隨著IT產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,過去許多由純硬件實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)與產(chǎn)品已轉(zhuǎn)向由軟、硬件共同來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前,以具有無線通訊功能的個(gè)人數(shù)字助理PDA、手持個(gè)人電腦HPC、交互式網(wǎng)絡(luò)信息家電、車載多媒體系統(tǒng)為代表的新一輪智能型3C(Computer、Communication、Consumer)合一的類PC嵌入式系統(tǒng)與技術(shù)[1]進(jìn)入了一個(gè)嶄新的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展階段,類PC嵌入式系統(tǒng)與產(chǎn)品的嵌入式操作系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件也同時(shí)得到了空前的發(fā)展與繁榮。

    經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展使移動目標(biāo)的定位、監(jiān)控、指揮和調(diào)度系統(tǒng)(如警用車輛的指揮調(diào)度、運(yùn)鈔車的監(jiān)控與安全調(diào)度、出租車的經(jīng)營管理和合理調(diào)度)成為公安、銀行以及公交運(yùn)輸系統(tǒng)中一個(gè)越來越重要的問題。目前,用于交通管理系統(tǒng)的設(shè)備主要是無線電通信設(shè)備,由監(jiān)控調(diào)度中心向車輛駕駛員發(fā)出調(diào)度命令,駕駛員只能根據(jù)自己的判斷說出車輛所在的概略位置,而在夜間或在生疏地帶則無法確認(rèn)自己的方位甚至迷路。因此,在調(diào)度管理和安全營運(yùn)方面受到了一定程度的限制。

    GPS(Global Position System)定位技術(shù)的出現(xiàn)給車輛、輪船等移動目標(biāo)的導(dǎo)航定位提供了精確、實(shí)時(shí)的定位能力。由車載GPS系統(tǒng)所確定的車輛位置信息,通過車載電臺將其發(fā)送給調(diào)度指揮中心,調(diào)度指揮中心便可及時(shí)掌握各車輛的具體位置,并可以顯示在電子地圖上,非常直觀、清晰,然后進(jìn)行安全、合理的調(diào)度。通過移動目標(biāo)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng),調(diào)度指揮中心隨時(shí)可以知道入網(wǎng)移動目標(biāo)的方位,不僅可以進(jìn)行安全合理的監(jiān)控調(diào)度,而且可以為入網(wǎng)移動目標(biāo)提供無線通訊、遇險(xiǎn)報(bào)警、決策指揮等多項(xiàng)服務(wù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與原理

    出租車調(diào)度系統(tǒng)主要由車載定位系統(tǒng)與調(diào)度指揮中心系統(tǒng)兩部分組成。調(diào)度指揮中心系統(tǒng)主要由監(jiān)控調(diào)度網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、彩色大屏幕顯示器、GSM模塊、穩(wěn)壓電源、系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)度管理軟件和向量化電子地圖等六部分組成。本文僅介紹出租車車載定位系統(tǒng)。

    目前國內(nèi)出租車的經(jīng)營管理和調(diào)度系統(tǒng)除具有監(jiān)督調(diào)度功能外,還提供無線通訊語音服務(wù)、遇險(xiǎn)報(bào)警等。本文所介紹的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“GPS出租車調(diào)度系統(tǒng)”在功能上與現(xiàn)有方案大不相同,主要表現(xiàn)在兩方面:①車載系統(tǒng)不僅能顯示字符與漢字而且能顯示圖形(例如電子地圖);②調(diào)度指揮中心能對出租車進(jìn)行群呼,實(shí)現(xiàn)大量信息的廣播下行,如交通信息、新聞、股票信息、天氣預(yù)報(bào)等。其主要目的是實(shí)現(xiàn)對某個(gè)地區(qū)出租車的分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。例如,當(dāng)某個(gè)客戶向調(diào)度指揮中心打電話預(yù)約出租車時(shí),總臺以廣播的方式通過尋呼臺向所有的出租車發(fā)出呼叫,并要求凡是處于以客戶為圓心的、半徑為某個(gè)值(由總臺確定)的區(qū)域中的出租車給與應(yīng)答(當(dāng)然是愿意承接此任務(wù)的司機(jī))?？偱_對所有處于此范圍的出租車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定出一臺離用戶最近的、滿足客戶要求的(例如車型、性別、語言和年齡等)出租車。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

出租車車載系統(tǒng)主要由微控制器、GPS模塊、GSM無線通訊模塊、尋呼接收解碼模塊和LCD顯示模塊組件構(gòu)成。

1.1 微控制器

    車載系統(tǒng)中控制器的選擇至關(guān)重要,它不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的性能,而且關(guān)系著車載系統(tǒng)的成本。目前國內(nèi)的車載系統(tǒng)僅要求顯示字符、文字信息,普通的單片機(jī)就完全可以勝任,價(jià)格適中。然而,若要求顯示圖片、電子地圖等,則對控制器的頻率速度、存儲容量都有較高的要求。為了滿足其要求,車載系統(tǒng)中一般可選擇Intel StrongARM、ST StA2000、Motorola DragonBall等控制器,但價(jià)格很高,主要用于高端電子類產(chǎn)品上,例如掌上電腦HPC。針對各種小型數(shù)字設(shè)備的需求,目前各個(gè)半導(dǎo)體芯片廠商都投入了很大的力量研發(fā)、生產(chǎn)適用于這些設(shè)備的CPU及協(xié)處理器芯片。為了充分縮小尺寸,達(dá)到低功耗、低成本的要求,廠商甚至把少量存儲器、液晶顯示控制器以及I/O端口等也一并集成到芯片中。以上述處理器芯片為主,添加必要的外圍電路并配以少量外設(shè),就可以非常方便地設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的電子類產(chǎn)品。對其外圍模塊進(jìn)行不同的組合,可以針對不同要求,設(shè)計(jì)出不同功能、不同價(jià)位的嵌入式控制產(chǎn)品。

1.2 GPS定位系統(tǒng)

    GPS全球定位系統(tǒng)是美國國防部于1973年11月授權(quán)開始研制的全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng),歷經(jīng)二十余年,耗資超過一百億美元,可提供實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和高精度的時(shí)間信息。由于GPS定位技術(shù)具有精度高、速度快、成本低的顯著優(yōu)勢,已成為目前世界上應(yīng)用最廣泛、實(shí)用性最強(qiáng)的全球精密授時(shí)、測距、導(dǎo)航、定位系統(tǒng)。近幾年來,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得了迅速發(fā)展,GPS定位技術(shù)已經(jīng)滲透到了經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域。

    目前,有很多廠商都能提供GPS OEM板產(chǎn)品,如SiRF、Conexant、Sychip、GARMIN等公司。其中美國GARMIN公司是世界上最著名、深受用戶信賴的專業(yè)GPS廠家,在GPS的定位、導(dǎo)航領(lǐng)域一直走在世界最前列,在提供各種類型的GPS成品的同時(shí),還提供一系列最經(jīng)典的GPS OEM板產(chǎn)品。由于GARMIN OEM板的定位速度快、工作穩(wěn)定、耐電壓沖擊和高抗干擾性,因而此方案采用了GARMIN GPS25板。

    出租車車載定位系統(tǒng)的GPS模塊接收衛(wèi)星(共24顆,分布在6個(gè)不同的地球軌道上)發(fā)出的定位資料,并根據(jù)從三顆以上不同衛(wèi)星發(fā)來的資料計(jì)算出自身所處地理位置的坐標(biāo)。坐標(biāo)資料經(jīng)GSM無線模塊發(fā)射給調(diào)度指揮中心。調(diào)度指揮中心將車載GSM模塊發(fā)回的坐標(biāo)資料等信息還原。同時(shí)與GIS的電子地圖匹配,在電子地圖上顯示坐標(biāo)的位置,以便指揮中心清楚和直觀地掌握車輛的動態(tài)位置信息。

1.3 GSM無線通信模塊

    車載電臺實(shí)現(xiàn)與調(diào)度指揮中心的聯(lián)絡(luò)(雙向通信)。目前的車載電臺絕大部分是調(diào)頻(FM)制式的模擬移動通信系統(tǒng),主要為語音通信設(shè)計(jì)。要傳送車載臺的定位信息首先要通過音頻調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成音頻模擬信號,然后加載到音頻車載臺上發(fā)送出去。其缺點(diǎn)是需建電臺、申請頻率點(diǎn)使用權(quán)、覆蓋面窄、發(fā)射功率小及容量有限等。除此之外,由于語音信道的信噪比較低,利用此信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),誤碼率會增加,嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致通信失敗。因此,在此方案中采用了GSM移動通信中的短消息來完成GPS定位信息數(shù)據(jù)的傳輸。

    全球移動通信系統(tǒng)GSM (Global System for Mobile Communications)是歐洲主要電信運(yùn)營者和制造廠家組成的標(biāo)準(zhǔn)化委員會設(shè)計(jì)的數(shù)字移動通信系統(tǒng),也是我國目前覆蓋面最廣、功能最強(qiáng)、用戶最多的移動通訊系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)可提供多種業(yè)務(wù),目前已開通并較常用的業(yè)務(wù)有:話音、短信、數(shù)據(jù)等。短消息 SMS(Short Message Service)是GSM移動電信系統(tǒng)的補(bǔ)充業(yè)務(wù)之一,它借助GSM網(wǎng)信令傳遞間隙進(jìn)行傳送,不會占用話務(wù)信道。短消息每次限制在160個(gè)字符以內(nèi),這對GPS定位信息足夠了。電信運(yùn)營者一般不會對短消息的傳送增加通信費(fèi)用,僅適當(dāng)收取一點(diǎn)開通費(fèi)或很少的維護(hù)費(fèi),因此短消息的使用是非常廉價(jià)的(以北京電信目前的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),每月僅為15元)。短消息的編碼支持中文、韓文、日文等文字字符集及符號,并且傳送字符內(nèi)容支持Unicode字符全集,因此可以傳送中文信息。短消息的發(fā)送和接收離不開GSM數(shù)據(jù)通信平臺。GSM數(shù)據(jù)通信平臺是利用GSM短消息功能傳輸各種檢測、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信號和控制命令的通用通信平臺,可以廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、移動目標(biāo)的監(jiān)控以及個(gè)人信息終端。具有不需另外鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)、通訊費(fèi)用低廉、不受地域限制、任意設(shè)置傳輸機(jī)制等特點(diǎn)。本方案采用法國WAVECOM公司的GSM 模塊,其數(shù)據(jù)接口為RS232,可與微控制器的UART接口直接連接。

    綜上所述,在綜合考慮運(yùn)營費(fèi)用和實(shí)現(xiàn)的難易程度等因素,目前的短信業(yè)務(wù)最適合定位信息的傳送,而且在使用這種業(yè)務(wù)的同時(shí)還可進(jìn)行話音聯(lián)絡(luò),互不沖突。

1.4 PAGER尋呼接收模塊

    目前的GSM系統(tǒng)還不能提供廣播式短消息服務(wù),為了實(shí)現(xiàn)廣播下行,在系統(tǒng)中增加了尋呼模塊。車載系統(tǒng)有了它也就具有了接收群呼的功能,調(diào)度指揮中心可實(shí)現(xiàn)廣播下行。

    尋呼機(jī)主要由RF接受部分和DECODER解碼部分組成。其功能是將接收到的信息電磁波轉(zhuǎn)變成無線電射頻調(diào)制信號,再經(jīng)過變換、解調(diào)恢復(fù)出數(shù)字基帶信號,送到后續(xù)的CPU進(jìn)行處理。接收部分:包括天線組件、放大混頻電路和解調(diào)電路,實(shí)現(xiàn)由射頻信號向中頻信號、直到二進(jìn)制代碼流的轉(zhuǎn)換。解碼部分:完成對接收到的二進(jìn)制信息的譯碼,通過對數(shù)碼序列中的前置碼進(jìn)行識別來判別當(dāng)前所接受的數(shù)碼是否為POCSAG碼,如果是,再解調(diào)出包括地址和信息信號的POCSAG無線尋呼碼,并按特定格式傳送給車載系統(tǒng)CPU作存儲和顯示。無線尋呼組碼解碼方案有POCSAG和FLEX兩種數(shù)據(jù)協(xié)議格式。FLEX是多頻漫游高速尋呼協(xié)議,具有編碼速率高、信道用戶容量大、抗干擾性能好、與現(xiàn)有尋呼技術(shù)兼容能力強(qiáng)、支持綜合數(shù)據(jù)傳輸、能很好地支持雙向?qū)ず簟⑦m合全國乃至世界范圍尋呼聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。目前,我國無線尋呼組碼解碼方案普遍采用POCSAG協(xié)議,該協(xié)議是國際無線電咨詢委員會(CCIR)確認(rèn)的國際尋呼通信的一號標(biāo)準(zhǔn)編碼 (簡稱國際1號碼 )。所以構(gòu)建尋呼功能只需外加一個(gè)RF接收模塊和解碼芯片即可,如圖2所示。

作為車載系統(tǒng)的一部分,尋呼機(jī)接收功能主要實(shí)現(xiàn)大量的信息接收,包括公司的廣播通知、交通信息、新聞、股票信息、天氣預(yù)報(bào)等的接收,通過車載系統(tǒng)的相應(yīng)軟件控制在其LCD屏幕上顯示,比傳統(tǒng)的尋呼機(jī)速度快,頁面顯示內(nèi)容清晰,可以顯示文字、圖表、曲線及照片等。該功能模塊的增加為車載系統(tǒng)擴(kuò)大了信息來源,增強(qiáng)了車載系統(tǒng)的功能。通過車載系統(tǒng),使用者可以更加方便地接收、讀取、存儲和管理尋呼機(jī)的信息。

1.5 LCD液晶顯示模塊

    實(shí)現(xiàn)電子地圖的顯示需要點(diǎn)陣圖形液晶顯示器。液晶顯示器(LCD)有黑白、彩色兩種,黑白屏以超扭曲向列型(STN)居多,對比度比TN型的更好。彩色屏以薄膜晶體管型(TFT)居多,分有源(Active)及無源(Passive)型兩種。TFT屏比STN屏響應(yīng)速度快,可實(shí)現(xiàn)真彩色,但價(jià)格很高,約占整個(gè)產(chǎn)品成本的一半,主要用于高端電子類產(chǎn)品。通常高端微控制器中都內(nèi)嵌有一個(gè)8位或4位的、灰度為4～16級的液晶控制器,有支持STN顯示屏的,也有支持TFT顯示屏的,分辨率最高可達(dá)1024×512個(gè)像素,并內(nèi)嵌有幾十KB的幀緩沖器。

    考慮到價(jià)位以及功能的要求,一般選擇320×240 STN黑白液晶屏來顯示電子地圖、出租車的經(jīng)緯度及速度、通過PAGER接收調(diào)度指揮中心廣播下行的命令和控制中心通過GSM發(fā)來的短信消息等。由于車載系統(tǒng)中不便于使用觸摸屏,因此將液晶屏上的觸摸屏去掉,改換成有利于司機(jī)操作的鍵盤。

2 THOS清華嵌入式操作系統(tǒng)

    嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的核心,在手持計(jì)算設(shè)備、控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域起著十分重要的作用。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式操作系統(tǒng),不僅關(guān)系到我國未來科技的發(fā)展,而且可以擺脫對國外操作系統(tǒng)的過分依賴,為我國IT領(lǐng)域的發(fā)展提供一個(gè)良好的系統(tǒng)平臺。

    考慮到未來工業(yè)發(fā)展對嵌入式操作系統(tǒng)的普遍需求,因此THOS操作系統(tǒng)定位為嵌入式、可配置、實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng),并將各種驅(qū)動程序等設(shè)計(jì)成均可自由裝卸的功能化模塊,主要用于控制系統(tǒng)、信息家電、各種移動設(shè)備等嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品。清華嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)如表1所示。

 清華嵌入式操作系統(tǒng)無論和普通的操作系統(tǒng)(如服務(wù)器上用的操作系統(tǒng)和臺式機(jī)上的操作系統(tǒng)等)相比還是與其它嵌入式操作系統(tǒng)(如WindowsCE、pSoS、VxWorks、Palm OS)相比都有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

    本文所介紹的GPS車載定位嵌入式系統(tǒng)不僅在硬件設(shè)計(jì)上具有外圍器件少、可裝卸、開發(fā)設(shè)計(jì)周期短等優(yōu)點(diǎn),而且在系統(tǒng)軟件及驅(qū)動程序的開發(fā)上是基于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的THOS平臺,達(dá)到了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的目的。由于該操作系統(tǒng)主要定位在與硬件緊密相連的控制系統(tǒng)和類PC系統(tǒng),因而在保持和Linux系統(tǒng)兼容的基礎(chǔ)上,具有易于向其它硬件平臺移植的特點(diǎn),以便根據(jù)不同的需要將其組合為滿足不同要求的系統(tǒng),為嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。