基于arm9的汽车导航系统设计

摘要

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。本文针对移动式工程机械智能监控系统的要求提出了一个将导航定位技术和嵌入式 Linux 系统相结合，设计基于嵌入式 Linux 的车载导航系统的方案，在 ARM9 平台上移植嵌入式 Linux 操作系统，然后基于此平台实现车载导航系统。在整个系统中，硬件系统是基础，嵌入式 Linux 操作系统是软件的运行平台，它们在车载导航系统中占有重要的地位。因此本文对导航系统的硬件平台及嵌入式 Linux 操作系统进行了重点研究。论文首先简要介绍了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，并描述了本文研发的主要工作；然后根据车载定位导航系统的要求设计系统架构；开发了基于ARM9(S3C2410A)的系统硬件平台，重点分析了电源、时钟、SDRAM、Flash、以太网、触摸屏、串口、USB 和音频等接口电路原理并给出了设计结果；在对嵌入式Linux 操作系统进行较为深入研究的基础上，详细介绍了 Bootloader、Linux 内核和设备驱动程序的开发过程，完成了 U-Boot移植、设备驱动程序的编写和内核的编译。由于嵌入式 GUI 程序设计是实现良好的人机交互界面的重要途径，因此对这部分内容的研发情况也进行了相当篇幅的介绍。

本文所研发的嵌入式车载导航系统经实验室调试，结果表明基本实现了设计要求，且运行稳定可靠，具有一定的推广应用价值。

关键词：嵌入式系统；车载导航ARM9 处理器； GPS/GIS设备驱动；Qt/Embedded

第 1 章绪论

1.1课题研究背景

当前，以具有无线通讯功能的个人数字助理 PDA、手持个人电脑 HPC、交互式网络信息家电、车载多媒体系统为代表的新一轮智能型 3C(Computer、Communication、 Consumer)合一的类 PC 嵌入式系统与技术进入了一个崭新的智能化、网络化的发展阶段，类 PC 嵌入式系统与产品的嵌入式操作系统及其应用软件也同时得到了空前的发展与繁荣。同时，社会经济的发展，交通路网通过能力已满足不了交通量增长的需要，交通拥挤和阻塞现象日趋严重，交通污染和事故的问题也日益明显。为解决上述问题，大幅度地提高道路的通行能力和服务质量，智能交通系统(Intelligent Transport System,ITS)应运而生[ 1 ]。ITS 是一种实时、高效的交通运输综合管理和控制系统，它的主要目标就是要充分地利用现有的交通资源，达到现有交通资源效益最大化。它把车辆和道路综合起来，不仅可以系统地解决交通问题，而且对社会许多领域都将产生积极的影响，具有积极的社会经济意义。

1.2嵌入式系统简介

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面有特殊要求的专用的计算机系统[ 4 ]。嵌入式系统与通用计算机系统的本质区别在于系统应用不同，嵌入式系统是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个对象可能是庞大的机

器，也可能是小巧的手持设备，用户并不关心这个计算机系统的存在。嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业，它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统一般包含嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和应用程序 4个部分。任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面。硬件包括微处理器、存储器、I/O 端口和图形控制器。软件包括操作系统软件和应用软件，应用软件控制着嵌入式系统的运作和行为，而操作系统则为应用程序提供必要的底层支持。图 1.1 给出了典型嵌入式硬件平台的组成。

1.3国外车载导航系统现状

近年来，ITS 在各发达国家日益受到政府、企业及科研机构的高度重视，各国纷纷设立了推进 ITS 的主体机构，如欧洲成立了本部设在比利时布鲁塞尔的欧洲交通信息与控制组织 ERTICO（ European Road Transport

Telematics Implementation Coordination Organization ），美国成立了美国 ITS 协会（Intelligent Transportation Society of America），日本也与1994 年 1 月成立了道路、交通、车辆智能化推进协会VERTIS （Vehicle,Road and Traffic Intelligence Society）。车载导航在国外发达国家发展比较快，从数据生产加工、导航硬件到导航软件有完善的产业链。

第 2 章嵌入式车载导航系统及其中的关键技术

2.1 嵌入式车载导航系统的拓扑结构

嵌入式车载导航系统采用 GPS 定位系统来获得车辆的经纬度坐标信息，并辅助以电子地图信息来确定车辆的准确位置信息。车载导航系统运行时，首先通过 GPS 模块接收到导航电文确定经纬度坐标，然后通过读取电子地图数据，在地图中搜索出准确的道路与车辆位置匹配，并将此位置在地图中显示给用户[ 7 ]。用户可以通过导航系统用户交互界面输入相关的命令，完成诸如地图信息检索、距离测算和车辆运行轨迹回放等功能。导航系统还可以根据用户命令，使用 GPRS 模块连接无线网络获得最新的路况信息，对最优路径进行调整，及时避开拥挤路段。同时车辆监控中心也能通过无线网络获得车辆的各种信息，对出行车辆进行监控。车载导航系统运行时，拓扑结构如图 2.1 所示。

2.2 GPS 全球定位技术

GPS(Global Position System)：全球定位系统，它是美国从上世纪 70 年代开始研制，历时 20 年，耗资近 200 亿美元，于 1994 年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统[ 9 ]如今，GPS 已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

2.3嵌入式操作系统

从 20 世纪 80 年代开始，国际上就有一些 IT 组织、公司开始进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的研发，这其中涌现出一些著名的嵌入式操作系统。经过多年发展，目前世界上已经有一大批十成熟的实时嵌入式操作系统。实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型[ 1 5 ]。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有μC/OS和Linux。目前嵌入式实时操作系统正处于高速发展阶段，未来几年，这种发展和竞争将愈演愈烈，嵌入式操作系统、捆绑工具以及相关服务的市场也将越来越大，这些操作系统都有各自的特点和应用领域。

第 3 章嵌入式车载导航系统硬件平台设计

嵌入式车载导航系统采用了 Samsung 公司的 ARM9 芯片 S3C2410A 作为系统核心处理器。系统接有 3.5 英寸的液晶显示屏以及触摸屏作为导航地图的显示定位；扩展了 SD 卡作为数据存储；GPS 和 GPRS 模块通过 RS-232 串口和ARM9 相连。硬件系统整体框图如图 3.1 所示。

3.1 嵌入式处理器 S3C2410A

S3C2410A 是韩国 Sam Sung 公司的一款基于 ARM920T 内核 (内部结构如图 3.2 所示 )的 16/32 位 RISC 嵌入式微处理器，其内核频率可达 200~266 MHz，片上资源非常丰富，可以简化外围电路设计，降低功耗。其低廉的价格、丰富的外设资源，使得这款 CPU 得到了非常广泛的应用[ 2 1 ]。它主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。

第 4 章嵌入式车载导航系统软件平台设计系统软件包括操作系统和设备驱动两部分。操作系统采用嵌入式 Linux，这种操作系统与硬件结合紧密，具有结构紧凑、体积微小、实时性强和高度伸缩性等优点。驱动程序用于驱动车载导航系统中的硬件设备。下面将以Embedded Linux 为中心，介绍 Linux 系统的移植、设备驱动开发。

4.1 嵌入式 Linux 平台的建立

嵌入式 Linux 系统平台从软件角度看通常可以分为三个层次：

引导程序(Bootloader)：初始化硬件，引导加载 Linux 内核。

Linux 内核 (Linux Kernel)：嵌入式定制内核及控制内核引导系统的参数。根文件系统(Root File System)：提供管理系统的各种配置文件。图 4.1 显示了一个装有 Bootloader、内核启动参数、内核映像以及根文件系统镜像的固态存储设备(FLASH)的空间分配结构图。

第 5 章嵌入式车载导航系统GUI 设计嵌入式车载导航系统启动后呈现给用户整个地图，然后用户可以执行不同的操作来实现不同的功能。地图的描绘是由 GIS 系统通过使用 GUI 工具(QT/Embedded)来实现。在分层读取到地图数据后，配上对应的颜色，分层绘制到设备上去。GIS 系统采用了内存绘图的方法，每次都读取了几倍于视窗大小的地图数据，那么用户漫游时只要不达到边界，就可以直接将内存数据绘出，如超出范围则需要重新读取数据。放大和缩小通过响应鼠标获取比例尺、然后设定中心，读取相应的地图数据后显示给用户。

结论

根据国家“十五”发展规划，为实现局部领域的突破和跨越式发展，我国特将包括卫星应用在内的十项重大高新技术工程列为重点发展项目。另外，为建立智能型综合交通运输体系，发展智能交通系统也已经写入我国“十五”综合交通运输体系发展规划。以车载导航定位终端为控制核心设备的车载导航定位系统正是以上两项计划先进技术融合的结晶。在此应用背景下，本课题根据移动式工程机械智能监控系统对车载嵌入式导航系统的要求，提出了一种基于嵌入式

Linux 的 GPS/GIS 车载导航系统架构，旨在为汽车起重机提供一个低成本、高实用性的车辆导航定位系统。本文将重点放在了嵌入式车载导航系统的硬件平台设计、嵌入式

Linux 操作系统的移植和 GUI 应用程序的设计。主要完成了以下工作：

(1) 针对嵌入式车载导航系统的应用背景和设计要求，分析了目前比较流行的各种嵌入式处理器体系结构和嵌入式操作系统，提出了 ARM9+嵌入式Linux 操作系统架构的整体设计方案。

(2) 基于嵌入式微处理器 ARM9 设计了系统的主控功能模块和外围电路。详细介绍了电源、时钟、SDRAM、FLASH、SD 卡、触摸屏、网卡、USB 接口和音频接口的原理和硬件实现。

(3) 实现了嵌入式 Linux 操作系统在 ARM9 平台上的移植。分析了引导程序(Bootloader)、设备驱动程序与内核之间的关系以及具体的开发过程，完成了U-Boot 的移植、设备驱动程序的编写 ( 重点介绍了触摸屏的设备驱动开发 ) 和Linux2.6.22 内核的配置和编译。