陳劍赟，楊孝宗，趙新昱，左德承

(1. 北京圖形研究所 北京 朝陽區(qū) 100029; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 哈爾濱 150001)

多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)及其在野外條件下的應(yīng)用

陳劍赟1,2，楊孝宗2，趙新昱1，左德承1,2

(1. 北京圖形研究所 北京 朝陽區(qū) 100029; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 哈爾濱 150001)

研究通用傳感器接口、多途徑信息傳輸接口集成的手持式移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成、工作流程、技術(shù)體系3個(gè)方面闡述了多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，具體介紹了系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)述了系統(tǒng)在野外條件下的應(yīng)用。

移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng); 多接口集成; 野外

移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)是以移動(dòng)為主要應(yīng)用環(huán)境的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它除具有一般計(jì)算機(jī)的功能外，還便于攜帶，易于操作，具有網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備的連接能力。本文旨在研究通用傳感器接口、多途徑信息傳輸接口集成的手持式移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，以提高用戶信息采集、處理設(shè)備、通信設(shè)備集成互聯(lián)水平。

本文闡述了多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，介紹了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，并給出系統(tǒng)在野外條件下的應(yīng)用。

1 多接口集成移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成

多接口集成的手持式移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)是一個(gè)采用開放結(jié)構(gòu)、由硬件設(shè)備和系統(tǒng)軟件組成的集成系統(tǒng)，可以分為主機(jī)分系統(tǒng)、人機(jī)交互分系統(tǒng)、環(huán)境感知分系統(tǒng)、軟件分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)等7個(gè)部分，如圖1所示。

在圖1中，主機(jī)分系統(tǒng)完成系統(tǒng)核心處理工作，由核心計(jì)算模塊和接口層兩部分組成。核心計(jì)算模塊是從硬件電路部分分離出來的計(jì)算機(jī)核心單元，主要包括處理器、SDRAM、FLASH等。接口層是個(gè)人移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的專用電路部分，包括串行通信接口、USB接口、以太網(wǎng)接口、AV接口、輸入輸出接口等功能單元，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備之間的互連。

圖1 多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)組成

人機(jī)交互分系統(tǒng)包括功能按鍵、觸摸屏、液晶屏等設(shè)備，負(fù)責(zé)系統(tǒng)與用戶之間的信息溝通。液晶屏用來對(duì)信息進(jìn)行顯示，是系統(tǒng)的主要輸出方式。觸摸屏是一種主要的輸入方式，與液晶屏安裝固定在一起。功能按鍵作為快捷鍵使用，用來對(duì)信息進(jìn)行操作。人機(jī)交互分系統(tǒng)采用機(jī)動(dòng)、靈活的方式實(shí)現(xiàn)自然的、“人機(jī)合一”的信息交互方式。

軟件分系統(tǒng)包括基礎(chǔ)支撐軟件、系統(tǒng)支撐軟件和應(yīng)用軟件3個(gè)層次?；A(chǔ)支撐軟件主要包括嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)支撐軟件為上層的具體應(yīng)用提供底層支撐，具有嵌入式地理信息系統(tǒng)、系統(tǒng)資源管理等功能。應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)向用戶提供可視化信息界面和信息處理等。

通信分系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求中通信距離、傳輸速率和實(shí)時(shí)接通性等方面的要求，選擇不同的傳輸方式。由于系統(tǒng)處在移動(dòng)環(huán)境中，需選用無線通信方式，包括藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)、CDMA/GPRS、空中或衛(wèi)星中繼終端等。

移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)要求整機(jī)重量輕、電磁兼容性好、有較高的承載能力；結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主要考慮殼體的設(shè)計(jì)以及加固措施等。電源分系統(tǒng)由高能電池組和充電系統(tǒng)構(gòu)成，采用軟硬件相結(jié)合的低功耗設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)。環(huán)境感知分系統(tǒng)包括信息采集設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)工作流程

在多接口移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)的前端，通過接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備之間的互聯(lián)，通過交互手段和對(duì) I/O的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信息的采集，信息經(jīng)過處理后存儲(chǔ)在嵌入式數(shù)據(jù)庫里。在系統(tǒng)后端，根據(jù)不同的無線網(wǎng)絡(luò)連接方式，采用不同的網(wǎng)絡(luò)通信接口，對(duì)信息進(jìn)行傳輸，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)按照功能可以劃分為3個(gè)方面的流程：首先是信息輸入流程，其次是信息處理存儲(chǔ)流程，最后是信息分發(fā)流程。通過一體化傳感設(shè)備接口集成技術(shù)，信息輸入實(shí)時(shí)從各個(gè)傳感設(shè)備獲取視頻、音頻、圖片、距離、位置等信息，并把這些信息傳送到軟件分系統(tǒng)的信息匯集模塊進(jìn)行處理。信息匯集之后，信息處理流程對(duì)這些匯集后的信息進(jìn)行處理。系統(tǒng)按照信息的大小、類別、重要程度并結(jié)合各種通信手段狀態(tài)對(duì)信息進(jìn)行分類，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸分發(fā)。不同距離、類型的信息，通過不同的通信手段進(jìn)行分發(fā)。最近距離通過藍(lán)牙傳輸，百米范圍內(nèi)信息互通可通過無線網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)距離可使用CDMA/GPRS模塊傳遞信息。另外，還可以通過以太網(wǎng)或串口等多種方式接入空中或衛(wèi)星中繼等。

1.3 系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

多接口集成的手持式移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)從軟硬件層次結(jié)構(gòu)來看，系統(tǒng)由外到內(nèi)、由下到上包括了外部設(shè)備層、硬件支撐層、基礎(chǔ)支撐軟件層、系統(tǒng)支撐軟件層和應(yīng)用軟件層，如圖3所示。

圖3 多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

外部設(shè)備層包括定位、攝影攝像等環(huán)境感知設(shè)備，以及無線網(wǎng)絡(luò)、CDMA/GPRS模塊等通信設(shè)備和功能按鍵、觸摸屏、液晶屏等輸入輸出設(shè)備。環(huán)境感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息的感知；通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息互通、信息傳輸、信息分發(fā)等功能；輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息錄入、信息顯示等功能。采用多接口集成及模塊化設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的接入。

硬件支撐平臺(tái)由微小型、多端口、低功耗、嵌入式的移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)和用以提供外部設(shè)備的功能接口組成。移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)完成多傳感器協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)終端計(jì)算資源的合理分配與高效共享，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。功能接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的無縫連接。

基礎(chǔ)支撐軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和硬件接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。通過對(duì)操作系統(tǒng)裁減、硬件平臺(tái) BSP定制等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的有機(jī)結(jié)合，接口驅(qū)動(dòng)程序采用模塊化形式，向上為用戶層的函數(shù)控制系統(tǒng)硬件。

系統(tǒng)支撐軟件為上層的具體應(yīng)用提供底層支撐：通過數(shù)據(jù)庫管理實(shí)現(xiàn)信息的高效存儲(chǔ)、靈活查詢及情報(bào)關(guān)聯(lián)等，提高系統(tǒng)使用的方便性和實(shí)用性；通信協(xié)議通過自適應(yīng)通信控制與適配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)情報(bào)的透明傳輸；通過系統(tǒng)優(yōu)化管理軟件對(duì)電源進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，高效管理電源，提升系統(tǒng)性能。

系統(tǒng)的最上層為應(yīng)用軟件層，包括多媒體處理、通信處理、信息管理等模塊。系統(tǒng)結(jié)合嵌入式 GIS軟件，完成信息的融合，形成有價(jià)值的信息。最后經(jīng)由通信管理模塊實(shí)現(xiàn)信息的分發(fā)應(yīng)用。

2 多接口集成移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)

多接口集成移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)采用基于核心模塊(SoM)的架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)基于核心模塊(SoM)的架構(gòu)

基于處理器和功能模塊相融合的電路設(shè)計(jì)，一旦系統(tǒng)不能正常工作，很難區(qū)分是處理器電路還是其他功能模塊的問題，給電路的調(diào)試、維修帶來極大的不便?；诤诵哪K的架構(gòu)，將處理器為核心的模塊做成一個(gè)可以隨時(shí)更換的通用模塊，方便與其他功能模塊相連接，既便于設(shè)計(jì)又便于更換維修，提高工作效率、并節(jié)省資金投入。在實(shí)際應(yīng)用中，使用所有功能的場(chǎng)合并不多，從而造成資源的浪費(fèi)。為此，本文將處理器、Flash、SDRAM、電源電路集成為一個(gè)核心通用模塊，數(shù)據(jù)、地址總線、空閑的 I/O和其他的外圍接口信號(hào)做成標(biāo)準(zhǔn)的接口插座用于與功能模塊連接。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為：(1) 在核心模塊板設(shè)計(jì)中，將高頻的PCB設(shè)計(jì)封裝進(jìn)去，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定和可靠。(2) 為系統(tǒng)開發(fā)提供便利，縮短開發(fā)周期。通過堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于小組內(nèi)部分工合作。(3) 便于排查故障。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，采用“通用板卡+擴(kuò)展板卡”設(shè)計(jì)的模塊，能快速排除和查找故障原因，提高工作效率并節(jié)省資金投入。(4) 為系統(tǒng)升級(jí)提供便利。如果以后需要采用更高主頻或更大容量的內(nèi)存時(shí)，可以通過更換核心板來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于處理器，本文選擇PXA300進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。Marvell公司于2006年11月29日推出基于第三代Intel XScale技術(shù)的應(yīng)用處理器——PXA3xx系列。該系列處理器運(yùn)用了智能功耗管理技術(shù)，頻率速度范圍為624～860 MHz。與英特爾前一代PXA27x系列相比，新組件功耗降低 60%；PXA3xx系列兼容ARM 架構(gòu)，已有的 ARM 程序可以很快地導(dǎo)入PXA3xx設(shè)備，能夠滿足該系統(tǒng)的要求。

對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng)的選擇，由于Windows CE是一個(gè)可定制的32位、多任務(wù)、多線程的嵌入式操作系統(tǒng)，支持多種處理器架構(gòu)，并支持WiFi、USB 2.0等新型設(shè)備，占用資源少、易于移植，具有模塊化結(jié)構(gòu)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，本文選用Windows CE作為移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)。經(jīng)過試用，對(duì)于嵌入式地理信息系統(tǒng)，本文在 eSuperMap平臺(tái)上以eMbedded Visual C++為開發(fā)工具進(jìn)行嵌入式地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)。

傳統(tǒng)的多途徑傳輸方式是用戶想發(fā)送信息時(shí)，選擇一種通信途徑進(jìn)行發(fā)送。如果該通信途徑發(fā)送失敗，用戶可選擇另一種發(fā)送方式，直到傳輸成功為止，如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)的多途徑信息傳輸流程圖

在整個(gè)信息過程中，用戶起了很大的作用。如果用戶忙，就會(huì)耽誤信息的傳輸效率。這種信息傳輸?shù)姆绞骄褪切枰脩舻膮⑴c。本文采用多途徑自適應(yīng)的信息傳輸，由于信息傳輸不需要用戶干涉，在系統(tǒng)運(yùn)行之前，必須進(jìn)行一定的初始化工作。初始化設(shè)置包括兩個(gè)方面：(1) 系統(tǒng)設(shè)置不同類型的信息對(duì)應(yīng)不同的傳輸途徑。(2) 系統(tǒng)設(shè)置不同傳輸途徑的優(yōu)先級(jí)別。系統(tǒng)將信息分為重要信息和一般信息兩個(gè)文件夾，一個(gè)文件夾實(shí)際對(duì)應(yīng)一個(gè)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。信息傳送到移動(dòng)終端以后，系統(tǒng)經(jīng)過處理把這些信息分類，并按照初始化的設(shè)置，把信息傳送到相應(yīng)的文件夾。系統(tǒng)會(huì)首先查看重要信息文件夾，如果重要信息文件夾有文件，系統(tǒng)優(yōu)先傳遞該文件夾中的信息。只有該文件夾沒有信息傳輸了，系統(tǒng)才會(huì)去處理一般信息文件夾的信息，開始傳輸一般信息。在傳輸一般信息的過程中，如果有重要的信息需要傳遞，則系統(tǒng)會(huì)停止一般信息的傳遞工作，去傳遞重要信息。等重要信息傳輸結(jié)束后，再去處理一般信息，詳細(xì)流程如圖6所示。

圖6 多途徑自適應(yīng)傳輸?shù)男畔⒘鞒虉D

在傳輸各個(gè)文件夾中的信息時(shí)，按照時(shí)間的先后順序和預(yù)先自定義的傳輸途徑進(jìn)行傳輸。如果預(yù)先自定義好的傳輸途徑忙或者不可達(dá)，則按照優(yōu)先級(jí)順序利用其他傳輸途徑傳輸。當(dāng)然，用戶可以修改初始設(shè)置的值。

3 多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)在野外條件下的應(yīng)用

多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)主要用于車載和徒步機(jī)動(dòng)的地面人員。根據(jù)各系統(tǒng)應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)情況，移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)為各類用戶提供各種信息采集、處理和傳輸，以及多種接口。

移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)在野外條件下的發(fā)展趨于小型化、模塊化和組合化。多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)面向通用接口進(jìn)行研究和開發(fā)，提高互通互聯(lián)能力和計(jì)算機(jī)處理能力。加強(qiáng)應(yīng)用軟件開發(fā)，符合信息處理特點(diǎn)和需求。發(fā)展多途徑自適應(yīng)信息傳輸，車載和徒步機(jī)動(dòng)的用戶接收數(shù)據(jù)以后，自動(dòng)按照系統(tǒng)的初始化設(shè)置選擇信息傳輸?shù)耐緩竭M(jìn)行傳輸，用戶可以不進(jìn)行操作，即使操作也非常簡(jiǎn)便，由此節(jié)省了傳輸?shù)臅r(shí)間。多接口集成的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)可靠性、抗干擾性和功能重組的靈活性，體積小、重量輕，利于野外條件下的機(jī)動(dòng)和維護(hù)。

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Study on the Mobile Computing System of Multi-Interface Integration and Its Application under Field Conditions

CHEN Jian-yun1,2, YANG Xiao-zong2, ZHAO Xin-yu1, and ZUO De-cheng1,2

(1. Beijing Institute of Graphic Chaoyang Beijing 100029;
2. School of Computer Science and Technology, Harbin Institute of Technology Harbin 150001)

The design and implement of a handheld mobile computing system are presented, which integrates interfaces of universal Sensor and multi-channel information transmission. The components, workflow and key-technology of the system are described. The system hardware and software are explained in detail. The application of the system under field conditions is introduced.

mobile computing system; multi-interface integration; under field conditions

TP918.91

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.z1.002

2009 ? 11 ? 15

陳劍赟(1977 ? )，女，博士，主要從事移動(dòng)計(jì)算方面的研究.

編 輯 黃 莘