汽车定位导航系统的研究分析.doc

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1、汽车定位导航系统的研究摘 要汽车定位导航系统是多种技术于一体的电子设备，主要用于实时、高速地提供导航定位、地理信息等，从而改善城市交通情况、促成行车安全并提升道路通行率。本次研究主要从以下几个方面进行，首先研究了国内外汽车定位导航系统的技术的现状。其次，从导航系统的组成入手，对其工作原理及核心功能做了详细的调研。接着，研究了当前用于实际系统的导航系统的各种设计方法与设计思路。最后，在前期工作的基础之上，提出了以嵌入式系统为基础的导航方法的设计思路，并且从硬件和软件两个方面对设计思路进行了阐述：即设计一款以ARM芯片S3C2440A为核心，以Linux操作系统为软件开发环境的汽车定位导航系统。以

2、期达到低成本、小体积、可靠性能高等设计目的。关键词：GPS，ARM，汽车定位导航系统，嵌入式系统Research on vehicle location and navigation system Author: Fang QiJun Tutor: Li ZijingAbstractCar navigation and positioning system is a variety of technology in the integration of electronic equipment, mainly used in real-time, high speed to provide n

3、avigation, geographic information, etc. so as to improve urban traffic conditions, contribute to driving safety and increase the rate of road traffic. This research mainly from the following aspects，first，studied the present situation of the automobile navigation and positioning system technology at

4、 home and abroad. Secondly， from the navigation system composed of the working principle and core functions made a detailed investigation.Then，studies the navigation system currently used in the actual system design methods and design ideas.Finally，on the basis of previous work，and put forward based

5、 on the embedded system of navigation methods design train of thought，and from the two aspects of hardware and software design were expounded， namely design a S3C2440A ARM chip as the core，based on Linux operating system software development environment of car navigation and positioning system.In or

6、der to achieve low cost， small volume and high reliability design purpose.Key words: Global Position System，Advanced Risc Machines，Car navigation and positioning system，Embedded system目 录1 引言11.1 论文的意义11.2 国内外的技术对比11.3 课题研究的主要内容12 车载导航系统的概述32.1车载导航系统的组成32.2 车载导航系统的发展现状32.3 车载导航系统的工作原理42.4 汽车导航仪的核心功能

7、43 现有定位导航技术的研究53.1 全球定位系统GPS53.1.1 GPS概述53.1.2 GPS定位原理53.2 地理信息技术GIS63.3基于GPS/GIS汽车导航定位系统的调研73.4基于GPS/GSM汽车导航及状态监控系统的调研73.5基于ARM汽车导航系统方法的调研74 嵌入式系统导航方法的研究84.1嵌入式系统的定义84.2嵌入式系统的特点84.3 ARM处理器简介84.3.1 ARM处理器的特点84.3.2 ARM体系结构84.3.3 S3C2440处理器简介95 车载导航系统的设计方法115.1 系统的硬件设计115.1.1系统核心电路115.1.2 GPS导航模块的选择12

8、5.2 系统的软件平台设计135.2.1嵌入式操作系统的选择135.2.2 Linux内核的配置和编译145.2.3开发环境的设计15结 论17致 谢18参考文献191 引言1.1 论文的意义汽车定位的快速发展是智能交通很重要的组成部分。它是全球定位系统GPS的应用，可以实现以下目标：减少交通拥堵和保持交通畅通;以提高交通网络能力；减少对环境和节能运输污染这些对于提高现代人的生活质量有着非常积极的意义。它也是司机能直接使用和操作的部分，是综合各种交通信息并以简略的方式向用户提供驾驶信息的关键设备。本文就是市场主流导航系统的原理上，使用有限资源对汽车导航系统进行的研究。1.2 国内外的技术对比汽

9、车导航问世，就展现出了极其广阔的应用前景，北美、欧洲和日本的车载导航仪渐渐走向成熟，有着很好的市场需求。和北欧相比，日韩在LBS的应用方面更加领先；另外因为政府的鼎力帮助，相关产业链条已目标一致。迄今为止，日韩的全球定位服务如日中天1。我国的汽车导航产品类型主要是便携式的电子地图导航。国内外相对比，由于条件不具备，汽车定位在我国领域的研究与国外技术落差堪忧。1.3 课题研究的主要内容本文首先对GPS、GIS等与系统相关理论与技术特点说明，该研究可能使用低成本GongHao车辆、全球导航卫星系统。专门设计的多数内容如下：1、引言，论述了课题的背景和意义，研究了国内外汽车定位导航系统的技术的现状以

10、及各章节的计划。2、车载导航系统的概述，详细介绍了车载导航系统的组成，发展现状，工作原理以及它的核心功能。3、现有导航方法的研究，对这一主题相关的全球定位系统(GPS)、地理信息系统的组成、特点及应用做一个简单的描述，然后根据几种调研的方案选择了一个低成本，体积小，性能可靠的车辆导航系统。4、嵌入式系统导航方法的研究，本章对嵌入式的定义，特点，开发环境以及ARM处理器的特点和体系结构做了简要介绍。5、车辆导航系统的设计， 规划系统要占用空间小，功率耗用低、功能强大等问题做出要求，选择Linux操作系统，设置交叉编译环境、烧写，提出了系统的总体设计。2 车载导航系统的概述2.1车载导航系统的组成

11、汽车导航系统是由GPS终端、车载计算机、导航软件、显示器、GIS软件和DBMS软件等组成(如图2.1)，包括：（1）GPS接收器，它的作用是接收卫星定位信号，确定当前车辆位置信息。它的主要功能是收集实时位置信息和对自己的位置定位，不停更新当前数据，为交通管理信息提供最新数据。（2）计算机，结合编程技术及地图数据，给用户提供了多媒体信息服务。（3）GIS电子地图，把地理数据以图形的形式显示出来，给使用者一个更清楚的画面。（4）车载移动电话，寻呼机和提供与控制中心通信的方式，接受、发送各种各样的数据2。空间数据库GPS终端GIS软件电子地图数据库车载计算机导航软件属性数据库DBMS软件显示器图2.

12、1 汽车导航系统的总体结构2.2 车载导航系统的发展现状电子导航设备是在90年代开始使用汽车，它是一种卫星定位技术，主要用于汽车方向的高技术发明产品。第一代产品主要用于明确汽车的定位，并把它显示在电子地图上，实现道路的明确方向。这一代的导航仪不但实现了道路的引导方向，而且还实现了道路信息的查询，娱乐视讯这些用途。随着市场的不断发展，价格不断的下跌，在其他国家，增加了即时获取交通具体信息的这种用途。它能够让我们知道道路的实时状况，从而选择最佳道路。它主要的目的是为我们提供方便，能更容易和方便的到达目的地，另一个目的是缓解城市的交通拥堵。当前通用汽车定位包括定位接收、个人电脑、LED屏、记忆卡等。

13、现在广泛应用的设计方法有GPS-GIS，GPS-DRS-DMAP，ARM，GPS-GSM等，后面将对常见的应用设计方法做详细的介绍。2.3 车载导航系统的工作原理通过定位系统，驾驶者输入最终到达的目的地，随后导航系统开始检测，车载导航系统装置的GPS会接收到此数据信息，从而检测出具体哪个地方哪个点，然后反应给导航器，导航器再通过与内存卡里的地图对比才能在显示器上显示出汽车当前所在位置。并根据交通管理中心监测到的实时交通情况，给出最佳路径，最后在显示屏上显示出来3。导航主机通过GPS天线确定的电子数据与驾驶者的具体位置进行相应的匹配,从而确定汽车在电子地图中的具体位置；电子地图计算出最佳路线后，

14、导航系统通过导航将数据信息传送给驾驶者，提醒驾驶者按照最佳的路线行驶；当汽车已经偏离导航的路线的时候,车载导航系统会再次计算最佳路线信息。在行驶过程的整段路程中,驾驶者应按照导航系统所提示的语音进行行驶，最终到达目的地。2.4汽车导航仪的核心功能1、地图查询搜索将带你去在屏幕上所显示的目的地置，记录和保持你经常想去的地方的位置信息，和其他人分享位置信息，模糊查询最近的加油站，自动取款机，酒店和其他信息。2、路线规划GPS导航系统将按照你设置的起点和目的地，自动规划一条最捷径的路线。3、自动导航（1）语音导航用语音提前告诉司机前面十字路口的交通情况。导航的最重要功能之一，是司机不用时刻看屏幕显示

15、，也能根据语音提示正确到达。 （2）画面导航 液晶屏可以显示当前行车速度，当前所在位置，当前道路提示驾驶状况。（3）重新规划线路 当司机没有根据驾驶提示，GPS汽车导航系统将根据你的当前位置，为你计划一个新的路线到目的地。3 现有定位导航技术的研究3.1 全球定位系统GPS3.1.1 GPS概述GPS是Global Positioning System（全球定位系统）的简称4，是一种全方位、全时段、高精度的定位系统，全球定位系统的出现,将地球信息化社会已经大为改观,促进经济发展。GPS系统是由空间部分、 地面监控部分和用户设备部分三部分组成 5。见图3.1所示。图3.1 GPS的组成3.1.2

16、 GPS定位原理全球定位系统的基础高速卫星位居第二,占已知数据为基础,这一距离后方使用空间技术,确定待测点位置6。根据图3.2可知，假如t时刻在地面待测点安装GPS接收机，计算出GPS信号到达接收机的时间t，以及接收机所接收到的卫星星历等其它数据能够得出如下的方程式： 图3.2 GPS定位原理 （2.1） （2.2） （2.3） （2.4）di =cti(i=1、2、3、4)公式的参数中，di为卫星i到接收机之间的距离ti(i=1、2、3、4)为导航卫星发出的信号到接收机收到信号所消耗的时间。c是GPS信号在空气中的的传播速度。方程式的参数意义如下：方程式中x、y、z是待测的点的三维坐标，xi

17、、yi、zi(i=1、2、3、4)其实际意义为卫星i在t时刻的三维坐标，其坐标可以查看卫星导航电文。Vt0是未知的，Vti(i=1、2、3、4)就是卫星的时钟的时钟差，可以由卫星的星历提供。由方程式可知，根据获得的已知数据就能解除待测点的三维坐标x、y、z和接收机的时钟差。3.2 地理信息技术GISGIS是Geographic Information System（地理信息系统）的简称 78，它是在计算机硬、软件系统支持下，整个地球表面或部分的地理分布的空间管理、采集、分析、储存、运算、显示以及描述的技术系统。硬件和软件为地理信息系统建设提供环境。硬件主要包括：计算机和网络设备，输出的外围设备

18、和数据输入等等。软件主要包括：系统开发软件、操作系统软件、数据库管理软件、GIS软件等等。软件的选型影响着其他软件的选择，而系统性的解决方案也产生了影响。3.3基于GPS/GIS汽车导航定位系统的调研GPS/GIS结合了GPS、嵌入式 GIS、SMS和GPRS，开发了通用汽车导航定位系统，在Windows CE操作系统环境下，以EVC(Embedded Visual C+)为开发平台，结合GPS、嵌入式 GIS和无线通信技术，设计通用汽车导航定位系统。但也有其局限性，比如在拥挤路段、山路，隧道内等特殊领域，GPS的定位信号不稳定：在行驶过程中，由于车流量、行车速度、路障等状况，即使选择最短的行

19、车路径，也不能保证在最短的时间到达目的地。3.4基于GPS/GSM汽车导航及监控系统的调研GPS/GSM是将GPS模块与GSM模块相结合，GPS模块用于获取定位坐标，GSM模块用于收发短消息。对于简单的导航来说，处理器通过串口进行数据交换的两个通信模块，输出模块可以从导航信息定位坐标，用户可以通过发送短信命令，申请车辆定位数据，GSM模块可以协调数据信息。但也有它的不足，该系统中定位数据的来源主要是GPS定位模块，该模块的信号接收需在露天无遮盖的情况下进行，但现实中车辆会进入到一些GPS盲区。3.5基于ARM汽车导航系统方法的调研基于ARM汽车导航系统基本都是以Linux操作系统为软件开发环境

20、的汽车定位导航系统，汽车导航系统配置系统需要交叉编译环境，烧写环境，然后编写嵌入式Linux操作系统在开发板上，配有Qtopia生产和烧写的根文件系统。通过对以上几种方案的调研，由于ARM是一款既有良好的移植性，成本又低的汽车导航系统，所以我选择基于ARM的汽车导航系统研究。因此，在后面的两章中，对嵌入式系统和导航方法做了详细的研究。4 嵌入式系统导航方法的研究4.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”。嵌入式系统是用来控制或监视等大型设备机器，设备，工厂等大规模设备的系统9。目前国内一个普遍认可的定义

21、是:围绕应用程序，在计算机技术的基础上，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求专用计算机系统。一般情况，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板10。4.2 嵌入式系统的特点与普通计算机系统比较，嵌入式系统特点如下：（1）专用性强。嵌入式系统的设计一般是针对某种应用或某种场合，所以嵌入式软硬件都是根据用户的需求专门定制，但通用性差。（2）可裁剪性好11。要具备很强的适应能力，可以根据应用系统的特点和要求，删除多余的部分，到达精简和高效的系统配置。（3）实时性好。嵌入式系统应用广泛，一般应用在数据采集、数据处理、通信传输等领域。4.3 ARM处理器简介4.3.1

22、 ARM处理器的特点ARM内核是一种32位RISC微处理器，具有功耗低、性价比高、体积小、寻址方式简捷等特点12。我们购买市场上的ARM处理器是从公司到ARM处理器核心，基于实际应用加入ARM处理器后产生的外围电路。现在的ARM微处理器架构一直是公认的世界各地的嵌入式系统领域的领先的RISC结构，ARM处理器及其技术的应用在社会的各个领域。4.3.2 ARM体系结构ARM处理器目前为止有6个系列的产品：ARM7、ARM9、SecureCore、ARM9E、ARM10E、ARM11（1）ARM处理器模式ARM的运行模式有7种，见表4.1。表4.1 ARM处理器7种运行模式（2）ARM处理器主要特

23、点ARM处理器系列的主要特点、应用领域见表4.2。表4.2 ARM处理器系列4.3.3 S3C2440处理器简介S3C2440是三星设计的以ARM920T为内核的16/32位RISC轻量级的嵌入式处理器，它可以运行533 MHZ的频率。S3C2440集成了丰富的片上资源，可以使开发人员降低成本。S3C2440片上资源主要包括：（1）16KB地址和16KB数据高速缓存。（2）一个LCD控制器（支持4K色和256K色TFT液晶屏）。（3）外部存储控制器（SDRAM控制和片选逻辑）。（4）三个通道的UART。（5）四个通道的DMA。（6）四个具有PWM功能的计时器和一个内部闹钟。（7）8通道10位A

24、DC。（8）触摸屏接口。（9）IIC总线接口（支持多主机）。（10）IIS音频CODEC接口。（11）AC97CODEC接口。（12）2通道USB主机接口，1通道USB从机接口。（13）2个SPI接口。（14）SD卡接口和MMC接口。（15）看门狗计数器。（16）130个通用I/O口和24通道外部中断源。（17）具有日历功能的实时时钟。（18）Camera接口。（19）具有锁相电路功能的时钟发生器。5 车载导航系统的设计5.1 系统的硬件设计图5.1 汽车导航系统的硬件结构图5.1中，处理器S3C2440A处理器为中心,这个系统是用于内部集成了各种接口,用于控制汽车导航系统,液晶屏用于接收用户

25、的操作车辆导航系统的操作和反馈用户,HOLUX的GR87模块负责导航信息的采集，RS232接口则用于GPS模块和处理器的通信，SD卡用来存储电子地图。 5.1.1系统核心电路该系统核心电路包括S3C2440A处理器、时钟电路、电源电路、复位电路、SDRAM、Flash和JTAG烧写调试接口，其组成见5.2所示。图5.2 核心电路组成图同步动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，简称SDRAM），SDRAM的工作电压是3v，64位带宽，RAM和CPU之所以能共享一个时钟周期是因为SDRAM将CPU与RAM通过一个相同的时钟锁在一起，以相同

26、的速度同步工作，与 EDO内存相比速度能提高50%。SDRAM不仅可用作主存，在图形内存板也有广泛的应用。为了降低系统总成本，系统将为ARM920T的三星S3C2440A产品为核心，与标准0.13umCMOS单元内存和编译器是一款低供能，高性能的小尺寸芯片。5.1.2 GPS导航模块的选择模块ChangTianGPS系统由台湾科技有限公司设计和生产，其生产规格参数见表5.1。 表5.1 GR87模块的规格参数名称主要参数芯片组STRF3灵敏度159DB功耗搜索时：80mA外观尺寸25。4(长) 25。4（宽）7（高）mm重量7克操作温度40C85C储存温度40C125C工作电压3。35。5V（

27、VDC）卫星通道20定位资料更新一秒SiRF模块与高性能芯片第三代,能源消耗低,高灵敏度。综合ARM7TDMI处理器体积只有25.4 x 25 x 7毫米，能迅速跟踪和定位20个卫星，内部芯片有200000个卫星跟踪运算器，极大地提高搜索和计算能力，而且支持NMEA0183协议输出，价格适当，很实用系统的开发平台，所以这个模块是第一选。5.2 系统的软件设计系统的软件平台主要包括操作系统的选择，内核的配置和编译。在系统硬件部分设计完毕后，接下来就需要设计整个软件开发环境的设计。5.2.1 嵌入式操作系统的选择嵌入式的操纵系统能够在各种处理器上极大的运用，有优秀的兼容技能；操纵系统的内部核心能够

28、模块化可以进行多任务和网络应用。表5.2对现在常用的嵌入式操作系统做了详细的对比。表5.2 常用的嵌入式操作系统由表5.2可以看出，嵌入式Linux具有配置快捷、移植性良好，价格低廉等优点12 13。因此本设计选用它作为操作系统。5.2.2 Linux内核的配置和编译有三类:答复内核Linux网上基于命令全文,菜单,配备图表和调节，论文选用菜单到内核源代码目录中可执行命令：#make menuconfig。系统显示显示的内核配置界面见图5.3。图5.3 内核配置界面在建立Linux开发环境的时候，嵌入式编译工具、交叉编译器等工具都已经完成了下载并且为编译工作做好了准备。Linux内核编译的命令

29、介绍。#make clean，删掉旧的编译文件，#make dep，生成系统相应的依赖文件。定制系统可以用BusyBox，它对于Linux的文件系统来说像瑞士军刀一样锋利，可以很方便的访问定制Linux系统。也可以直接通过软件包，进入到系统根目录并修改。在通过mkcramfs生成自己想要的文件目录。5.2.3开发环境的设计嵌入式开发环境由4大部分组成分别为：开发平台，交叉编译环境，烧录环境、调试环境。其具体流程图见图5.4。图 5.4 开发环境的设计流程（1）Linux 的定制安装嵌入式开发常用的模式主要有Linux操作系统和Windows、Linux 双操作系统两种模式，Linux系统模式是

30、在Linux环境下直接完成开发、编译、调试、烧写等全部操作。双操作系统是用windows环境进行开发、编译、调试后使用windows安装的Linux工具记录下测试嵌入式。条件是在windows环境中安装了Linux系统14。（2）设置交叉编译环境由于决嵌入式开发板资源有限的问题，我们可能需要用到交叉编译法，交叉编译大致可理解为在一个开发环境下编写的代码可在另外一个环境下运行 15。（3）搭建调试环境嵌入式系统的调试有硬件调试、软件调试和综合调试三种方法。调试环境是指程序的诊断过程。程序多多少少都会带有BUG等问题，不测试的话用户在使用产品时很有可能出现问题，所以搭建调试环境尤其重要。（4）搭建

31、烧录环境安装定制完Linux之后需要安装很多开发所用的软件，软件就是烧录环境的搭建和烧录不可或缺的工具。结 论本次的毕业论文，我选择的是对汽车定位导航系统的研究。此论文首先论述了课题的背景和意义，主要内容和各章节计划。其次讲述了汽车导航系统的构成，现在发展的状况，工作原理和它的中心功用。然后对全球定位系统GPS，地理信息技术GIS的表述，构成和运用到了哪些内容做了简要表述，调查研究了几种大众的汽车定位导航系统。最后重要的是对车载导航系统的规划做了论述，规划是系统要占用空间小，功率耗用低、功能强大等问题做出要求，基于S3C2440芯片的嵌入式Linux车载导航系统的规划思路，构造了适当的软硬件平

32、台，而且做了了深入的探究。致 谢本次毕业论文由于对所学知识没有完全掌握，遇到过很多困难，查阅了大量的资料和文献，从中也学会了很多书本上没有的知识，此外，通过本次毕业论文的过程，也检验出自己不会的东西，知道自己在什么方面还需要学习和努力。在本次论文中，特别要感谢我的指导老师，她对我的论文给予了大量的指导和帮助。从她身上学到了很多的东西，是可以受用终生的。这次论文让自己对汽车定位导航系统的理解有了更深层次的认识，大学期间所学的课程知识也得到更好的回顾与巩固，对嵌入式系统也有了更深的理解和提高。在完成本系统的过程中也认识到了自己许多知识的不足。也通过本次的毕业论文，理解了所运用的技术中所包含的广泛的

33、知识，相信之后不停的编写与探索，会得到更加广泛的体会，也会对今后的工作有着更大的帮助。最后再次感谢同学的帮助和老师无私的指导。参考文献1 晓航GPS车载导航系统技术趋势浅析现代测绘，2006，29(1)：14-172 FeiYue Wang，Shuming Tang，Yagang Sui.Toward intelligent transportation systems for the OlympicsJ.Intelligent Systems，IEEE，2003，18(6)：8-11. 3 赵兵等GPS车辆定位导航系统中电子地图的设计，火力与指挥控制，2000，4(18).4 McNeff

34、JGThe global positioning systemIEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50(3)：645-652.5 刘祖文.3S 原理与应用M.北京：中国建筑工业出版社，2006 5. 6 刘小慧GPS系统概述及其定位原理科技资讯，2006，6(7)：117 吴焱，惠军，赵直，荆耀栋.地理信息系统(GIS)组成原理其发展的趋势J.新疆：新疆师范大学学报(自然科学版)，2005，24(3)：173-175.8 陈述彭.地理信息系统EB/OL.9 江虹，吕杨嵌入式系统的发展及挑战云南大学学报，2007，2

35、9(s2)：286-28910 汪捷，徐金华嵌入式系统概述机床与液压，2006，4(4)：4-611 张志刚，王旭辉，周群嵌入式系统邯郸师专学报，2004，14(3)：24-2812 华清远见嵌入式培训中心编著.嵌入式 Linux 应用程序开发标准教程（第2版）M.北京：人民邮电出版社，2009.13 ROBERT LoveLinux Kernel DevelopmentMIndiana：SAMA，200314 邹颖婷，李绍荣.ARM9上的嵌入式 linux系统移植自动化技术与应用.2009，6（22）.15 孙新贺，王晓辉，于月森.一种嵌入式linux操作系统的构建方法.工业控制计算机.2011，1（24）.