《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM的智能導(dǎo)航盲杖系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第11期
白玉柱,魯遠(yuǎn)耀
(北方工業(yè)大學(xué),北京100144)
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(guò)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(wèn)題。
Abstract:
Key words :

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(guò)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(wèn)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(guó)內(nèi)還沒(méi)有一款專門為視障人士開(kāi)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(lái)便利,開(kāi)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(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)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(zhǎng)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于脈沖時(shí)間過(guò)短,而造成反相器輸出波形不夠理想。經(jīng)過(guò)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(yǔ)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(yǔ)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(guò)添加TTS(Text to Speech)文語(yǔ)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后,可將導(dǎo)航信息以語(yǔ)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(guò)一個(gè)GPIO口的一個(gè)反相器來(lái)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(guò)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)
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