1、引言

隨著中國的城市化的程度不斷加快，使得越來越多的人口與事業(yè)單位集中在一個“狹小”范圍內生活與工作。城市的迅速“膨脹”直接導致了交通網(wǎng)絡的日趨復雜，人員流動的日益頻繁也使得每個人對空間信息有了更多的依賴。人們更加關心“當前我在哪里？”“目的地在哪里？”“如何到達？”等問題。而以嵌入式系統(tǒng)為平臺的數(shù)字地理集成應用方案可以有效地解決這些矛盾。在此背景下，本文給出了基于ARM的嵌入式解決方案。

2、硬件實現(xiàn)

本嵌入式GPS導航系統(tǒng)的硬件核心是三星公司ARM9系列中的16/32位RISC處理器S3C2410A芯片，該芯片強大的實時處理能力和豐富的外圍接口非常適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，本系統(tǒng)正是基于該芯片的這些特點而設計的。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)以S3C2410A微處理器為核心，與2片32M的SDRAM（HY57V561620CT）和一片64M的NAND Flash（K9F1208U0B）組成了最小系統(tǒng)。外部添加了用于接收GPS信號的GPS模塊，用于顯示的液晶面板以及一片UDA1341TS的聲音芯片。此外，為了調試的方便，我們還增加了一片CS8900A的10M網(wǎng)卡芯片。

圖１　　系統(tǒng)框圖

3、系統(tǒng)平臺的建立

系統(tǒng)平臺的建立主要包括兩部分，即宿主機（PC機）上操作系統(tǒng)的選擇和交叉編譯器工具鏈的建立。

PC機上的操作系統(tǒng)可以有多種選擇：安裝Linux發(fā)行版、在Windows下使用虛擬機或者使用Cygwin。由于現(xiàn)今Microsoft Windows統(tǒng)領著全球超過半數(shù)的PC機（在中國Windows占據(jù)近90%的份額），許多開發(fā)者開始使用虛擬機等手段來實現(xiàn)在Windows平臺下進行嵌入式Linux的開發(fā)，但這些方法都會或多或少地帶來些兼容性問題。開發(fā)嵌入式Linux最好的選擇便是在PC機上安裝Linux發(fā)行版，因為這樣與Windows毫無關聯(lián)，可占有系統(tǒng)全部資源，擁有系統(tǒng)最高性能和最佳的兼容性。

在建立交叉編譯器工具鏈方面必須注意一點的便是C運行庫的選擇。現(xiàn)在可供選擇的C運行庫有glibc， uClibc以及newlib等。glibc是由GNU項目提供的標準C運行庫，它針對PC應用設計，較龐大，但能提供最優(yōu)的兼容性。如果一般的嵌入式開發(fā)可選用uClibc。uClibc原本是uCLinux開發(fā)過程中的一個C語言庫，現(xiàn)已經(jīng)獨立于uCLinux項目并且進一步完善。它對glibc的大部分函數(shù)進行了重寫，并且目標就定位于嵌入式，所以其相對glibc而言要小巧很多。此外由于它的函數(shù)與glibc保持一致，這樣很多原本基于glibc開發(fā)的軟件基本無需改動便可改用uClibc編譯運行，使得在嵌入式系統(tǒng)上占用的內存和磁盤空間更少。但由于畢竟不是標準的C運行庫，因此uClibc擁有著一定的兼容性問題。

本系統(tǒng)選用了Fedora Core 5作為宿主機（PC機）的操作系統(tǒng)以及分別使用buildroot和crosstool建立兩條采用不同的C運行庫的交叉編譯器工具鏈。由于我們系統(tǒng)開發(fā)需要使用U-Boot的TFTP功能下載Linux內核以及Linux的NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，所以首先需要對Fedora Core 5設置TFTP以及NFS，而后需要設置一個串口通信軟件與開發(fā)板互動，本系統(tǒng)選擇了Kermit。

使用兩條采用不同C運行庫的交叉編譯器工具鏈的主要原因在于，我們的導航應用程序使用uClibc有兼容性問題，所以不得不采用glibc。而為了減少占用資源，我們U-Boot、Linux內核和Busybox仍然采用的是uClibc。

本課題主要環(huán)境設置如下：

4、應用軟件的開發(fā)

在系統(tǒng)平臺建立之后，Linux操作系統(tǒng)提供了底層的操作，包括文件系統(tǒng)的管理、內存分配以及基本flash的燒錄讀取，但并沒有提供友好的顯示界面。同時也為了實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的顯示和導航，就需要在操作系統(tǒng)上放入圖形用戶界面支持系統(tǒng)和地理信息開發(fā)平臺。為此我們分別選擇了MiniGUI和mGIS。

圖3是應用軟件的流程圖

整個軟件系統(tǒng)依靠響應不同窗口或者控件發(fā)出的事件，來實現(xiàn)各種功能。通過主窗口建立后注冊mGIS控件，可以較為方便的實現(xiàn)一些常用的地圖操作。主窗口建立后，將會創(chuàng)建許多用于子窗口，包括用于顯示經(jīng)緯度信息，時間。速度的靜態(tài)框，用于實現(xiàn)快速便捷操作的工具欄，用于實現(xiàn)GPS功能關閉和地圖數(shù)據(jù)加載的菜單欄。

圖4 GPS接收模塊流程圖

5、總結和展望

“Find My Way”（完成項目的名稱）嵌入式移動地圖導航系統(tǒng)經(jīng)過最初設計、實現(xiàn)及應用檢驗，已經(jīng)具備基本的功能，可初步滿足個人移動導航信息系統(tǒng)的需求。能完成數(shù)字地圖的加載、縮放、拖動、搜索、簡易導航、測距、GPS功能開閉等功能。同時我們也摸索出了一整套較為可行的矢量地圖的制作方法，能依據(jù)使用的場合不同，較快速的完成地圖數(shù)據(jù)源的制作及相關信息的添加，有一定的擴展能力。當然由于時間和能力的有限，這款產品也有其一定的不足，值得進一步的深入研究，例如：在打開GPS接收模塊之后，系統(tǒng)的響應速度將有顯著的下降，雖然已經(jīng)對Linux核心和編譯器經(jīng)過適當?shù)膬?yōu)化，但情況并沒有顯著的改善。問題可能在硬件平臺的處理速度和可調用的資源有限，也有可能在軟件接收上的程序結構不合理，嵌套過多。GPS接收信號有時會發(fā)生信號接收的不穩(wěn)定，出現(xiàn)信號的偏移，超過標稱的誤差值。問題可能在開發(fā)平臺的設計電路中對于數(shù)據(jù)信號線的排版上，沒有使信號線等距，也沒有設置合理的信號隔離和保護帶，導致最終出現(xiàn)了不應有的誤差。但從軟件上著手，如何糾正這樣的誤差也是值得研究的一個方向。在本課題中只實現(xiàn)了固定點的導航，并不能完成從任意點至任意點的導航。導航功能可以從軟件方面繼續(xù)深入的研究，包括對地圖格式的選擇等。這些都是將來值得完善之處。

圖５　硬件平臺

圖６　最終效果圖

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