劉蔚

（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽(yáng)712000）

泛在的意思就是無(wú)所不在，泛在位置服務(wù)指的就是實(shí)現(xiàn)信息及物理的空間無(wú)縫對(duì)接，從而使服務(wù)具有無(wú)所不包、無(wú)所不在和無(wú)所不能的特點(diǎn)，還能夠使人們實(shí)現(xiàn)任何地點(diǎn)、任何時(shí)間、任何物和任何人都能夠順利的通信，從而利用合適終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)的相互通信，以此得到無(wú)所不在及無(wú)時(shí)無(wú)刻的位置服務(wù)[1]。SINS屬于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有自主導(dǎo)航的能力，不需要外界的電磁信號(hào)就能夠具有獨(dú)立速度、姿態(tài)及位置的信息，并且具有較強(qiáng)的抗外界干擾能力，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)具有較高的精度任務(wù)[2]。GPS屬于高精度的全球三維實(shí)時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并且具有高精度及全天候的優(yōu)勢(shì)，但是其具有較差的自主性和抗干擾能力，無(wú)法滿(mǎn)足快速的實(shí)時(shí)導(dǎo)航需求?，F(xiàn)代定位導(dǎo)航技術(shù)都具有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，使用卡爾曼濾波器能夠?qū)F(xiàn)代定位導(dǎo)航技術(shù)兩個(gè)相互結(jié)合，從而組合成為全新的導(dǎo)航系統(tǒng)，從而組合成為具有較高精度的導(dǎo)航任務(wù)[3]，基于此，本文就針對(duì)基于泛在位置服務(wù)的嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面分析。

1 嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的需求

首先，以現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)功能特點(diǎn)為基礎(chǔ)，可以將系統(tǒng)功能分為3部分，分別為數(shù)據(jù)收集、導(dǎo)航參數(shù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)的輸出。

其中數(shù)據(jù)收集指的是根據(jù)系統(tǒng)輸出信號(hào)，將不同信號(hào)轉(zhuǎn)化成為統(tǒng)一數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)收集；

導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出指的是根據(jù)針對(duì)性的方式實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的輸出，從而使控制系統(tǒng)解算之后對(duì)運(yùn)載體的速度及姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以此使其能夠到達(dá)正確的目標(biāo)位置中；

導(dǎo)航參數(shù)的解算主要目的就是實(shí)現(xiàn)位置姿態(tài)信息計(jì)算，要求其具有一定的數(shù)據(jù)處理能力[4]。

另外，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)屬于系統(tǒng)的核心處理器，其除了以上基本的功能之外，還要求其具有自身的獨(dú)特性能，從而對(duì)系統(tǒng)整體能夠造成影響，包括系統(tǒng)應(yīng)用范圍。本文所研究系統(tǒng)的性能需求主要包括以下方面：

要求導(dǎo)航計(jì)算機(jī)具有較高的實(shí)時(shí)性，計(jì)算機(jī)接口的主要目的就是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的輸入和輸出，所以在導(dǎo)航精度需求不斷提高的過(guò)程中，對(duì)于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)性的需求也在不斷的提高。

要求導(dǎo)航系統(tǒng)的體積較??；

要求導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有較低的功耗，并且保證系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的可靠性；

要求導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比較高，從而提高應(yīng)用范圍[5]。

2 嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框架

根據(jù)以上需求，實(shí)現(xiàn)嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖1。

圖1 嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

3 嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括軟核處理器、外圍電路。

3.1 軟核處理器

現(xiàn)代軟核處理器主要包括3種，分別為高性能軟核、精簡(jiǎn)軟核和標(biāo)準(zhǔn)軟核。軟核處理器的開(kāi)發(fā)套件較為完善，主要包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、編譯器、調(diào)試器和協(xié)議棧。圖2為軟核處理器的結(jié)構(gòu)。

圖2 軟核處理器的結(jié)構(gòu)

3.2 接口電路的設(shè)計(jì)

其一，電源電路。圖3為供電電路，其功率及電流較低，電路簡(jiǎn)單，能夠使用。

圖3 供電電路的結(jié)構(gòu)

其二，接口電路。一般在嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)SDRAM的外部接口，因?yàn)槠涞某杀据^低，容量較高優(yōu)勢(shì)，所以要選擇使用SDRAM作為程序在運(yùn)行過(guò)程中的外部存儲(chǔ)器。SDRAM動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單位是通過(guò)管柵極電容實(shí)現(xiàn)電荷存儲(chǔ)的原理創(chuàng)建，但是因?yàn)榇藮艠O電容容量比較小，那么其保存電荷的時(shí)間有限，所以為了能夠?qū)崿F(xiàn)漏掉電荷的補(bǔ)充，避免信號(hào)存儲(chǔ)丟失，就要定期進(jìn)行電荷補(bǔ)充[6]。圖4為SDRAM接口電路的創(chuàng)建。

圖4 SDRAM接口電路的創(chuàng)建

其三，加速度調(diào)理電路。此部分電路能夠?qū)崿F(xiàn)加速度信號(hào)的隔離、變換、濾波及放大處理，從而使輸入信號(hào)滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換的需求。圖5為單路電路的構(gòu)成。

圖5 單路電路的構(gòu)成

4 嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊要將收集到的內(nèi)容到寄存器中存儲(chǔ)，之后發(fā)送幀串行數(shù)據(jù)，包括串行數(shù)據(jù)位、起始位、奇偶位及停止位。為了能夠?qū)顟B(tài)并行數(shù)據(jù)及發(fā)送串行數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，就要具有發(fā)送移位寄存器及控制器。在實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)發(fā)送的過(guò)程中，要將信號(hào)發(fā)送器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位、起始位的選擇，控制器的主要目的就是對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送進(jìn)行控制?？刂破鞯闹饕康木褪菍?duì)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而產(chǎn)生起始位，對(duì)兩計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)進(jìn)行控制[7]。圖6為系統(tǒng)的發(fā)送模塊結(jié)構(gòu)。

圖6 系統(tǒng)的發(fā)送模塊結(jié)構(gòu)

發(fā)送控制器屬于發(fā)送模塊中的核心單位，能夠?qū)Πl(fā)送器的其他模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，通過(guò)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[8]。圖7為發(fā)送該控制的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)移圖。

圖7 發(fā)送該控制的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)移圖

4.2 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊要進(jìn)行起始位檢測(cè)，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，然后實(shí)現(xiàn)奇偶校驗(yàn)，對(duì)停止位進(jìn)行識(shí)別，最后出現(xiàn)錯(cuò)誤狀態(tài)信息，在接收模塊中實(shí)現(xiàn)結(jié)果的寫(xiě)入。所以，接收模塊要求具有接收移位寄存器、奇偶校驗(yàn)器、控制器和起始位的檢測(cè)電路，和接收模塊相同[9]。圖8為接收模塊的結(jié)構(gòu)。

圖8 接收模塊的結(jié)構(gòu)

此模塊中的接收控制器主要是通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，以接收數(shù)據(jù)幀為基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換[10]。圖9為狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

圖9 狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程

4.3 路徑規(guī)劃模塊

路徑規(guī)劃模塊的主要目的就是使駕駛?cè)藛T在旅行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)行駛路程的規(guī)劃，其也是路徑導(dǎo)航中的基本模塊，其能夠有效實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。其在城市密集道路網(wǎng)中行駛，根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同，從目前為止到目的為止的路線方案也各不相同，比如最高性?xún)r(jià)比、最優(yōu)路徑和最短時(shí)間，從而為駕駛?cè)藛T在道路選擇過(guò)程中提供較多的條件[11]。此模塊能夠在數(shù)字地圖中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航路徑和起始點(diǎn)、目的地坐標(biāo)的輸入，用戶(hù)能夠利用路徑分析實(shí)現(xiàn)路徑的自動(dòng)規(guī)劃，從而將規(guī)劃之后的路徑對(duì)路徑處理進(jìn)行提交，并且顯示，進(jìn)行保存入庫(kù)[12]。圖10為嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)方案。

圖10 嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)方案

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃主要包括數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)解碼模塊，用戶(hù)利用人機(jī)界面對(duì)用戶(hù)在數(shù)字地圖中的最佳路徑位置進(jìn)行規(guī)劃，將點(diǎn)位數(shù)據(jù)到導(dǎo)航路徑中進(jìn)行輸入，并且將規(guī)劃實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航路徑到路徑數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)顯示模塊的主要目的就是以系統(tǒng)參數(shù)配置為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)規(guī)劃路徑的可視化展現(xiàn)。數(shù)據(jù)解碼模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)路徑數(shù)據(jù)的恢復(fù)，用戶(hù)能夠利用觸摸屏及鼠標(biāo)在系統(tǒng)界面中繪制手動(dòng)該路徑[13]，圖11為系統(tǒng)路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)效果。

圖11 系統(tǒng)路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)效果

5.2 實(shí)時(shí)導(dǎo)航

實(shí)時(shí)導(dǎo)航主要包括偏航報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示及軌跡記錄模塊，其中的軌跡記錄模塊主要目的就是對(duì)目前位置信息進(jìn)行接收，并且對(duì)歷史軌跡信息進(jìn)行保存。偏航報(bào)警模塊的主要目的就是對(duì)目前導(dǎo)航路徑偏移量及位置進(jìn)行計(jì)算，在偏移量較大的時(shí)候，就要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)報(bào)警[14]。圖12為系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航的執(zhí)行序列。

圖12 系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航的執(zhí)行序列

5.3 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置主要是利用人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)，設(shè)置偏航閾值、導(dǎo)航路徑顏色及導(dǎo)航軌跡，參數(shù)的設(shè)置功能對(duì)相應(yīng)的設(shè)置結(jié)果進(jìn)行返回，用戶(hù)利用鼠標(biāo)及觸摸屏對(duì)自身需求參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成之后點(diǎn)擊確定，并且在導(dǎo)航電子地圖中進(jìn)行展現(xiàn)[15]。圖13為參數(shù)的設(shè)置效果。

5.4 路徑管理

路徑管理的主要包括路徑保存、路徑刪除、路徑瀏覽模塊構(gòu)成，首先用戶(hù)要利用路徑保存模塊實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航路徑的接收和規(guī)劃，用戶(hù)利用對(duì)文件系統(tǒng)中導(dǎo)航路徑進(jìn)行讀取，在用戶(hù)對(duì)導(dǎo)航路徑查看的時(shí)候，能夠利用路徑瀏覽模塊進(jìn)行查看，用戶(hù)的所有操作都是利用人機(jī)界面交互實(shí)現(xiàn)[16]。

圖13 參數(shù)的設(shè)置效果

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)定位的多種方式優(yōu)缺點(diǎn)，本文就提出了基于泛在位置服務(wù)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件電路及軟件模塊的設(shè)計(jì)[17]。本文最后通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)表示，此系統(tǒng)的重量較輕、體積較小、具有較強(qiáng)的自主性，并且成本較低，而且還能夠提供大量的質(zhì)量導(dǎo)航信息，其具有一定的應(yīng)用價(jià)值及發(fā)展前景。