摘 要： 針對(duì)目前市場(chǎng)上盲用導(dǎo)航產(chǎn)品的不足，采用基于ARM11的S3C6410微處理器和基于Win CE軟件，設(shè)計(jì)了智能導(dǎo)航盲杖系統(tǒng)。通過GPS模塊，該系統(tǒng)可以提供盲用定位與導(dǎo)航功能。利用超聲波測(cè)障模塊，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)的障礙物告警，極大地解決了盲人獨(dú)立出行困難的問題。
關(guān)鍵詞： ARM11; WinCE；盲用導(dǎo)航；GPS；超聲波
目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的GPS產(chǎn)品主要集中在車載導(dǎo)航或面向正常人的手持導(dǎo)航系統(tǒng)，視障人士很難享受到與正常人一樣的導(dǎo)航服務(wù)。迄今為止，國內(nèi)還沒有一款專門為視障人士開發(fā)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。為提高視障人士的生活水平，為他們的出行帶來便利，開發(fā)出適用于特殊群體的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)勢(shì)在必行。
本文采用了基于ARM11-Win CE平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制平臺(tái)，以提高系統(tǒng)的性能、集成度以及可擴(kuò)展性；運(yùn)用GPS定位技術(shù)和TTS文語轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)視障人士的GPS定位及電子地圖導(dǎo)航；利用超聲波測(cè)距功能，系統(tǒng)可以提供一定距離內(nèi)的障礙物探測(cè)與告警。為實(shí)現(xiàn)上述功能，采用Trimble公司的GPS接收模塊Lassen iQ實(shí)現(xiàn)了GPS定位功能，處理器采用三星公司的S3C6410(ARM1176JZF-S核心)芯片，操作系統(tǒng)為Windows CE 6.0。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
本智能導(dǎo)航盲杖系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)GPS定位、電子地圖查詢、路徑選擇以及超聲波探測(cè)、語音輸出等主要功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)功能如下：
(1)GPS信號(hào)接收模塊：接收GPS信號(hào)，輸出當(dāng)前經(jīng)緯度、移動(dòng)方向與速度、時(shí)間等信息。完成與中央處理器的通信，報(bào)告工作狀態(tài)，并接收中央處理器的控制[1]。
(2)存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)系統(tǒng)程序、電子地圖數(shù)據(jù)以及GPS獲取的信息等，可以進(jìn)行存儲(chǔ)、讀取、查詢信息等操作。
(3)超聲波測(cè)障模塊：發(fā)送和接收超聲波脈沖，反饋給中央處理器并接收其控制信號(hào)。
(4)人機(jī)接口模塊：包括顯示和鍵盤輸入、語音輸出，采用中央處理器控制和監(jiān)測(cè)。
(5)中央處理器：控制并接收GPS模塊、超聲波測(cè)障模塊產(chǎn)生的信號(hào)，監(jiān)視鍵盤狀態(tài)，并控制LCD顯示、語音輸出等。
1.2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)
(1)GPS模塊。系統(tǒng)選擇Trimble公司的Lassen iQ GPS接收器作為GPS信號(hào)接收模塊，其接口電路如圖2所示。為了利于在戶外手持使用，系統(tǒng)要考慮體積、功耗以及精度的需求。系統(tǒng)選用的GPS模塊面積僅有8 cm2，功耗小于89 mW，而其GPS定位精度可達(dá)10 m，速度精度能夠達(dá)到0.1 km/h，GPS方向可精確到2°，基本能夠滿足本系統(tǒng)的要求。
(2)中央處理器。系統(tǒng)選用Samsung公司的S3C6410A-XH66作為中央處理器。
S3C6410A-XH66是一款基于ARM1176JZF-S內(nèi)核的32 bit RSIC微處理器，其優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器接口分為DRAM和Flash/ROM/DRAM兩路端口，能滿足本系統(tǒng)讀取電子地圖時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的要求。另外，S3C6410A-XH66還有Camera接口、TFT 24 bit真彩色LCD控制器、4通道的UART、I2C總線等。處理器內(nèi)部時(shí)鐘為533 MHz，可以滿足較復(fù)雜導(dǎo)航算法的需要。
(3)存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)選用兩片64 M×16 bit的Mobile DDR芯片K4X1G163PC，構(gòu)成共256 MB的內(nèi)存模塊，以及一片1 G×8 bit的NAND Flash芯片K9G8G08U0M作為外部存儲(chǔ)。內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)如圖3所示，兩片K4X1G163PC的連接方式相同，使用1.8 V工作電壓，主頻為166 MHz，在處理器內(nèi)部時(shí)鐘為533 MHz時(shí)，能夠接近最高使用效率。需要注意的是，在進(jìn)行PCB布線工作時(shí)，兩片內(nèi)存芯片的地址線和數(shù)據(jù)線必須進(jìn)行等長設(shè)置。
(4)超聲波測(cè)障模塊。該模塊使用兩個(gè)超聲波換能器，分別完成超聲波發(fā)送和檢測(cè)接收的任務(wù)。發(fā)送模塊在設(shè)計(jì)之初采用反相器74LS04，但在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)由于脈沖時(shí)間過短，而造成反相器輸出波形不夠理想。經(jīng)過多次調(diào)試比較，最終采用Philips公司的高速反相器74HC04，其在工作電壓VCC為4.5 V時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)跳變時(shí)間可達(dá)6 ns，極佳地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。超聲波檢測(cè)接收模塊使用CX20106進(jìn)行信號(hào)放大，如圖4所示。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)充分利用了硬件平臺(tái)提供的資源[2]，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的有序運(yùn)行，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分[3]。軟件的設(shè)計(jì)主要有：(1)建立交叉編譯環(huán)境。(2)Windows CE 6.0操作系統(tǒng)(包括驅(qū)動(dòng))的移植。(3)GPS定位與導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)。(4)超聲波測(cè)障功能設(shè)計(jì)。
2.1 GPS定位與導(dǎo)航模塊軟件設(shè)計(jì)
GPS定位與導(dǎo)航模塊首先要完成用戶位置信息的采集、處理與存儲(chǔ)。由于GPS采用串行口通信，所以本文在串行口通信的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS數(shù)據(jù)的接收、處理和存儲(chǔ)。該模塊軟件設(shè)計(jì)的基本思想是：首先接收完整的NMEA0183語句，然后提取相關(guān)的數(shù)據(jù)(如時(shí)間、經(jīng)緯度、速度等)，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理器進(jìn)行下一步操作，并且可以保存以便日后查看[4]。
本系統(tǒng)使用Lassen iQ的串口1輸出的數(shù)據(jù)，串口通信流程如圖5所示。所獲取的NMEA0183語句格式為：$GPRMC，162 206，A，3 955.400 7，N，11 612.0591 E，000.0，000.0 181010 002.5，W*71，表示目前的時(shí)間是2010年10月18日16點(diǎn)22分06秒(這是UTC時(shí)間，不是本地時(shí)間，兩者大約相差8小時(shí))，位置是北緯39°55.4007′、東經(jīng)116°12.0591′，速度為0。
系統(tǒng)在獲取到當(dāng)前經(jīng)緯度等信息后，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和地圖匹配[5]。本系統(tǒng)結(jié)合超圖格式(pwr，pmw)的北京市地圖數(shù)據(jù)，調(diào)用超圖接口函數(shù)讀取電子地圖數(shù)據(jù)，并對(duì)用戶選擇的目標(biāo)點(diǎn)和當(dāng)前點(diǎn)進(jìn)行路徑選擇，最終導(dǎo)航信息以文本方式輸出到界面，如圖6所示。在經(jīng)過添加TTS(Text to Speech)文語轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，可將導(dǎo)航信息以語音播報(bào)的方式播送給盲人用戶使用。
2.2 超聲波測(cè)障模塊軟件設(shè)計(jì)
本模塊的主要功能是自動(dòng)測(cè)出用戶與最近障礙物的距離，并將該數(shù)據(jù)傳送給中央處理器。在一般條件下，當(dāng)障礙物與用戶之間小于極限安全距離(一般為0.6 m)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，提醒用戶注意避讓。
超聲波測(cè)障軟件工作流程如圖7所示。S3C6410微處理器通過一個(gè)GPIO口的一個(gè)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后不停地檢測(cè)XEINT0引腳，當(dāng)XEINT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回，通過換算超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。
本文設(shè)計(jì)了基于ARM11-Win CE的軟硬件平臺(tái)，系統(tǒng)具有較高的集成度和可擴(kuò)展性、成本低、功耗低、處理性能高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。軟硬件系統(tǒng)均考慮到了視障用戶的切身需求，針對(duì)視障人士的特點(diǎn)進(jìn)行專門的功能設(shè)計(jì)，完全支持盲操作，提高了視障人群在日常生活中的便利性，是定位于視障人士獨(dú)立出行的輔助性器材。
參考文獻(xiàn)
[1] 韓飛.MiniGUI在車載導(dǎo)航終端中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005(6)：61-63.
[2] 張冬泉，譚南林，蘇樹強(qiáng).WindowsCE實(shí)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[3] 李別．基于S3C4510B的ARM開發(fā)平臺(tái)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2006，10(2)：34-36.
[4] 張文軍.GPS與嵌入式系統(tǒng)軟硬件接口及導(dǎo)航信息提取軟件[J].計(jì)算機(jī)工程，2005，31(18)：210-212.
[5] 翟霞暉，唐明浩.基于ARM7的汽車導(dǎo)航定位與防盜系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2003，28(3)：30-32.