嵌入式定位系統(tǒng)的實用設計與軟件算法實現

定位系統(tǒng)自問世后便得到了蓬勃發(fā)展，其應用已滲入到各行各業(yè)。個人消費領域引領移動定位類型科技產品集中涌現，其他領域和行業(yè)也有大量技術更新。目前各領域的定位系統(tǒng)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現軟件算法。因而，它們在定位系統(tǒng)的研究工作中各成體系，兼容性不強。

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

這里提出一種系統(tǒng)構造模式，弱化硬件平臺的影響而力求最大限度的統(tǒng)一軟件設計。

1 系統(tǒng)整體設計方案

這里提出一種實用的設計方案，通過對系統(tǒng)的各方面配置，實現GPS實時導航功能。系統(tǒng)主控器件采用韓國Samsung公司生產的ARM核32位RISC微處理器S3C2410，并在由其組成的開發(fā)板上移植Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)負責系統(tǒng)的整體調度和控制。通過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UART接口和GSM／GPRS模塊MC35進行通信。

為了在移動LED上實現電子地圖的繪制顯示，系統(tǒng)的整體層次結構框圖如圖1所示。Linux操作系統(tǒng)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(tǒng)——MiniGUI

MiniGUI是一個針對嵌入式系統(tǒng)的輕量級圖形界面支持系統(tǒng)。MiniGUI能夠在各個不同的平臺上提供最大程度的接口兼容性，可運行于AR-M、MIPS等各種主流嵌入式硬件平臺之上。它能夠提供一個輕型、資源開銷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ARM核的32位微處理器S3C2410上。在此基礎上，開發(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，負責維護整個窗口系統(tǒng)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)接口的實現。在MiniGUI中，GAL和IAL是MinGUI的2個基礎設施，MiniGUI的高可靠度在很大程度上也是由于這2個接口提供了獨立于硬件的抽象能力。這2個接口的抽象類似于Linux內核中的虛擬文件系統(tǒng)。

在具體實現一個輸入引擎(IAL)時，其中最為關鍵的是事件處理函數wait_event()的實現，MiniGUl會不斷的調用該函數，來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select系統(tǒng)調用來實現進程間通信機制的，因此在實現lite版本輸入引擎的wait_event函數時，一定要通過select函數或與其等價的poll函數實現。與此同時，在實現目標板的觸摸屏驅動時，必須要實現對應file_operaTIons結構中的poll函數指針。即使觸摸屏驅動未提供poll函數，也要在wait_event返回之前調用select，并傳遞相關參數。

Linux系統(tǒng)提供了一種基礎設施——FrameBuffer，通過這個設施Linux的圖形輸出有了統(tǒng)一的接口。由于MiniGUI可以通過FrameBuffer獲得統(tǒng)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GAL驅動層。

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

經過上述編譯過程，會將編譯好的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(tǒng)開發(fā)過程中，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(tǒng)準備的文件系統(tǒng)目錄中，然后使用相關工具生成文件系統(tǒng)映像，下載到目標板上。

MiniGUI在運行時需要一個配置文件，用來配置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，選擇將framebuffer相關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現

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

首先，對所采用的坐標系進行說明：假定有一個形狀為嚴格矩形的地圖，其像素坐標原點為(O，0)，地圖X軸方向上的寬度為W個像素點，Y軸方向上的高度為H個像素點，地圖上某點的坐標為(X，Y)，則定義該像素點的歸一化坐標為(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說幾乎可以看作無窮小，故可以認為電子地圖所對應的經緯度坐標在其覆蓋的區(qū)域內是線性變化的。有了這2個點的坐標數據后，當從GPS接收機讀取到經緯度坐標時，根據近似的線性映射關系，就可以算出該坐標在電子地圖上的歸一化坐標。這種映射關系，根據歐式幾何原理即式(1)和式(2)，由已知的2個點可以算出點A和點B的未知參數。

要得到地圖的左上角和右下角的經緯度坐標，只需知道地圖邊界范圍內任取的2個參考點的4個參數即可。通過在某地實地采集的3個參考點，得到表l所列的坐標數據。

根據公式，上面的3個參考點共有3種組合方式，分別得出3組經緯度值，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，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線程

采用單線程對采集的一組數據進行讀取、解析和計算。在程序中定義一個pthread_t類型變量，代表采集并解析GPS數據的后端線程。由于GUI的前端和后端GPS線程都要訪問某些GPS數據，因此需要在線程間采用同步策略。這里利用線程鎖來實現，將其定義為GPSL0CK。它是一個pthread_mutex_t類型的變量。

對應于Point型、Pline型和Region型3種類型的地理信息，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結構來描述相關信息，該結構定義如下：

3．3 MiniGUI下電子地圖的繪制

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

MiniGUI是消息驅動的系統(tǒng)，一切運作都圍繞消息進行，MiniGUI應用程序通過接收消息來與外界交互。在電子地圖的繪制過程中，主要用到MiniGUI的窗口繪制消息MSG_PAINT。該消息在需要進行窗口重繪時發(fā)送到窗口過程。MiniGUI通過判斷窗口是否含有無效區(qū)域來確定是否需要重繪，在需要進行重繪時，MiniGUI會向相應的窗口過程發(fā)送MSG_PAINT消息。MSG_TIMER則主要負責從后端GPS線程中取得當前的經緯度信息，格式化之后輸出到文本框中。

當MiniGUI主程序接收到其GPS通信子進程發(fā)送的SIGUSRl信號時，就會調用相應的信號處理函數。為了實時更新定位點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；同時根據定位點位置的變化確定需要重繪的區(qū)域，調用MiniGUI中的lnvalidateRect函數使該區(qū)域無效。通過這種方式使得最新的位置信息實時地顯示在電子地圖上。

4 結束語

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