；通過RS232 外接GPS接收儀及GPRS模塊; 系統(tǒng)外擴64NB SDRAM，用于操作系統(tǒng)內(nèi)存空間，存放動態(tài)數(shù)據(jù)和運行程序; 系統(tǒng)外擴64MB Flash 空間，用于存放Linux 內(nèi)核，文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序和用戶數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件基于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，并選擇Qt/Embedded 作為圖形用戶界面（GUI）開發(fā)環(huán)境。Qt 是Trolltech 公司推出的跨平臺的應(yīng)用程序框架，Qt/Embedded 是Qt 面向嵌入式應(yīng)用的版本，一次編寫，隨處編譯。 Qt 特有的信號/槽（singal /slot）機制，加強了對象間通信的靈活性；通過裁剪去掉無關(guān)模塊可以調(diào)整庫文件的大小，適合嵌入式系統(tǒng)使用；在QT 中支持OpenGL 接口和矢量圖形格式SVG. 能充分滿足導(dǎo)航系統(tǒng)繪圖需要。系統(tǒng)從GPS實時獲取車輛位置（包括經(jīng)緯度與時間等）和運行信息（包括車速與方向等），在電子地圖上顯示相關(guān)導(dǎo)航信息，用戶通過觸摸屏操作，提供地圖漫游、地圖查詢和道路信息管理等功能。

3 GPS/GPRS 系統(tǒng)的組成原理及構(gòu)成

（1） GPS 定位基本原理

GPS 的定位原理實質(zhì)上就是測量學(xué)的空間測距定位，利用在平均20200km 高度均勻分布在6 個軌道的24 顆衛(wèi)星，發(fā)射測距信號碼和載波，用戶通過接收機接收這些信號測量衛(wèi)星至接收機之距，通過一系列方程演算，便可知地面定位坐標。用戶測得的到衛(wèi)星的距離稱為“偽距”，它不是用戶到衛(wèi)星的真正距離，其中還包括衛(wèi)星時鐘的偏差，用戶時鐘的偏差信號，傳播延遲引起的測距誤差等，因此在至少收到三顆衛(wèi)星后，即可計算出平面坐標（經(jīng)緯度）值，收到四顆則可在計算出方程值，這就是GPS 的基本定位原理。

圖 2 GPS 定位原理圖

程式中各個參數(shù)意義如下：

x，y，z 為待測點坐標的空間直角坐標。x i 、y i 、z i （i=1， 2， 3， 4）分別為4 顆衛(wèi)星在t 時刻的空間直角坐標，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。Vti （i=1， 2， 3， 4）分別為4 顆衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。Vt0為接收機的鐘差。由以上方程即可解算出待測點的坐標 x，y，z 和接收機的鐘差Vt0。

（2） GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及傳輸原理

GPRS 是在原有的GSM 網(wǎng)絡(luò)中增加了兩個節(jié)點：SGSN（Serving GPRS SupportNode，服務(wù)GPRS 節(jié)點）和GGSN（Gateway GPRS SupportNode，網(wǎng)關(guān)GPRS 節(jié)點），SGSN 的主要作用就是記錄車輛的當前位置信息，并在車輛和GGSN 之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，GGSN 主要是起網(wǎng)關(guān)作用，它可以和許多不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接。GGSN 提供了GPRS 網(wǎng)絡(luò)與Internet 的接口，而SGSN 負責(zé)聯(lián)系移動終端和GGSN，應(yīng)此，一個完整的GPRS 通訊過程就是車載終端發(fā)出的數(shù)據(jù)先傳至BSS（Base Station System 基站系統(tǒng)），經(jīng)由GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳至GGSN，通過GGSN 接入Internet，在Internet 上依靠TCP 協(xié)議傳給上位機，終端接收數(shù)據(jù)的流程則與此相反，GPRS 數(shù)據(jù)收發(fā)在網(wǎng)絡(luò)層使用TCP/IP 協(xié)議。

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

（1） 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

主要由以下模塊組成：用戶界面顯示模塊、GPRS 通訊模塊、GPS 定位模塊、地圖匹配模塊、路徑規(guī)劃模塊、電子地圖模塊、底層通訊模塊等。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)總體框圖

用戶界面顯示模塊：用戶與車載導(dǎo)航系統(tǒng)交互的平臺，通過調(diào)用其它模塊起到信息交互的作用；GPRS 通訊模塊：將用戶駕駛信息及車況信息實時傳送至遠程監(jiān)控端，不僅起到記錄車況的作用，而且還能防盜；GPS 定位模塊：實時接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度，時間，海拔，即時速度等；地圖匹配模塊：根據(jù)GPS 定位獲得的數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)中存儲的地圖信息進行匹配，獲得車輛周圍的地理信息，為用戶提供參照；路徑規(guī)劃模塊：用戶輸入起始坐標和終點坐標，系統(tǒng)自動計算最近道路，從而起到車輛導(dǎo)航的作用；底層通訊模塊：通過CAN 總線及232 總線，獲取車輛各種信息，從而在用戶顯示界面上顯示出來。

（2） Linux 在S3C2440 上的移植

嵌入式 Linux 管理整個導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件設(shè)備并對所有程序進行調(diào)度，是軟件系統(tǒng)的核心。由于Linux 是面向PC 機的操作系統(tǒng)，將其用于嵌入式領(lǐng)域，需要進行移植，它一般包括啟動加載代碼（Bootloader）的移植、內(nèi)核移植、驅(qū)動程序的編寫、文件系統(tǒng)的構(gòu)建等。將 U-boot 源代碼在ADS 環(huán)境下進行編譯，將編譯成功的二進制代碼燒寫到開發(fā)板所帶Flash 上，然后在上電啟動。Bootloader 首先完成硬件設(shè)備的初始化，然后設(shè)置Linux 內(nèi)核的啟動參數(shù)，最后調(diào)用Liuux 內(nèi)核，直接跳轉(zhuǎn)到Linux 內(nèi)核的第一條指令處。從 Linux 的方式看待設(shè)備可區(qū)分為3 種基本設(shè)備類型：字符設(shè)備，塊設(shè)備，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。車載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序由以下三個部分組成：

（1）自動配置和初始化子程序。初始化子程序首先運行，負責(zé)檢測硬件設(shè)備是否存在和能否正常運行；

（2）中斷服務(wù)子程序。由嵌入式Liuux 系統(tǒng)來接收硬件中斷，再通過系統(tǒng)來調(diào)用中斷服務(wù)子程序；

（3）服務(wù)于I/O 請求的子程序。對I/O 設(shè)備進行存取。將編寫好的設(shè)備驅(qū)動編譯到內(nèi)核中，在系統(tǒng)啟動時和內(nèi)核一起啟動。

文件系統(tǒng)構(gòu)成了 Linux 系統(tǒng)上所有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。經(jīng)過比較，系統(tǒng)設(shè)計時決定使用Cramfs文件系統(tǒng)，當訪問文件時，Cramfs 文件系統(tǒng)自動的將要訪問的文件解壓到RAM 中，會盡可能給實際執(zhí)行的應(yīng)用程序保留RAM 空間，而且可以為運行時解壓縮挪出額外的CPU 周期。使用mkcramfs 命令生成cramfs 鏡像文件，再將其下載到系統(tǒng)中去，Linux 啟動時自動加載根文件系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的啟動。

（3）多線程技術(shù)在Qt 中的應(yīng)用

在具有圖形用戶界面的 Qt 應(yīng)用程序中，主線程由GUI 線程充當，它同時擁有一個或多個非GUI 線程作為工作線程來處理其它耗時操作，例如不斷更新的車輛方向、速度，地圖的匹配等。這樣，即使在負載很重的情況下，應(yīng)用程序也可以保證圖形用戶界面的響應(yīng)。依賴 Qt 提供的多線程技術(shù)，使得該導(dǎo)航系統(tǒng)中的多數(shù)據(jù)交互成為可能，GUI 線程在調(diào)用了exec（）函數(shù)后，要么等待一個事件，要么處理一個事件，每一個線程都可以有自己的事件循環(huán)，如圖4所示，起始線程通過QcoreApplication：：exec（）啟動事件循環(huán)，其他非GUI 線程通過Qthread：：exec（）啟動各自的事件循環(huán)。

圖 4 Qt 線程事件模型

5 結(jié)論

本文作者的創(chuàng)新點：

（1）將嵌入式Liuux 操作系統(tǒng)用于車載導(dǎo)航系統(tǒng)，是對傳統(tǒng)的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的重大改進，成本大幅降低，同時利用Linux 系統(tǒng)的多線程技術(shù)，可以解決系統(tǒng)中多個任務(wù)并行處理的問題，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，提高了系統(tǒng)的運行速度。

（2）顯示系統(tǒng)采用Qt/Embeded 軟件進行用戶顯示界面設(shè)計，一次編寫，隨處編譯，方便移植到各種不同的平臺，只需重新編譯即可，使用開源版節(jié)約大量軟件授權(quán)費用，這些都是傳統(tǒng)WinCE 程序所不能比擬的。

（3）目前本系統(tǒng)已經(jīng)裝載在車上試運行，實踐證明本系統(tǒng)能實時顯示車輛當前運行狀況，快速響應(yīng)用戶操作，為駕駛者提供良好的導(dǎo)航信息。

責(zé)任編輯：gt