1 引言

車載電子設備在技術水平上的不斷提高已經成為現代汽車發展的重要標志之一，而車載導航設備是其中重要組成部分。它要將數據通訊系統，影音娛樂系統，定位系統，電子控制系統實時顯示出來，讓用戶得到充分的駕駛信息，以ARM 及嵌入式操作系統為技術核心，為車輛駕駛者提供安全行駛所必需的路況、地理信息的車載導航系統目前正在全世界得到越來越廣泛的應用，大大提高了用戶駕駛體驗與車輛運行的安全性。

但目前市場上的車載導航系統多使用 WinCE 作為操作系統，不僅軟件使用價格昂貴，而且對硬件要求較高，運行速度偏慢。本文提出并設計了一種基于GPS 和GPRS，使用嵌入式32 位處理器和嵌入式Linux 的車載導航系統。該系統采用S3C2440A:32 位ARM920T內核處理器，外部擴展GPS 接收模塊及GPRS 通訊模塊，顯示部分采用SAMSUNG 4.3 寸480×272 分辨率寬屏TFT 真彩液晶。底層采用嵌入式Linux 操作系統，具有源碼開放、易移植、模塊化、資源豐富的優勢。圖形用戶界面（GUI）采用Qt/Embedded 軟件進行開發。本文著重從 GPS 與GPRS 數據接收與發送， 嵌入式Linux 總體架構，多線程技術在Qt中應用等方面進行論述。

2 系統總體結構及軟件開發平臺

系統整體結構如圖1 所示，本系統采用SAMSUNG 公司的S3C2440A嵌入式處理器，標稱工作頻率：400MHz；CPU 內置STN/CSTN/TFT LCD 控制器，支持1024ⅹ768 分辨率以下的各種液晶；以太網控制器；1 通道5 線制串口，2 通道3 線制串口，CAN 接口，SPI接口，RTC實時時鐘等；通過RS232 外接GPS接收儀及GPRS模塊; 系統外擴64NB SDRAM，用于操作系統內存空間，存放動態數據和運行程序; 系統外擴64MB Flash 空間，用于存放Linux 內核，文件系統，應用程序和用戶數據。

圖1 系統結構

系統軟件基于嵌入式Linux 操作系統，并選擇Qt/Embedded 作為圖形用戶界面（GUI）開發環境。Qt 是Trolltech 公司推出的跨平臺的應用程序框架，Qt/Embedded 是Qt 面向嵌入式應用的版本，一次編寫，隨處編譯。 Qt 特有的信號/槽（singal /slot）機制，加強了對象間通信的靈活性；通過裁剪去掉無關模塊可以調整庫文件的大小，適合嵌入式系統使用；在QT 中支持OpenGL 接口和矢量圖形格式SVG. 能充分滿足導航系統繪圖需要。系統從GPS實時獲取車輛位置（包括經緯度與時間等）和運行信息（包括車速與方向等），在電子地圖上顯示相關導航信息，用戶通過觸摸屏操作，提供地圖漫游、地圖查詢和道路信息管理等功能。

3 GPS/GPRS 系統的組成原理及構成

（1） GPS 定位基本原理

GPS 的定位原理實質上就是測量學的空間測距定位，利用在平均20200km 高度均勻分布在6 個軌道的24 顆衛星，發射測距信號碼和載波，用戶通過接收機接收這些信號測量衛星至接收機之距，通過一系列方程演算，便可知地面定位坐標。用戶測得的到衛星的距離稱為“偽距”，它不是用戶到衛星的真正距離，其中還包括衛星時鐘的偏差，用戶時鐘的偏差信號，傳播延遲引起的測距誤差等，因此在至少收到三顆衛星后，即可計算出平面坐標（經緯度）值，收到四顆則可在計算出方程值，這就是GPS 的基本定位原理。

圖 2 GPS 定位原理圖

程式中各個參數意義如下：

x，y，z 為待測點坐標的空間直角坐標。x i 、y i 、z i （i=1， 2， 3， 4）分別為4 顆衛星在t 時刻的空間直角坐標，可由衛星導航電文求得。Vti （i=1， 2， 3， 4）分別為4 顆衛星的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。Vt0為接收機的鐘差。由以上方程即可解算出待測點的坐標 x，y，z 和接收機的鐘差Vt0。

（2） GPRS 網絡結構及傳輸原理

GPRS 是在原有的GSM 網絡中增加了兩個節點：SGSN（Serving GPRS SupportNode，服務GPRS 節點）和GGSN（Gateway GPRS SupportNode，網關GPRS 節點），SGSN 的主要作用就是記錄車輛的當前位置信息，并在車輛和GGSN 之間完成移動分組數據的發送和接收，GGSN 主要是起網關作用，它可以和許多不同的數據網絡連接。GGSN 提供了GPRS 網絡與Internet 的接口，而SGSN 負責聯系移動終端和GGSN，應此，一個完整的GPRS 通訊過程就是車載終端發出的數據先傳至BSS（Base Station System 基站系統），經由GPRS 網絡傳至GGSN，通過GGSN 接入Internet，在Internet 上依靠TCP 協議傳給上位機，終端接收數據的流程則與此相反，GPRS 數據收發在網絡層使用TCP/IP 協議。

4 系統軟件的設計與實現

（1） 系統軟件結構

主要由以下模塊組成：用戶界面顯示模塊、GPRS 通訊模塊、GPS 定位模塊、地圖匹配模塊、路徑規劃模塊、電子地圖模塊、底層通訊模塊等。

圖3 系統軟件結構總體框圖

用戶界面顯示模塊：用戶與車載導航系統交互的平臺，通過調用其它模塊起到信息交互的作用；GPRS 通訊模塊：將用戶駕駛信息及車況信息實時傳送至遠程監控端，不僅起到記錄車況的作用，而且還能防盜；GPS 定位模塊：實時接收衛星定位數據，包括經緯度，時間，海拔，即時速度等；地圖匹配模塊：根據GPS 定位獲得的數據，與系統中存儲的地圖信息進行匹配，獲得車輛周圍的地理信息，為用戶提供參照；路徑規劃模塊：用戶輸入起始坐標和終點坐標，系統自動計算最近道路，從而起到車輛導航的作用；底層通訊模塊：通過CAN 總線及232 總線，獲取車輛各種信息，從而在用戶顯示界面上顯示出來。

（2） Linux 在S3C2440 上的移植

嵌入式 Linux 管理整個導航系統的硬件設備并對所有程序進行調度，是軟件系統的核心。由于Linux 是面向PC 機的操作系統，將其用于嵌入式領域，需要進行移植，它一般包括啟動加載代碼（Bootloader）的移植、內核移植、驅動程序的編寫、文件系統的構建等。將 U-boot 源代碼在ADS 環境下進行編譯，將編譯成功的二進制代碼燒寫到開發板所帶Flash 上，然后在上電啟動。Bootloader 首先完成硬件設備的初始化，然后設置Linux 內核的啟動參數，最后調用Liuux 內核，直接跳轉到Linux 內核的第一條指令處。從 Linux 的方式看待設備可區分為3 種基本設備類型：字符設備，塊設備，或者網絡設備。車載導航系統設備驅動程序由以下三個部分組成：

（1）自動配置和初始化子程序。初始化子程序首先運行，負責檢測硬件設備是否存在和能否正常運行；

（2）中斷服務子程序。由嵌入式Liuux 系統來接收硬件中斷，再通過系統來調用中斷服務子程序；

（3）服務于I/O 請求的子程序。對I/O 設備進行存取。將編寫好的設備驅動編譯到內核中，在系統啟動時和內核一起啟動。

文件系統構成了 Linux 系統上所有數據的基礎。經過比較，系統設計時決定使用Cramfs文件系統，當訪問文件時，Cramfs 文件系統自動的將要訪問的文件解壓到RAM 中，會盡可能給實際執行的應用程序保留RAM 空間，而且可以為運行時解壓縮挪出額外的CPU 周期。使用mkcramfs 命令生成cramfs 鏡像文件，再將其下載到系統中去，Linux 啟動時自動加載根文件系統，完成系統的啟動。

（3）多線程技術在Qt 中的應用

在具有圖形用戶界面的 Qt 應用程序中，主線程由GUI 線程充當，它同時擁有一個或多個非GUI 線程作為工作線程來處理其它耗時操作，例如不斷更新的車輛方向、速度，地圖的匹配等。這樣，即使在負載很重的情況下，應用程序也可以保證圖形用戶界面的響應。依賴 Qt 提供的多線程技術，使得該導航系統中的多數據交互成為可能，GUI 線程在調用了exec（）函數后，要么等待一個事件，要么處理一個事件，每一個線程都可以有自己的事件循環，如圖4所示，起始線程通過QcoreApplication：：exec（）啟動事件循環，其他非GUI 線程通過Qthread：：exec（）啟動各自的事件循環。

圖 4 Qt 線程事件模型

5 結論

本文作者的創新點：

（1）將嵌入式Liuux 操作系統用于車載導航系統，是對傳統的車輛導航系統的重大改進，成本大幅降低，同時利用Linux 系統的多線程技術，可以解決系統中多個任務并行處理的問題，保障了系統的穩定性、可靠性，提高了系統的運行速度。

（2）顯示系統采用Qt/Embeded 軟件進行用戶顯示界面設計，一次編寫，隨處編譯，方便移植到各種不同的平臺，只需重新編譯即可，使用開源版節約大量軟件授權費用，這些都是傳統WinCE 程序所不能比擬的。

（3）目前本系統已經裝載在車上試運行，實踐證明本系統能實時顯示車輛當前運行狀況，快速響應用戶操作，為駕駛者提供良好的導航信息。

責任編輯：gt