基于XScale 和Windows CE 的智能公交报站器的设计与实现zuopinWord下载.docx
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结论10
参考文献11
1绪论
1.1嵌入式系统
21世纪是一个充满挑战性的时代，科学技术日新月异，信息技术飞速发展，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术以及商业、文化艺术、娱乐业等和人们的日常生活紧密相关的方方面面中。
随着国内外嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术将会给人们的工作和生活方式带来巨大的变化。
1.1.1嵌入式系统概述
什么是嵌入式系统（EmbeddedSystem）英国电机工程师协会将其定义为“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”。
它有下列四项特性：
1.通常执行特定功能
2.以微电脑与外围构成核心
3.严格的时序与稳定性要求
4.全自动操作循环
嵌入式系统是硬件与软件的综合体，亦可涵盖机械或其他的附属装置。
它由包括微处理器、微控制器、定时器、传感器、存储器等一系列微电子芯片与器件、嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，完成诸如实时控制、监测管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。
嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术，控制技术、计算机技术和通信技术为支撑。
与桌面微机系统不同，嵌入式系统没有标准化的体系结构，其硬件平台和运行在该平台上的软件系统都是需要定制的。
而且嵌入式系统常常用于关键设备的控制，对实时性、可靠性有严格的要求。
因此嵌入式系统更强调软硬件的协同性与整合性，以满足对系统功能、成本、体积和功耗等多方面的要求[1]。
一般而言，整个嵌入式系统的体系结构主要由四个方面组成：
嵌入式处理器，嵌入式外围设备，嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。
1.1.2嵌入式系统的特点
嵌入式系统是嵌入的专用的计算机系统，嵌入式和PC计算机系统之间有着密切的联系，但与传统的PC相比，嵌入式系统不仅有PC计算机系统的特性而且也有自己的特点：
嵌入式系统功耗低，体积小，专用性强。
嵌入式系统与PC的最大不同就是嵌入式CPU大多数工作在为特定用户群设计的系统中，能够把PC中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。
为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。
嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统要精简。
操作系统一般和应用软件集成在一起。
嵌入式系统开发需要专门地开发工具和开发环境。
总的看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、实时应用性强等特点，可以嵌入到现有任何信息家电和工业控制、通信系统中。
从系统角度来看，嵌入式系统具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和实时性较强等特点。
比较通用型计算机系统，嵌入式系统具有应用范围广，功能特定，开发推广容易等优势。
1.2嵌入式系统的发展趋势
信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。
从中可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：
1.嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互联网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服务于嵌入式产品的内容。
网络互联成为必然趋势[2]。
2,随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，SOC（SystemonChip）将成为发展趋势，这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。
同时，软件硬件的紧密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。
3、无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域，一方面，已有无线产品将借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都将增加无线通讯功能。
因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互促进，共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为用户服务。
4,嵌入式操作系统会与嵌入应用软件协同发展。
嵌入式系统中的重要角色包括嵌入式应用软件，嵌入式系统应用领域千差万别，只有充分重视应用软件的发展，才能满足丰富多彩的应用要求。
5,嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应用，信息交换、资源共享机会增多。
由此相关的标准问题也将日渐突出，如何建立相关标准成为业界关注的问题。
2智能公交报站器的设计与实现
2.1报站器的硬件设计
智能报站器终端主要由CPU、GPS接收机、人机交互单元（LCD和键盘）及车载音响组成。
其结构框图如图1所示。
图1智能报站器结构框图
2.1.1XScalePXA255
CPU是整个报站器终端的控制核心。
本文选用Intel公司的XScalePXA255作为32位RISC处理器,其最高运行速度可达400MHz,可以满足嵌入式应用的要求。
PXA255内部有强大的指令操作能力、高速缓冲能力、寄存器管理能力、读,写缓冲能力,其寄存器总线接口可以与DRAM、SDRAM、ROM、SMROM、SRAM以及其他潜在的I/O器件共享数据信号。
同时,PXA255接口丰富,包括两个串口,一个USB口,可程控为输入或者输出的GPIO口,两个PCMCIA/CF卡插槽,LCD控制器以及具有16个优先级的DMA通道控制器等,既满足了系统模块的需要,也为日后系统扩展升级提供了预留。
在本文的设计中,PXA255的一个串口用于与GPS模块通信,实现车辆定位的功能;
另一个串口作为超级终端,用于系统调试[3]。
2.1.2GPS接收机
GPS模块是智能报站器的核心部分,通过解析GPS信号的时间,速度和经纬度信息,系统完成每一站的进站和出站时刻的记录,实测经纬度与固定站台地理经纬度的匹配来实现语音自动报站。
GPS模块选用Rikaline公司的GPS224,它的卫星信号漂移小,通过天线接收来自GPS卫星的定位信号,经过变频、放大、滤波等一系列处理过程。
实现对GPS卫星信号的跟踪、锁定、测量,产生计算位置的数据信息（包括纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等）。
GPS模块通过串口与PXA255进行通信。
GPS224中与串口相关的管脚定义见表1。
表1 GPS224中与串口相关的管脚描述
管脚
定义
类型
描述
1
GPIO[4]
I/O
GPS状态
2
NC（MODE）
NU
预留
3
NMEATX
NMEA串行数据输出
4
NMEARX
NMEA串行书记输入
5
NC（WAKEUP）
6
Reset
I
低电平复位
7
VBAT
后备电源输入（1.2～2V）
8
GND
PWR
地
9
VDD
PWR
+3.0～3.6V直流电源输入
10
GPIO[0]
控制功能
管脚6（Reset）是低电平复位输入,在GPS模块不能正常启动时,复位功能是十分必要的。
管脚1和管脚10可用作控制电源模式、显示模块状态或驱动模块的冷启动,不需要时可空闲。
管脚17（RFGND）18（RFIN）19（RFGND）接GPS天线,管脚11～16为调试接口。
图2给出了GPS224与XScale的连接原理图。
图2GPS-24与XScale的连接原理图
2.2报站器软件设计
由于嵌入式系统自身的特殊性,注定了它自身所具有的资源和内存空间都是十分有限的,不可能像开发PC软件那样在其上运行所有的开发工具,只能采用宿主机-目标机模式,使用交叉开发的方式进行开发。
开发的过程也分为:
建立交叉编译环境,配置编译内核,下载、调试内核,应用程序开发和调试。
实时嵌入式操作系统的种类繁多,大体上可分为两种:
商用型和免费型。
商用型的实时操作系统功能稳定、可靠,有完善的技术支持和售后服务,但价格昂贵。
免费型的实时操作系统在价格方面具有优势,但开发难度大,周期长。
本文选用了嵌入式操作系统WindowsCE.net。
它功能强大,人机界面友好,且具有良好的开发平台。
基于XScale和WindowsCE.net的智能报站器的软件设计主要包括WindowsCE在XScale平台上的移植、通信串口的配置操作、GPS信号的接收解析和上层匹配报站、记录应用程序等[4]。
2.2.1嵌入式WindowsCE.net简介
WindowsCE.Net是微软公司面向嵌入式领域推出的一款操作系统。
它最大程度继承了桌面Windows操作系统的丰富功能,同时又融入了许多新特性,以适应嵌入式领域的实际情况和要求。
WindowsCE.Net是一个紧凑、完整和可扩展的嵌入式操作系统,在进程和线程的管理、内存管理、任务调度、实时性和稳定性上都有大幅度提高。
PlatformBuilder4.2是Microsoft公司提供给WindowsCE.Net开发人员进行基于WindowsCE.Net平台下嵌入式操作系统定制的集成开发环境。
它提供了所有进行设计、创建、编译、测试和调试WindowsCE.Net操作系统平台的工具。
开发人员可以通过交互式的环境来设计和定制内核、选择系统特性,然后进行编译和调试。
同时,还可以利用PlatformBuilder来进行驱动程序开发和应用程序项目的开发等。
PlatformBuilder的强大功能,已使其成为WindowsCE.Net平台下嵌入式操作系统开发和定制的必备工具。
本系统所开发的板级支持包（BSP）和操作系统镜像就是在PlatformBuilder4.2下编译和调试的。
2.2.2嵌入式WindowsCE移植
嵌入式系统通常是面向特定应用的。
嵌入式系统的设计和开发必须要考虑特定的环境和系统的要求;
且嵌入式系统的硬件和软件的都必须高效率的设计,量体裁衣,去除冗余,力争在相同的资源条件下实现更高的性能。
因此,嵌入式操作系统的移植成为嵌入式系统软件开发的第一步也是最重要的一步。
WindowsCE.net在XScale上的移植主要包括板级支持包（BSP）的开发和操作系统内核的定制[5]。
2.2.2.1 BSP的开发
BSP是一个包含启动程序、OEM适配层程序（OAL）、标准开发板（SDB）和相关硬件设备驱动程序的软件包。
BSP通过OAL层连接到操作系统核心,同时,OAL层能够初始化并管理硬件、设备驱动程序和启动程序,以及相应的一些配置文件。
在PlatformBuilder4.2版本中,微软提供了对许多标准开发板（SDB）的BSP例子,这些BSP覆盖了所有WindowsCE.net可以支持的处理器类型,它使得开发者可以快速的评估各种操作系统特性并减少新产品的开发时间。
本系统所开发的BSP就是在微软针对XScale设计的标准开发板的基础上进行修改而得到了[6]。
2.2.2.2 WindowsCE.net内核的定制
使用WindowsCE.net的集成开发环境PlatformBuilder,开发人员就可以根据它的提示完成操作系统镜像的定制、编译和调试工作。
在该系统中,内核的定制主要包含以下几个步骤:
（1）选择开发板支持包;
（2）选择基本配置结构;
（3）选择定制设备的方法;
（4）选择操作系统核心服务;
（5）选择文件系统。
2.3报站器程序开发
根据实际的应用需要,建立友好的用户界面是上层应用程序应该完成的任务。
在车载设备的应用软件中,GPS部分的程序最为复杂,需要与液晶显示、键盘和语音报站等功能相互配合,完成用户的需求。
WindowsCE.net是一个多进程和多线程的系统,可以利用内核的进程和线程函数来创建、终止和同步进程和线程,也可以调度和挂起线程。
本文把每个任务模块当作一个子线程,实现了多任务的操作。
多线程的设计结构,提高了系统的实时能力,改善程序结构,并减少上下文切换开销[7]。
2.3.1WindowsCE.net下串口通信
GPS模块通过串口与嵌入式平台通信。
微处理器XScale内部具有2个独立的UART控制器,每个控制器都可以工作在Interrupt（中断）模式或者DMA（直接内存访问）模式。
同时,每个UART均具有16b的FIFO,支持的最高波特率可达到230.4kbps。
在WindowsCE.net下串行设备被视为用于打开、关闭、读和写串行端口的常规、可安装的流设备。
对串行设备的操作也分为:
打开和关闭串口、读写串口、配置串口3个过程。
（1）打开和关闭串口
在WindowsCE.net下,串口被视为流设备,打开串口可以使用CreatFile（）函数,以下程序以读写方式打开COM1端口:
hSer=CreatFile（TEXT（“COM1:
”）,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,0,NULL）;
调用CloseHandle可以关闭一个串行端口,如:
CloseHandle（hSer）;
（2）读写串口
可以使用ReadFile（）和WriteFile（）函数读写串行端口:
IntRc;
DWORDcBytes;
BYTEch;
Rc=ReadFile（hSer,&
ch,&
cBytes,NULL）;
Rc=WriteFile（hSer,&
（3）配置串口
配置串口最基本的内容包括波特率设置,校验位和停止位设置。
串口的设置主要是设置DCB结构体的各成员值。
DCBdcb;
//定义COM1的设备控制快DCB
dcb.DCBlength=sizeof（dcb）;
//该结构体的大小
dcb.BaudRate=nSpeed;
//设置波特率__dcb.fParity=FLASE;
//设置奇偶校验
dcb.StopBits=ONESTOPBIT;
//设置每字节停止位为一位
dcb.Parity=NOPARITY;
//非奇偶校验
dcb.ByteSize=8;
//设置每字节位数为8
SetCommState（hLocal,&
dcb）;
2.3.2报站主程序实现
主程序由3个线程组成:
接收解析GPS信息（receive_GPS）线程,LCD显示（lcd_show）线程和语音播报（reporter）线程。
创建线程函数如下:
CreateThread（0,0,receive_GPS,this,0,NULL）;
CreateThread（0,0,lcd_show,this,0,NULL）;
CreateThread（0,0,reporter,this,0,NULL）;
接收解析GPS信息线程实现的功能包括采集GPS数据和车辆状态,并对采集到的数据进行解析,将国际标准时间转换为本地时间,转换经度、纬度、速度等信息。
LCD显示线程将解析后得到的日期、时间、经度、纬度、速度、车辆状态按照要求的格式显示在LCD显示屏上[8]。
语音播报线程完成各个站点的语音报站功能。
图3为利用多线程技术实现智能报站器功能的结构图。
图3智能报站器程序结构图
2.3.3GPS报站准确性的保证
GPS报站的准确性是该智能报站器的设计关键之一。
需在进站前50m左右实现语音报站,保证乘客提前做好下车准备。
GPS的定位技术对于行驶着的汽车来说,50m的精确性较难靠其自身的性能保证。
本文利用软件方式,在进站时把站点的半径范围扩大为100m,在出站时把站点的半径范围缩小,从而实现准确预报[9]。
当车辆行驶在市区街道和穿越隧道时,GPS信号可能受到高层建筑、林荫树木、高山遮挡等因素影响而丢失,GPS接收机接收不到四颗及以上的卫星信号,无法输出有效信息。
在LCD显示屏上,设定符号“333”为GPS稳定性标志,标志闪烁表示接收不稳定。
3测试结果及分析
该报站器已初步调试成功,在上车测试过程中,晴朗天气且道路两旁无高大树木及建筑物阻挡情况下,报站器的准确率可达90%以上;
阴雨天气或道路两旁有高大树木或建筑物阻挡情下,报站器的准确率为75%左右。
经反复调试分析,认为报站准确率主要由GPS接收信号的有效
率决定,在阴雨天气或高层建筑物阻挡时,通讯卫星受到阻挡,GPS信号无法正常接受;
此外,软件程序结构嵌套过多导致系统响应速度下降,也是原因之一。
系统保留手动报站按键是目前的解决办法;
下一步还将改进软件结构,提高系统的响应速度,从而提高报站的准确率。
结论
本文给出了在嵌入式系统下实现智能公交系统自动报站功能的方法和步骤,设备发挥了嵌入式处理器XScale接口丰富、处理速度快、易于扩展和WindowsCE.net操作系统多线程、开发工具功能强大的优势,设备运行稳定,达到了预期效果,且为今后系统的扩展和升级提供了方便,是实现集自动调度系统,智能报站系统,车载安全系统,车载娱乐系统等于一体的智能公交系统的优异平台,为现代城市公交系统提供了可行的解决方案。
参考文献
[1] 陈章龙,唐志强,涂时亮.嵌入式技术与系统-IntelXScale结构与开发[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2004.
[2] 周毓林,等.WindowsCE.Net内核定制及应用开发[M].北京:
电子工业出版社,2005.
[3] IntelCorporation.IntelPXA255ProcessorDeveloper’sManualJanuary[Z].2004.
[4] MicrosoftCorporation.MicrosoftWindowsCE.NETHelp[Z].2003.
[5] 王明艳,等.语音合成芯片OSYNO6188在车载导航中的应用[J].电子测量技术,2006,29（3）:
1512152.
[6] 丁晖,李德华,等.基于嵌入式Linux和Xscale的车载移动终端的设计[J].计算机工程与应用,2006,19:
1982200.
[7] 张岩峰,郑素花,王瑞光,等.多功能汽车导航系统的设计与实现[J].测控技术,2001,20（9）:
64266。
[8] 张强,王仁礼,等.基于WindowsCE平台的嵌入式GIS开发与应用[J].测绘学院学报,2003,20
（2）:
1132116。
[9] 王明艳,刘旭,等.GPS车辆导航系统终端的设计与实现[J].无线电工程,2006,36（10）:
31233.
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