基于嵌入式Linux系統(tǒng)的車載導航終端

摘要：    本文研究的是嵌入式系統(tǒng)在車載導航終端中的應(yīng)用，以Intel PXA255處理器為核心處理器，以嵌入式Linux系統(tǒng)為操作系統(tǒng)，結(jié)合USB攝像頭，GPS接收機，CDMA無線傳輸模塊等外設(shè)構(gòu)建了基于嵌入式系統(tǒng)的多功能車載導航系統(tǒng)。系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，具有一定實用價值。

關(guān)鍵詞：    ARM；嵌入式系統(tǒng)；Linux；車載導航

車載導航系統(tǒng)是ITS系統(tǒng)(智能交通系統(tǒng))的重要組成部分，它將衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)，地理信息系統(tǒng)(GIS)以及現(xiàn)代通信技術(shù)融于一身。主要功能是將裝有GPS接收機的移動載體的動態(tài)位置、時間、狀態(tài)等信息實時的通過無線網(wǎng)絡(luò)鏈接到指揮控制中心，而后在具有強大地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進行載體運動軌跡的顯示,并能對載體的準確位置、速度、運動方向、車輛狀態(tài)等基本信息進行監(jiān)控和查詢。

總體設(shè)計方案

系統(tǒng)采用Intel公司Xscal架構(gòu)的PXA255處理器為核心處理器，操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux系統(tǒng)。本系統(tǒng)所包含的功能如下：視頻取證功能、衛(wèi)星防盜功能、無線追蹤功能、輔助倒車功能等。

本系統(tǒng)整體功能見圖1。其中多功能車載GPS終端分布在各移動的車輛上，負責接收GPS衛(wèi)星定位信息，通過GPS接收機中的處理器解算出車輛所處的位置坐標。坐標數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以顯示在本機上，由 CDMA模塊，以短信的形式將車輛的位置、狀態(tài)等信息發(fā)送至公網(wǎng)，公網(wǎng)將接收到的車輛定位信息傳送至監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心經(jīng)過計算機系統(tǒng)的處理后與計算機系統(tǒng)上的GIS電子地圖進行匹配，并在地圖上動態(tài)顯示坐標的正確位置。同時，系統(tǒng)可以通過連接在終端上的視頻采集設(shè)備(USB攝像頭)對當前的圖像以一定的速率采集并保存成視頻信息以供日后事故鑒定之用，也可選擇視頻實時顯示模式，作為輔助倒車之用。此外，截取的關(guān)鍵視頻圖片還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程無線圖像監(jiān)控。

圖1系統(tǒng)整體功能模塊構(gòu)成示意圖 

各主要功能模塊設(shè)計

本系統(tǒng)車載終端硬件部分主要包括X-Hyper Xscale PXA255B開發(fā)板，液晶屏，GPS接收板，USB攝像頭、CDMA通信模塊等。軟件模塊主要包括GPS接收模塊、語音留言模塊、視頻取證與輔助倒車模塊、無線監(jiān)控模塊，并設(shè)計有統(tǒng)一的圖形用戶界面。

GPS定位模塊

GPS接收機采用u-Blox RCB-LC，接收數(shù)據(jù)采用NMEA0183格式，波特率設(shè)為9.6Kbps。GPS模塊的工作流程圖如圖2所示，對GPS數(shù)據(jù)的讀取需要通過對串口的操作來實現(xiàn)。在Linux下，所有的硬件設(shè)備都被看成是普通文件，可以通過和普通文件相同的標準系統(tǒng)調(diào)用來完成打開、關(guān)閉、讀取和寫入設(shè)備等操作。系統(tǒng)中每一個設(shè)備都用一種特殊的設(shè)備相關(guān)文件來表示，存放在/dev/目錄下。在Linux中，對每一個設(shè)備的描述是通過主設(shè)備號和次設(shè)備號來實現(xiàn)的。由同一個設(shè)備驅(qū)動控制的所有設(shè)備具有相同的主設(shè)備號，主設(shè)備號描述控制這個設(shè)備的驅(qū)動程序，即驅(qū)動程序與主設(shè)備號是一一對應(yīng)的；次設(shè)備號用來區(qū)分同一個驅(qū)動程序控制的不同設(shè)備。

圖2  GPS模塊的工作流程圖 

視頻取證與輔助倒車模塊

視頻取證與輔助倒車模塊的具體功能如下：當車輛啟動時，由置于車前的攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)的形式分為手動采集和自動采集兩種。手動采集主要用于小的交通摩擦，在車輛的行駛速度沒有發(fā)生較大變化時車主可以根據(jù)自身需要手動選擇；自動采集，主要用于當車輛發(fā)生大的交通事故時，車輛行駛速度由于碰撞發(fā)生較大變化，系統(tǒng)會自動啟動視頻取證功能。在車尾安裝攝像頭，用于輔助駕駛員倒車。由于攝像頭安裝在車尾正后方，恰好可拍攝到駕駛員后視鏡看不到的地方。而且攝像頭的傾角偏下，可很好的查看地面是否有突起的障礙物，以輔助駕駛員倒車。視頻取證模塊程序流程圖與輔助倒車模塊程序流程圖如圖3所示。

圖3 視頻取證與輔助倒車模塊程序流程圖
(a) 視頻取證模塊流程圖
(b) 輔助倒車模塊流程圖
 
攝像頭屬于視頻類設(shè)備，遵循Video for Linux (V4L)標準。這個標準定義了一套API接口，內(nèi)核、驅(qū)動、應(yīng)用程序都以這個接口為標準進行交流。

無線傳輸模塊

無線傳輸模塊系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示，通過具有無線上網(wǎng)功能的CDMA1X無線通信模塊實現(xiàn)無線上網(wǎng)，數(shù)據(jù)收發(fā)。短信收發(fā)程序使用AT命令進行相關(guān)操作,無線傳輸模塊實現(xiàn)原理如下：

圖 4 無線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

(1) 手機向終端發(fā)送帶有“position”字串的短信，終端收到短信后，結(jié)合GPS模塊，得到當前系統(tǒng)所在的經(jīng)緯度，然后以短信的方式返回給手機。

(2) 手機向終端發(fā)送帶有“l(fā)isten”字串的短信，終端收到短信后，主動的給手機回電話。

(3) 手機向終端發(fā)送帶有“stop”字串的短信，終端收到短信后，自動掛斷當前的電話。

(4) 手機向終端發(fā)送帶有“internetxxx. xxx.xxx.xxx”字串的短信，終端收到短信后，提取IP xx.xxx.xxx.xxx,并主動撥號上網(wǎng)，上網(wǎng)后，和服務(wù)器進行綁定嘗試。如果綁定成功，則結(jié)合GPS和攝像頭進行GPS和攝像頭數(shù)據(jù)的傳送；服務(wù)器收到終端的數(shù)據(jù)后，分別將圖片數(shù)據(jù)存為文件并顯示，將GPS數(shù)據(jù)發(fā)送給電子地圖，這樣就可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。如果綁定失敗，則終端會自動下線。

(5) 在數(shù)據(jù)傳送過程中，無論服務(wù)器關(guān)閉或服務(wù)器向終端發(fā)送停止命令終端都會自動下線。

(6) CDMA1X的短信電話功能和上網(wǎng)傳數(shù)據(jù)功能不能同時占用信道，所以在進行短信或電話功能時不能進行上網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，反之亦然。

當接收到的短信中含有上網(wǎng)的有效信息時，終端便開始上網(wǎng)，使用PPP撥號協(xié)議。終
端成功上網(wǎng)后，便可進行數(shù)據(jù)傳送。為了保證數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性(相對UDP協(xié)議不亂序，不丟包等)，程序采用了TCP協(xié)議傳送。ppp撥號上網(wǎng)最重要的部分，負責打開串口并設(shè)置，引導客戶端與服務(wù)器進行會話，引導進行身份密碼驗證，引導把ttySx(串口)和ppp0(ppp撥號上網(wǎng)用來處理網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中的一系列操作)綁定,進行正常的數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)等。

/usr/sbin/chat　用來和服務(wù)器進行會話，對超時、無應(yīng)答等進行設(shè)置，和服務(wù)器進
行身份密碼驗證。為保證無線modem的正常工作，使用的方法有：

(1)收到一條短信處理完就刪除掉，如收到的短信中沒有相關(guān)內(nèi)容，則會自動刪除。這樣模塊收到的短信總數(shù)永遠不會超過20條的上限，可以保證短信的正常收發(fā)(如果短信已滿，則收不到新的短信)。

(2)由于無線上網(wǎng)和手機業(yè)務(wù)(短信和打電話)各自對無線信道的獨占性，即打電話時不能上網(wǎng)，但可以收發(fā)短信，上網(wǎng)時收不到短信和接不了電話。程序采取的措施是電話結(jié)束后發(fā)送stop短信保證不再占有信道，上網(wǎng)過程中遇到一些情況，比如：服務(wù)器關(guān)閉，未打開，綁定失敗，服務(wù)器要求停止傳送等，都會自動下線，并恢復(fù)到上網(wǎng)前的狀態(tài)。

結(jié)語

本課題在設(shè)計過程中，對硬件實現(xiàn)采用集成化的思想，充分利用開發(fā)板的資源；軟件設(shè)計采用模塊化思想，提高系統(tǒng)的可擴展性和可維護性，增長軟件的生命周期。設(shè)計初步實現(xiàn)了全天候定位、視頻圖像采集與無線傳輸?shù)裙δ艿腉PS車載導航終端。

參考文獻：
1.  lessandro Rubini&Jonathan, Linux Device Driver，O'Reilly&Associates,2001
2.  Detlef Fliegl，Programming Guid for Linux USB Device Driver，www.usb.org，2000