CN1908692A - 嵌入式车载gps导航平台设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式车载GGPS导航平台设备及方法，设备包括中央处理器单元、与之相连接的GPS接收模块、电源管理模块、存储模块、切换模块、声音处理模块、显示模块和与切换模块连接的外设接口模块。方法中的定位处理包括接收卫星信号进行信号解调处理输出GPS码流、判断是否已收到四个卫星信号、计算出当前位置坐标信息；导航处理包括读取地图数据通过显示功能模块显示、根据当前位置坐标信息与地图数据匹配并显示出当前位置、根据目标地使用导航路径规划算法进行道路规划、显示出相应的路径、实时更新地图中显示的路径。采用该种嵌入式车载GPS导航平台设备及方法，结构简单实用，适用范围较广，操作方便灵活，使GPD导航产品迅速普及。

Description

嵌入式车载GPS导航平台设备及其方法

技术领域

本发明涉及GPS全球定位导航技术领域，特别涉及个人便携式GPS导航技术领域，具体是指一种嵌入式车载GPS导航平台设备及其方法。

背景技术

个人导航技术是最近一段时间来新兴的一门技术。它得益于美国GPS的技术和应用的发展。一方面，自从93年美国发射了24颗GPS卫星以后，GPS已经进入到了实用阶段。另外一方面，在2000年，SA取消以后，个人导航技术的发展就有了技术实现的基础。GPS接收机的设计和实现是个人导航平台的重要的背景技术。

近几年来，国外的导航技术发展很快，普及率迅速提高，产品也日益丰富，显示屏从原来的单色变为现在的多彩色和多画面技术。存储的信息从只存公路网信息变为现在的交通，旅游，企业黄页，服务信息，电话号码，广告信息等等。定位也从单纯的GPS定位变为和惯导相结合的定位。

另外一方面，随着半导体技术的发展，低功耗的嵌入式处理器的发展技术也越来越快。主机处理频率也越来越高，以ARM为代表的处理器框架由于实现简单，处理速度快，配套工具多，调试接口标准，占据了主流的市场。随着ARM的处理速度越来越快，为个人导航技术奠定了坚实的硬件平台。

随着测量测绘技术的发展和积累，GIS的数据库慢慢的建立，陆地和海上导航电子地图数据库也越来越完善。而且更新的速度和准确性也大大提高，反过来就促进了导航技术的发展，为导航提供了强大的数据支持。而随着数据库技术的发展，数据库的搜索技术的发展也迅速发展。为导航技术的发展提供了算法的准备。

数字语音合成技术是90年代发展起来的一门技术，目前已经趋于完善，为导航平台的语音提示提供了强有力的技术保证。

由此可以看到，GPS个人导航技术是一门综合性的应用技术。它的实现必须依赖GPS系统的发展，半导体技术的发展，计算机软件技术的发展，数据库的完善和专项的语音合成技术的结合，而在现有技术中，还没有一种集成各种导航所必须的功能于一身、方便功能扩展、操作方便而人性化的个人GPS导航平台产品，这样就给人们的工作和出行带来了很大的不便，同时也不利于GPS导航定位技术的普及应用。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够方便进行功能扩展、GPS功能完备、操作方便灵活、结构简单实用的嵌入式车载GPS导航平台设备。

本发明的另一个目的是提供一种基于上述平台设备实现车载GPS导航功能的方法。

为了实现上述的目的，本发明的嵌入式车载GPS导航平台设备及其方法如下：

该嵌入式车载GPS导航平台设备，包括中央处理器单元和与之相连接的GPS接收功能模块，其主要特点是，所述的平台设备包括：

电源管理模块，与中央处理器单元相连接，对设备中其它各个模块提供电源管理功能；

存储功能模块，与中央处理器单元相连接，存储各种数据信息；

切换功能模块，分别与中央处理器单元和电源管理模块相连接，实现平台设备内部各功能模块和相应外部设备之间的功能切换；

声音处理模块，与中央处理器单元相连接，输出语音提示信息或者多媒体提示信息；

显示功能模块，与中央处理器单元相连接，显示各种信息；

外设接口模块，与切换功能模块相连接，与外部设备相连接。

该嵌入式车载GPS导航平台设备的平台设备中还包括：

移动通信功能模块，与中央处理器单元相连接，与外界进行无线通信联系。

该嵌入式车载GPS导航平台设备的中央处理器单元所运行的操作系统为嵌入式实时操作系统。

该嵌入式车载GPS导航平台设备的嵌入式实时操作系统可以为UC/OS、Windows CE或者Linux操作系统。

该嵌入式车载GPS导航平台设备的外设接口模块所具有的连接接口包括USB接口、篮牙接口、视频信号输入接口、电视信号输入接口、FM信号输入接口。

该嵌入式车载GPS导航平台设备的存储功能模块为SD存储卡。

该使用上述的设备实现车载GPS导航功能的方法，其主要特点是，所述的方法包括定位处理操作和导航处理操作，所述的定位处理操作包括以下步骤：

(1)系统进行初始化操作；

(2)GPS接收功能模块接收卫星信号，进行信号解调处理操作，并输出GPS的码流；

(3)系统判断是否已经收到四个卫星的信号；

(4)如果是，则根据该四个卫星的信号计算出当前位置的坐标点信息，完成定位处理操作；

所述的导航处理操作包括以下步骤：

(1)中央处理器从存储功能模块中读取系统预设的地图数据，并将其通过显示功能模块进行显示；

(2)系统根据当前位置的坐标点信息与地图数据进行匹配，并通过显示功能模块在地图中显示出当前位置；

(3)系统根据用户操作设定的目标地，使用导航的路径规划算法进行道路规划处理；

(4)根据道路规划结果在地图中显示出相应的路径；

(5)系统根据当前位置的变化，不断实时更新地图中显示的相应的路径。

该实现车载GPS导航功能的方法的信号解调处理操作包括以下步骤：

(1)GPS接收功能模块接收卫星信号，并通过下变频电路转换为基带信号；

(2)GPS接收功能模块将该基带信号通过AD转换变为数字信号；

(3)对该数字信号进行预处理和滤波；

(4)对该数字信号进行数字解调，并输出GPS的码流。

该实现车载GPS导航功能的方法中还包括有用户信息输入处理操作，该输入处理操作可以为按键输入操作处理、触摸屏输入操作处理或者手写输入操作处理。

该实现车载GPS导航功能的方法的导航处理操作的步骤(4)中还包括语音提示处理操作，包括以下步骤：

(1)系统判断是否遇到道路变化；

(2)如果是，则中央处理器根据道路规划结果将当前道路的变化信息转换为相应的语音信息；

(3)将该语音信息送至声音处理模块；

(4)声音处理模块通过音频功放对该语音信息进行声音放大处理后进行播放输出。

采用了该发明的嵌入式车载GPS导航平台设备及其方法，由于该平台设备为可扩展的硬件平台，从而通过该平台，可以实现简单的低成本的导航功能，也可以根据需求实现复杂的功能，比如MP3、MPEG4、FM功能，并且还可以是不带导航功能的个人数字娱乐产品，结构简单实用，适用范围较为广泛；同时，实现该GPS导航功能的方法的软件系统与操作系统无关，该软件系统可以在各种嵌入式实时操作系统(RTOS，Real-Time Operating System)下运行，从而实现路径搜索、路径规划、语音提示、事件触发、兴趣点查询、兴趣点信息输入等各种功能，操作方便灵活；不仅如此，该平台设备与移动通讯相结合，不仅可以通过通讯网络从网络运营商提供的当地的星历图获得当地的卫星信息，从而可以快速的定位，而且可以迅速的把自己当前的位置信息和环境状况通过网络传递给亲人和好友，从而可以达到跟踪和信息快速共享的目的；另一方面，通过对该平台的扩展运用，企业用户还可以快速的推出各种组合的导航产品，包括只有航迹记录的、只有地图显示的、或者有地图查询功能的、带自输入的地点、带摄像头功能和录音功能的、与其它导航技术(比如惯导)相结合的各种导航产品以及与移动通讯相结合的产品，从而可以快速推动相应产业的发展，使GPD导航产品更迅速的走入到千家万户中去。

附图说明

图1为本发明的嵌入式车载GPS导航平台设备的内部功能模块系统架构图。

图2为本发明的嵌入式车载GPS导航平台设备的外观示意图。

图3为实现嵌入式车载GPS导航功能方法的软件系统逻辑视图。

图4为实现嵌入式车载GPS导航功能方法的软件系统进程视图。

图5为实现嵌入式车载GPS导航功能方法的软件系统部署视图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

首先对一些英文缩写名词的含义解释如下：

缩写词	中文解释
		GPS	全球定位系统
NEMA	一种GPS标准的信息输出格式，
		FM	调频
GSM	全球移动通信系统，一种移动通讯体制，是时分多址方式
		CDMA	码分多址
WCDMA	宽带的码分多址
		SAB	单边带的音频广播系统
RDS-TMC	带有交通信息的无线数传系统
		SA	干扰码
GIS	全球信息系统
		TVB-H	数字移动电视广播

本发明的嵌入式车载GPS导航平台设备及其方法的核心是针对GPS的个人导航系统。涉及的技术领域主要包括：

(1)GPS信号的处理与计算领域。该部分可以输出标准的NEMA格式，也可以输出别的数据格式，供不同的处理要求来使用。同时，在GPS接收机的运行过程中，假如出现接收不良的情况，可以输出告警信息，提示无法收到卫星。

(2)多媒体的处理技术领域。包括图象的处理和声音的处理功能。图象的处理功能可以兼容MPEG4、H.263、H.264、AVI等各种格式，声音方面可以支持wav、MP3、AAC等多种声音格式。

(3)数字广播格式，支持SAB、RDS-TMC、FM等格式。

(4)数字地面移动设备，支持TVB-H、T-DMB等格式。

(5)移动通讯设备，支持GSM、CDMA、WCDMA等多种通信体制。

请参阅图1和图2所示，该嵌入式车载GPS导航平台设备，包括：

中央处理器单元和与之相连接的GPS接收功能模块，其中该中央处理器单元所运行的操作系统为嵌入式实时操作系统，可以为UC/OS、Windows CE或者Linux操作系统，该中央处理器单元是整个导航平台的核心所在，包括导航软件的操作、路径的搜索、路线的指示、航线的规划计算、多媒体信号的处理、外部设备的控制等等都是由该中央处理器单元来处理完成；同时，通过GPS接收功能模块，可以接收GPS卫星的信息，包括多普勒搜索窗、当前卫星的星历、当前卫星的俯仰角信息等等，然后输出当前位置的经纬度、高度、速度、时间给处理器单元，供导航使用。

电源管理模块，与中央处理器单元相连接，对设备中其它各个模块提供电源管理功能；通过该模块，可以实现电池的充放电管理，也可以根据当前的使用情况给其它处理单元进行供电、断电、唤醒处理，还可以根据情况进行动态的电流分配。

存储功能模块，与中央处理器单元相连接，存储各种数据信息；在实际使用当中，该存储功能模块为SD存储卡；通过该模块，可以完成电子地图的数据存储功能、导航的应用程序的存储功能和多媒体数据的下载和存储。

切换功能模块，分别与中央处理器单元和电源管理模块相连接，实现平台设备内部各功能模块和相应外部设备之间的功能切换；通过该模块，可以实现外部多媒体设备播放与内部多媒体播放的切换、GPS外部接收天线和内部接收天线的切换以及外部GPS接收模块和内部GPS接收模块的切换。

声音处理模块，与中央处理器单元相连接，输出语音提示信息或者多媒体提示信息；该模块主要是通过导航软件提供的语音合成技术，输出语音提示信息，同时，也可以输出多媒体处理单元的信息，并且可以在两种语音之间进行切换。

显示功能模块，与中央处理器单元相连接，显示各种信息；通过该模块能够完成显示电子地图、显示提示信息、输入查询信息、输出查询结果，显示图象信息的功能。

外设接口模块，与切换功能模块相连接，与外部设备相连接；在实际使用当中，该外设接口模块所具有的连接接口包括USB接口、篮牙接口、视频信号输入接口、电视信号输入接口、FM信号输入接口。

移动通信功能模块，与中央处理器单元相连接，与外界进行无线通信联系；该模块是本发明的导航平台设备的一个扩展模块，可以实现如下功能：

(1)通过该模块可以从服务器上获得当前位置下GPS星历的状况，GPS卫星的状态，当前对流层的误差，这样一方面可以增加GPS定位的精度，另外一方面可以缩短GPS的定位时间。

(2)通过该模块可以访问连接到因特网的地图数据库服务器，并且在地图数据库服务器中从安装在移动终端上的GPS接收器获得的位置信息、目的地等，可以申请下载当前位置的电子地图，依靠上述结构，可以除去更新地图数据的需要，具有低功耗和能够简单、容易地使用的特点；而且通过对无线通讯模块的控制，可以实现打电话的功能，从而极大的丰富了产品的应用范围。

该使用上述的设备实现车载GPS导航功能的方法，包括定位处理操作和导航处理操作，所述的定位处理操作包括以下步骤：

(1)系统进行初始化操作；

(2)GPS接收功能模块接收卫星信号，进行信号解调处理操作，并输出GPS的码流；该信号解调处理操作包括以下步骤：

(a)GPS接收功能模块接收卫星信号，并通过下变频电路转换为基带信号；

(b)GPS接收功能模块将该基带信号通过AD转换变为数字信号；

(c)对该数字信号进行预处理和滤波；

(d)对该数字信号进行数字解调，并输出GPS的码流；

(3)系统判断是否已经收到四个卫星的信号；

(4)如果是，则根据该四个卫星的信号计算出当前位置的坐标点信息，完成定位处理操作；

所述的导航处理操作包括以下步骤：

(1)中央处理器从存储功能模块中读取系统预设的地图数据，并将其通过显示功能模块进行显示；

(2)系统根据当前位置的坐标点信息与地图数据进行匹配，并通过显示功能模块在地图中显示出当前位置；

(3)系统根据用户操作设定的目标地，使用导航的路径规划算法进行道路规划处理；

(4)根据道路规划结果在地图中显示出相应的路径；同时还包括语音提示处理操作，包括以下步骤：

(a)系统判断是否遇到道路变化；

(b)如果是，则中央处理器根据道路规划结果将当前道路的变化信息转换为相应的语音信息；

(c)将该语音信息送至声音处理模块；

(d)声音处理模块通过音频功放对该语音信息进行声音放大处理后进行播放输出；

(5)系统根据当前位置的变化，不断实时更新地图中显示的相应的路径。

同时，该实现车载GPS导航功能的方法中还包括有用户信息输入处理操作，该输入处理操作可以为按键输入操作处理、触摸屏输入操作处理或者手写输入操作处理。

在实际应用当中，请参阅图3所示，该逻辑框架主要描述软件平台的逻辑构成以及相互关系。

(1)导航数据库管理模块

主要负责管理导航地图数据的解密、解压和I/O操作，管理内存中的空间数据和空间索引，为上层应用提供高效的数据管理接口。

(2)航线管理

主要负责导航应用过程中，航线的创建、编辑、删除和管理。

(3)查询检索

主要为应用软件开发提供高效的检索引擎，包括空间检索和属性检索，提供地址、POI路名、区域、道路交叉口等多种检索手段。

(4)导航引导

主要为用户提供各类动态引导信息，包括依据机动进行地图自动缩放、提供带道路名称的语音提示、大字体显示文字提示信息、机动路口列表等内容。

(5)地图显示

主要是地图显示引擎，导航数据库管理模块提取空间要素，为应用软件开发提供高性能的地图显示、缩放、平移、旋转以及显示配置等接口。

(6)用户UI(User Interface)

主要将导航软件常用的用户界面元素进行了封装整理，为产品开发提供标准界面控件，可以有效降低开发成本。

(7)GPS(Global Position System)定位

主要负责和GPS接收机进行通讯，除了获取PVT信息之外还负责接收机的配置和滤波处理。

(8)DR(Dead Reckoning)定位

主要实现推算导航方程，以陀螺仪、速度脉冲等传感器的输出信号为输入，解出目前车辆的运动方向和位置，作为GPS定位的补充。

(9)组合定位

主要实现组合定位方程，以GPS和DR的输出为输入，配合卡尔曼滤波算法为导航应用提供高性能高可靠性的定位解。

(10)通讯

主要负责系统的通讯管理，包括与接收机的通讯、与传感器的通讯、与GSM模块的通讯以及与其他应用模块的通讯等。

(11)系统异常管理

系统运行过程中发生异常再所难免，该功能负责对系统运行状态进行监控，随时诊断、处理、发布、记录各类系统异常。

(12)系统配置

为了适应不同用户的不同喜好，系统提供配置模块，将大量可配置接口公开给用户，通过这些借口，用户可以随时变更系统的运行状态和行为。

(13)语音管理

主要管理系统的语音播报功能，提供清晰、真实、正确的语音信息。

再请参阅图4所示，该系统进程视图主要描述软件平台中的进程模型，以及之间的消息事件。该进程模型具备较强的扩展性，依据不同的应用，开发者可以构建各种进程模型，以最大化利用系统资源。

再请参阅图5所示，该软件部署视图描述系统平台中软件平台和硬件平台的关系，给出软件平台中的主要模块在硬件上的部署方案。

在系统实际工作中，本发明的平台设备的工作过程实现如下：

(1)定位功能

本设备的定位功能是通过GPS模块来实现的。当本装置开机后，模块的电源部分开始工作。然后给GPS模块供电，GPS模块就开始工作，接收卫星信号，然后通过下变频电路转换为基带信号。通过AD转换变为数字信号，进行预处理，滤波以后，来进行数字解调。输出GPS的码流。当收到4个卫星的信号后，根据GPS的定位原理，就可以计算出当前点的坐标，完成定位功能。

(2)导航功能

当卫星定位后，就可以进行导航功能。首先，中央处理器单元从SD卡中读取数据，然后把它放到内存中运行，同时，把它显示在屏幕中。由于地图中包含了所有点的位置信息。所以，根据当前的位置信息，可以很快的与地图数据进行匹配。然后在地图中显示使用者当前的位置。同时，可以在地图中选取一点，作为使用者的目标地，启动导航功能。这时，导航的路径规划算法开始在中央处理器中运行，算出道路规划，然后画出一条路径，显示在地图中。同时，根据使用者的位置，实时更新这条路径。当使用者的航向偏离这条路径的时候，重新进行路径规划，再进行显示处理和实时操作。

(3)输入功能

当需要在地图中查找数据的时候，就需要输入的功能。这个平台可以支持几种输入的功能。一种就是按键的输入功能，通过按键的方式进行行列扫描，然后与在SDRAM中的输入法程序进行匹配，完成输入功能。第二种就是触摸屏的输入功能，通过一个键盘模拟软件来进行键盘输入，完成输入功能。第三种就是手写输入功能，通过内嵌的手写输入软件，加上触摸屏的感应，完成输入功能。

(4)语音提示功能

在导航过程中，需要进行道路变化的语音提示，这样就需要有语音提示功能。当遇到道路变化的时候，运行在SDRAM的导航软件就启动事件功能，通知中央处理器，中央处理器就判断是语音输出的问题，输出一个声音文件给音频功放，音频功放进行声音放大的处理后，就输出给喇叭，实现语音提示功能。

采用了上述的嵌入式车载GPS导航平台设备及其方法，由于该平台设备为可扩展的硬件平台，从而通过该平台，可以实现简单的低成本的导航功能，也可以根据需求实现复杂的功能，比如MP3、MPEG4、FM功能，并且还可以是不带导航功能的个人数字娱乐产品，结构简单实用，适用范围较为广泛；同时，实现该GPS导航功能的方法的软件系统与操作系统无关，该软件系统可以在各种嵌入式实时操作系统(RTOS，Real-Time Operating System)下运行，从而实现路径搜索、路径规划、语音提示、事件触发、兴趣点查询、兴趣点信息输入等各种功能，操作方便灵活；不仅如此，该平台设备与移动通讯相结合，不仅可以通过通讯网络从网络运营商提供的当地的星历图获得当地的卫星信息，从而可以快速的定位，而且可以迅速的把自己当前的位置信息和环境状况通过网络传递给亲人和好友，从而可以达到跟踪和信息快速共享的目的；另一方面，通过对该平台的扩展运用，企业用户还可以快速的推出各种组合的导航产品，包括只有航迹记录的、只有地图显示的、或者有地图查询功能的、带自输入的地点、带摄像头功能和录音功能的、与其它导航技术(比如惯导)相结合的各种导航产品以及与移动通讯相结合的产品，从而可以快速推动相应产业的发展，使GPD导航产品更迅速的走入到千家万户中去。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1、一种嵌入式车载GPS导航平台设备，包括中央处理器单元和与之相连接的GPS接收功能模块，其特征在于，所述的平台设备包括：

电源管理模块，与中央处理器单元相连接，对设备中其它各个模块提供电源管理功能；

存储功能模块，与中央处理器单元相连接，存储各种数据信息；

切换功能模块，分别与中央处理器单元和电源管理模块相连接，实现平台设备内部各功能模块和相应外部设备之间的功能切换；

声音处理模块，与中央处理器单元相连接，输出语音提示信息或者多媒体提示信息；

显示功能模块，与中央处理器单元相连接，显示各种信息；

外设接口模块，与切换功能模块相连接，与外部设备相连接。

2、根据权利要求1所述的嵌入式车载GPS导航平台设备，其特征在于，所述的平台设备中还包括：

移动通信功能模块，与中央处理器单元相连接，与外界进行无线通信联系。

3、根据权利要求1所述的嵌入式车载GPS导航平台设备，其特征在于，所述的中央处理器单元所运行的操作系统为嵌入式实时操作系统。

4、根据权利要求3所述的嵌入式车载GPS导航平台设备，其特征在于，所述的嵌入式实时操作系统为UC/OS、Windows CE或者Linux操作系统。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的嵌入式车载GPS导航平台设备，其特征在于，所述的外设接口模块所具有的连接接口包括USB接口、篮牙接口、视频信号输入接口、电视信号输入接口、FM信号输入接口。

6、根据权利要求1至4中任一项所述的嵌入式车载GPS导航平台设备，其特征在于，所述的存储功能模块为SD存储卡。

7、一种使用权利要求1所述的设备实现车载GPS导航功能的方法，其特征在于，所述的方法包括定位处理操作和导航处理操作，所述的定位处理操作包括以下步骤：

(1)系统进行初始化操作；

(2)GPS接收功能模块接收卫星信号，进行信号解调处理操作，并输出GPS的码流；

(3)系统判断是否已经收到四个卫星的信号；

(4)如果是，则根据该四个卫星的信号计算出当前位置的坐标点信息，完成定位处理操作；

所述的导航处理操作包括以下步骤：

(1)中央处理器从存储功能模块中读取系统预设的地图数据，并将其通过显示功能模块进行显示；

(2)系统根据当前位置的坐标点信息与地图数据进行匹配，并通过显示功能模块在地图中显示出当前位置；

(3)系统根据用户操作设定的目标地，使用导航的路径规划算法进行道路规划处理；

(4)根据道路规划结果在地图中显示出相应的路径；

(5)系统根据当前位置的变化，不断实时更新地图中显示的相应的路径。

8、根据权利要求7所述的实现车载GPS导航功能的方法，其特征在于，所述的信号解调处理操作包括以下步骤：

(1)GPS接收功能模块接收卫星信号，并通过下变频电路转换为基带信号；

(2)GPS接收功能模块将该基带信号通过AD转换变为数字信号；

(3)对该数字信号进行预处理和滤波；

(4)对该数字信号进行数字解调，并输出GPS的码流。

9、根据权利要求7所述的实现车载GPS导航功能的方法，其特征在于，所述的方法中还包括有用户信息输入处理操作，该输入处理操作为按键输入操作处理、触摸屏输入操作处理或者手写输入操作处理。

10、根据权利要求7至9中任一项所述的实现车载GPS导航功能的方法，其特征在于，所述的导航处理操作的步骤(4)中还包括语音提示处理操作，包括以下步骤：

(1)系统判断是否遇到道路变化；

(2)如果是，则中央处理器根据道路规划结果将当前道路的变化信息转换为相应的语音信息；

(3)将该语音信息送至声音处理模块；

(4)声音处理模块通过音频功放对该语音信息进行声音放大处理后进行播放输出。

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