基于ARM9的嵌入式车载导航终端设计.doc

1、北华大学毕业设计（论文） - 1 - 摘 要 随着汽车产业的迅速发展， GPS车载导航系统得到了越来越广泛的应用，已成为汽车上的重要配置，为用户提供便利。另一方面随着计算机技术、通信技术的迅猛发展，微型化和专业化成为发展的新趋势，嵌入式系统已经成为信息产业的热点。而 Linux操作系统以其性能稳定可靠、源码公开免费、可裁剪、易移植等优点成为嵌入式系统的首选操作系统，具有巨大的市场价值和潜力。 论文首先简要介绍了 GPS车载导航系统的基本原理及其在国内外的现状与发展前景，并描述了课题的研究方向和作者的主要工作。然后根据 GPS车载定位导航系统的 要求设计系统方案，并按照该方案设计了 ARM9（

2、S3C2410A） 核和系统硬件平台，重点分析了电源和时钟、外部存储器、以太网、串口、音频和 HPI等接口电路设计及其原理。在对嵌入式 Linux操作系统深入理解的基础下，设计了软件系统框架及应用程序，并为各设备模块编写了设备驱动程序。 论文最终所实现的是一款高档车载导航终端，具有彩色 LCD，外形美观。除具有友好的人机交互界面外，在通信方面：具有车载电话的功能，且可以进行电子地图的实时更新；在娱乐方面，可外接 DVD/VCD、浏览电子书、播放 MP3、游戏等。强大的软件系 统使导航终端具有较强的系统配置和管理功能。 关键词： 嵌入式 Linux 系统； 全球定位系统； 智能交通系统； 无线通

3、信系统 北华大学毕业设计（论文） - 2 - Abstract With the rapid development of the auto industry, GPS Vehicle Navigation System has been widely used. It has become an important vehicle configuration, providing convenience to the users. On the other hand, along with fast development of computer and communication tech

4、nology, and micromation and specialization as a new trend, the embedded system has become a hotspot of the information industry. And the Linux Operating System becomes the preferred operating system for many users, because of its advantages, such as stability and reliability, free and open source, b

5、eing able to cut, easy to be transplanted and so on. So it has tremendous values and potentials in the auto market. Firstly, the paper briefly introduced the fundamental of the GPS Vehicle Navigation System and its status quo and prospect at home and abroad. Described the research purpose of the sub

6、ject and the authors main work Then, according to the requirements of this system, we designed the systematic solution In accordance with the solution, we designed the hardware platform： the ARMcore system and analyzed the peripheral circuits design. Such as Power and Clock, External Memory, Etherne

7、t, Serial Port, Audio, HPI Interface and etc. On the basis of the deep understanding of the embedded Linux system, we designed the software framework and application programs, and wrote the Linux Device Driver for all the devices in this system. What the whole paper achieves is a kind of high-grade

8、vehicle navigation terminal. It has color LCD and beautiful outlooks other than the function of navigation, as for communication: it is a kind of telephone and digital maps call be real-time updated by wireless communication; as for entertainment: DVD/VCD Call be an attachment, electronics books can

9、 be read, MP3 Can be played, Gaming etc. Powerful software system makes the product has powerful function of system configuration and management. Key Words： Embedded Linux System, GPS, ITS, GPRS 北华大学毕业设计（论文） - 1 - 目 录 摘 要 . 1 Abstract. 2 引 言 . 1 1 绪论 . 2 1.1 论文选题背景及意义 . 2 1.2 智能导航系统功能框图 . 3 1.3 论文工作

10、 . 3 2 基于 ARM 的硬 件和软件总体设计 . 4 2.1 导航终端系统硬件框架 . 4 2.2 导航终端系统软件框架 . 5 2.2.1 软件系统的构成 . 5 2.2.2 驱动程序的设计框图 . 5 3 基于 ARM 的嵌入式车载导航硬件设计 . 7 3.1 CPU芯片 S3C2410 的选择 . 7 3.2 SDRAM 接口电路设计 . 8 3.3 NAND Flash 芯片选择及接口电路设计 . 9 3.4 GPRS 模块选择及接口电路设计 . 11 3.5 GPS 模块选择及接口电路设计 . 15 3.6 触摸屏的设计 . 19 3.7 键盘模块的设计 . 21 3.8 以太

11、网及串行通信接口设计 . 21 3.9 复位电路的设计 . 23 3.10 电源管理 . 24 3.11 JTAG 接口电路设计 . 24 3.12 AV 板 . 25 北华大学毕业设计（论文） - 2 - 4 软件系统设计 . 26 4.1 软件系统构成 . 26 4.2 软件的调试 . 29 4.3 系统的启动过程 . 29 结 论 . 30 参 考 文 献 . 31 致 谢 . 33 北华大学毕业设计（论文） - 1 - 引 言 智能车辆自动导航系统是智能交通系统的重要组成部分，是把先进的全球卫星定位技术、地理信息技术、数据库技术、多媒体技术，现代通信技术和嵌入式计算机系统综合在一起 的

12、高科技系统，能够实时、高效地向驾驶员提供多种重要信息，具有 很强的实用价值和广阔的市场前景。为了解决城市交通和车辆管理问题 ， 欧美、日本等发达国家和地区己经开始使用“智能交通系统” （ ITS， Intelligent Transportation System） 来管理现有的交通道路。而该产业在我国才刚起步，政府已经将“智能交通系统”列入国家“十五”计划，使其成为交通领域的重大科技攻关项目 。 在 ITS 中，智能车辆定位导航系统 IVLNS（ Intelligent Vehicle Location and Navigation System） 是其中最为核心的一部分。它是基于矢量电子地

13、图 VEM（ Vector Electronic Map） 的将全球定位系统 （ GPS） 、地理信息系统 （ GIS） 、地图匹配技术相结，实现 ITS 中的车辆定位、车辆导航、自导航、路径规划等核心内容，是提供高精度、高可靠性的智能交通定位导航系统的 ITS 的关键。典型的智能车辆定位导航系统由电子地图数据模块、地图操作查询模块、定位模块、路径规划模块、路径引导 模块等组成。 GPS 系统是由美国国防部出资几百亿美元开发的一种最新的无线电导航系统，该系统具有高精度、全天候 、全球覆盖能力，正在和即将取代所有的其它无线电导航手统。GPS 系统自问世以来，已充分显示了其在无线电导航、定位领域的

14、优势地位，在海湾战争和科索沃战争中 GPS 均的到了广泛的应用，发挥了重耍作用。许多民席领域也由于GPS 的出现而产生了革命性的变化。目前， GPS 不仅在美国及其盟国的军队中广泛应用于导航、定位，几乎全世界所有需要导航、定位的用户，都被 GPS 的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和优质廉价所吸引。 GPS 从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。 嵌入式系统这些年来已经成为信 息产业的热点之一，渗入到我们生活的方方面面，特别是汽车领域。现今微处理器价格越来越低廉、结构越来越小巧、性能越来越强大、外设连接架构越来越稳定可靠，这些都为我们设计高性价比、方便可靠的

15、车载导航定位系统提供了条件。因此，将 GPS 导航定位技术与嵌入式系统相结合，是一个可行且非常有吸引力的方案。 北华大学毕业设计（论文） - 2 - 1 绪论 1.1 论文选题背景及意义 应该说，在我国 GPS车辆导航系统的发展还处在初始阶段。在国内车用导航仪产品的研究和应用起步较晚。目前在北京、上海等大城市，作为 ITS的核心设备之一的车载智能导航系统也受到了一些科研部门和 企业的关注，己有一些单位也在研制类似的产品。国外公司由于难以解决电子地图的兼容性问题以及受我国交通设施与国外的差异所限制，尚无法推出适应中国市场的产品。关于导航仪市场的实际需求和发展趋势是不言而喻的。 美国在 1994年

16、，使用 GPS卫星定位技术的车载导航系统“导航之星”在市场上出现。美国在进入 90年代，相继实施了一系 NITS领域的研究计划，发展包括 ATMS（ 先进的交通管理系统 ） 、 ATIS（ 先进的旅行者信息系统 ） 、 ARCS（ 先进的车辆控制系统 ） 、 APTS（ 先进的公共交通系统 ） 、 ARTS（ 先进的郊区交通系统 ） 、 CVOS（ 商用车辆运行系统 ） 等六大子系统的 ITS系统。日本是最早开发车载导航设备并投入市场的国家，在 90年代 ,带有彩色液晶显示器、使用 CD-ROM作为电子地图存储设备的车用导航系统开始大量投入市场。此后不断地有性能更先进的产品出现，地图匹配、 G

17、PS卫星定位以及语音导航等新技术相继被采用。 嵌入式 车载导航 系统是把 全球定位技术 、地理信息技术、通信技术和嵌入式计算机技术综合在一起的系统，它能够实时、高速地向驾驶员提供导航定位、地理信息等服务。其主要应用在以下几个方面： 1.城市公交汽车和出租车行业，用 于车辆调度以及线路优化；车载导航系统的中心端可作为物流企业的车辆监控以及车辆调度中心，提高物流公司效率，促进经济效益的提高。 2.用于银行、公安等单位实现对车辆的安全监控及跟踪；例如 2008 年北京奥运车辆的调度、监控以及路线优化，为 2008 年北京奥运会交通管理服务。 3.个人私家车用户，可以运用车载导航仪查询兴趣点，规划出行

18、最优路径和全程的路径引导，极大的方便用户出行。 4.优化交通流在整个路网上的分配。通过发布实时路况信息等手段合理诱导交通流，优化交通流在路网中各可行路线上的分配比重，从用户最优进一步达到 全局最优； 北华大学毕业设计（论文） - 3 - 5.减少拥堵情况的发生，使交通流的运行趋向平稳，从而降低尾气排放，减少交通带来的环境污染，建立可持续的交通发展模式。 由此可见， 嵌入式车载导航系统的研究意义是非常重大的， 它的应用对改善城市交通状况、促进行车安全和提高道路通行效率有极其重要的意义。 1.2 智能导航系统功能框图 图 1.1 导航系统功能框图 1.3 论文工作 第一章：说明了本论文所研究的课题

19、的背景和意义 ,智能导航系统功能框图及论文的主要工作。 第二章：主要写基于 ARM的车载导航系统硬件和软 件的总体设计方案。 第三章：嵌入式车载导航系统的硬件设计及主要用到的芯片选择。 第四章：对车载导航系统软件的设计与实现进行了研究。 第五章：对整个论文进行总结。 无线通信模块 嵌入式操作系统平台 用户操作界面 底层硬件平台 GPS 定位模块 地图 匹 配，路径规划和导航模块 地理信息系统 北华大学毕业设计（论文） - 4 - 2 基于 ARM 的硬件和软件总体设计 2.1 导航终端系统硬件框架 硬件主板的核心是三星公司的 S3C2410芯片，该芯片是基于 ARM920T而开发的一款多功能

20、SOC。采用西门子公司的 MC55 GPRS模块，用于进行无线通信；采用 Falcom的JP7 GPS模块进行全球定位；采用 HY57V561620 4*4 16位 SDRAM.NAND Flash采 用K9F1208,128MNand Flash用于存放启动代码、 Linux嵌入式操作系统、电子地图等；键盘模块用于导航仪系统的基本操作：触摸屏提供了更好的人机交互界面；采用 12C通信协议的温度传感器来监控导航仪的工作温度；音频模块能够实现导航仪语音导航、电话功能以及完成它们之间的切换。 AV Board 调试电路 Mother Board 图 2.1 导航终端系统硬件框图 S3C2410 P

21、OWER 128M NAND Flash 64MSDRAM Other Circurts GPS Module GPRS Module Touch Screen KeyBoard SD Circuit USB Circuit POEWER AUTO Amplafer Vedio control Key Board 北华大学毕业设计（论文） - 5 - 其它的外围电路还包括 1.存储器：静态易失性存储器 （ RAM/SRAM） 、动态存储器 （ DRAM） 和非易失性存储器 （ Flash） 。 2.标准接口：应用最为广泛的包括并口、 RS-232串口、 IrDA红外接口、 SPI串行外围设备接

22、口， 12C总线接接口、 USB通用串行总线接口、 Ethernet网口， USB， SDCARD等。 3.人机交互： LCD，键盘和触摸屏等人机交互设备。 2.2 导航终端系统软件框架 2.2.1 软件系统的构成 软件系统主要由：应 用软件、内核、系统服务、驱动程序等组成。其构成示意图如图2.2所示。 图 2.2 软件系统构成示意图 2.2.2 驱动程序的设计框图 驱动程序是硬件平台与高层程序的中介。它按结构可以分为两类：分层的（ Layered） 和非分层的 （ Monolithic） 。非分层的驱动程序整体向高层程序提供了对硬件设备的控制，而分层的驱动程序模型在两者间增加了一个界面和接口 （ Interface） 。 应用软件 内 核 系统服务 驱动程序 硬件平台 北华大学毕业设计（论文） - 6 - 图 2.3 驱动程 序结构示意图 高层程序 非分层结构 上层 下层 硬件