采用海思Hi3512處理器和GPS數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)車載移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

作者：李 耀，昂志敏，李敏杰，文建闊

針對(duì)目前大多數(shù)車載移動(dòng)終端在應(yīng)用于某些復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星定位精度不高和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的速率較低、延遲較大、可靠性較差的問(wèn)題，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，采用海思Hi3512處理器為核心處理器，將具有最新SIRF starIII芯片組技術(shù)的GPS模塊與最新的3G電信無(wú)線傳輸模塊相結(jié)合，通過(guò)3G系統(tǒng)來(lái)高速傳輸GPS信息和音視頻信息，大大提高了系統(tǒng)的定位能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上結(jié)合了有效的GPS數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮技術(shù)，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，降低了數(shù)據(jù)的通信費(fèi)用。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

車載移動(dòng)終端是智能交通（ITS）中的重要組成部分，是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用之一，廣泛應(yīng)用于交通、安防、衛(wèi)生、氣象及軍事等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的車載移動(dòng)終端大多采用GSM（Global System for Mobile Communications）或GPRS（General Packet Radio Service）等無(wú)線通信方式，產(chǎn)品功能單一，定位精度不高，數(shù)據(jù)傳輸延遲較大，費(fèi)用昂貴，難于應(yīng)用于實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的場(chǎng)合。隨著近兩年來(lái)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、3G無(wú)線通信技術(shù)和GPS（Global Positioning System）定位技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用3G系統(tǒng)本身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)3G系統(tǒng)提供的輔助功能，擴(kuò)大GPS系統(tǒng)的可用范圍，快速傳輸GPS定位信息和多媒體信息，將具有重要的意義。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的車載移動(dòng)終端已相對(duì)成熟，而國(guó)內(nèi)還是處于從傳統(tǒng)終端向新型終端轉(zhuǎn)型的起步階段，各項(xiàng)技術(shù)成果的應(yīng)用還有待完善，特別是在應(yīng)用于極端復(fù)雜環(huán)境下的定位精度和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、可靠性方面需要很大的改進(jìn)。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)車載移動(dòng)終端的現(xiàn)狀，本文提出了一種基于3G車載移動(dòng)終端的GPS定位系統(tǒng)，采用海思Hi3512處理器為核心處理器，以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，結(jié)合車載高清攝像頭、電信EV-DO 3G無(wú)線通信模塊和具有最新的SIRF starIII芯片組技術(shù)的GPS接收模塊等外設(shè)，構(gòu)建了基于嵌入式系統(tǒng)的多功能車載導(dǎo)航系統(tǒng)，并在軟件設(shè)計(jì)上采用了有效GPS數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮技術(shù)，減小了數(shù)據(jù)傳輸量，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，降低了通信費(fèi)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有體積小、成本低、定位精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高和擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于3G車載移動(dòng)終端的GPS定位系統(tǒng)主要由GPS接收模塊、音視頻采集模塊、3G無(wú)線通信模塊和地面監(jiān)控指揮中心等組成。GPS接收模塊接收到定位衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)Hi3512中的ARM926EJ-S處理器校驗(yàn)和提取出有用信息（包括自身所在的地理位置坐標(biāo)、速度、時(shí)間等）后，壓縮打包成符合通信協(xié)議的字符串放入全局緩沖區(qū)。音視頻采集模塊通過(guò)高清攝像頭和拾音器采集到多路音視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)Hi3512中的DSP將其壓縮編碼成H.264格式的音視頻復(fù)合流數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)。最后，3G無(wú)線通信模塊將緩沖區(qū)的GPS定位數(shù)據(jù)和音視頻復(fù)合流數(shù)據(jù)封裝入同一個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)，進(jìn)一步打包成IP數(shù)據(jù)包發(fā)送到基站，再利用基站的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到地面監(jiān)控指揮中心。監(jiān)控指揮中心的專用計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，首先解包分離出GPS數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要分別進(jìn)行存儲(chǔ)。然后將音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和格式轉(zhuǎn)換，將GPS數(shù)據(jù)通過(guò)地圖匹配技術(shù)進(jìn)行處理，最終在顯示模塊中顯示車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡和音視頻信號(hào)。地面指揮中心的監(jiān)控人員根據(jù)車輛的狀態(tài)和位置信息，對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)度指揮。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 Hi3512的概述

Hi3512是一款基于ARM926EJ-S處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成、可編程、支持MPEG-4 AVC/H.264和MJPEG等多協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，支持30 fps DI的H.264/MJPEG同時(shí)編解碼或60 fps DI和60 fps CIF的H.264/MJPEG的雙碼流編碼。其內(nèi)部硬件集成AES、DES、3DES多種加解密算法和數(shù)字水印技術(shù)，并提供豐富的外圍接口，包括PCI、SDIO、I2C、I2S、SPI、GPIO、IR、UART、USB 1.0 HOST和USB 2.0 OTG等?？蓮V泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)視頻通信、數(shù)字圖像監(jiān)控等領(lǐng)域［3］。

1.2 GPS定位模塊

GPS定位模塊通過(guò)串行接口與主電路板相連接，負(fù)責(zé)接收GPS定位衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，是實(shí)現(xiàn)接收GPS數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。GPS模塊的選擇通常從技術(shù)參數(shù)、支持的通信協(xié)議、控制接口和成本幾個(gè)方面考慮。本系統(tǒng)中的GPS接收模塊采用LOCOSYS公司生產(chǎn)的SC-1513 GPS接收模塊，接收數(shù)據(jù)采用NMEA0183格式，波特率設(shè)置為4.8 kb/s，支持20通道C/A碼接收控制，可同時(shí)監(jiān)控20路衛(wèi)星信號(hào)。SC-1513 GPS接收模塊有著高靈敏度、低功耗、體積小和性能穩(wěn)定等特色，采用了最新的SIRF starIII芯片組技術(shù)，在大樓林立的都會(huì)或濃密的森林環(huán)境中都能正常的運(yùn)作，廣泛應(yīng)用于車載定位領(lǐng)域［4］。

主芯片Hi3512和SC-1513通過(guò)UART口連接，接口配置的輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.3 V。硬件接口電路如圖2所示。

1.3 3G無(wú)線通信模塊

該系統(tǒng)的3G無(wú)線通信模塊采用的是中興公司的MC8630 CDMA EV-DO無(wú)線模塊，它具有語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和GPS等功能，支持內(nèi)嵌TCP/IP，RevA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)前向峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)3.1 Mb/s，反向峰值數(shù)據(jù)速率達(dá)1.8 Mb/s，可以提供經(jīng)濟(jì)型高速互聯(lián)網(wǎng)接入和無(wú)線數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。Hi3512和MC8630通過(guò)USB口連接，并通過(guò)AT指令來(lái)控制對(duì)采集數(shù)據(jù)的打包，使用起來(lái)非常方便。此外，ARM可以借助3G無(wú)線通信模塊強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息查詢，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，享受網(wǎng)絡(luò)快捷、方便、全面的服務(wù)［5］。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于3G車載移動(dòng)終端的GPS定位系統(tǒng)在軟件部分的設(shè)計(jì)上主要可以分為6個(gè)功能模塊，即初始化模塊、控制模塊、GPS數(shù)據(jù)獲取和處理模塊、GPS數(shù)據(jù)壓縮模塊、用戶界面模塊以及通信模塊。

初始化模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的初始化及所有的標(biāo)志位置零。本系統(tǒng)的GPS串口參數(shù)需初始化為：波特率設(shè)置為4 800 B，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8 bit，停止位為1 bit。控制模塊主要是根據(jù)上位機(jī)的命令來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作，如采集GPS數(shù)據(jù)、發(fā)送當(dāng)前行車狀態(tài)等。用戶界面模塊的主要功能就是把GPS數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)等在LED屏上顯示出來(lái)，同時(shí)還可以響應(yīng)觸摸屏上的中斷，以便實(shí)現(xiàn)通過(guò)觸摸屏操作車載中斷的功能。

GPS數(shù)據(jù)獲取和處理模塊的主要功能就是通過(guò)與串口相連的GPS模塊獲取當(dāng)前的GPS信息，并驗(yàn)證當(dāng)前所獲取的GPS信息的有效性和提取所需要的有用信息（包括自身的地理位置坐標(biāo)、速度、時(shí)間等）。

GPS數(shù)據(jù)壓縮模塊主要采用對(duì)硬件資源要求不高、運(yùn)算量不大、壓縮效率高，適合在嵌入式終端上應(yīng)用的Huffman編碼技術(shù)對(duì)有待傳輸?shù)腉PS數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的無(wú)損壓縮，不僅節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的通信費(fèi)用，更提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)將Huffman編碼的源程序直接嵌入到ARM中，實(shí)時(shí)地對(duì)原文件直接進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)后編碼［6］。一般，GPS定位數(shù)據(jù)中有大量的重復(fù)字符，屬于冗余信息，完全可以去掉。因此，本設(shè)計(jì)的思想是先去除定位數(shù)據(jù)中的直觀冗余信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)照Huffman壓縮編碼表對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速壓縮，最后存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)，以便數(shù)據(jù)的后處理。其中，Huffman壓縮編碼表是由PC對(duì)GPS數(shù)據(jù)中的字符出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行預(yù)先統(tǒng)計(jì)后生成，并預(yù)存入終端Flash中的。其具體流程圖如圖3所示。

通信模塊的主要任務(wù)是完成車載終端與監(jiān)控指揮中心的無(wú)線通信，該設(shè)計(jì)利用MC8630無(wú)線模塊連接3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控指揮中心進(jìn)行通信。啟動(dòng)車載終端的同時(shí)，MC8630模塊也會(huì)被啟動(dòng)，這時(shí)，該模塊會(huì)自動(dòng)連接上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入命令模式，等撥號(hào)成功后，該模塊會(huì)把存儲(chǔ)區(qū)已處理好的GPS數(shù)據(jù)和音視頻流數(shù)據(jù)封裝入一個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)，打包成IP數(shù)據(jù)包，通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控指揮中心，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控指揮中心的無(wú)線通信。

根據(jù)以上對(duì)功能模塊的描述，本設(shè)計(jì)軟件部分的主流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試效果

根據(jù)上述方案開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了測(cè)試。目標(biāo)定位信息接收速率為1 次/s，動(dòng)態(tài)定位精度10 m，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。其能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的視頻傳輸，幀率在10~30 fb/s之間可調(diào)，最大分辨率為CIF（352 288），視頻流暢，延遲較小，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。GPS數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后再編碼的壓縮效果明顯，壓縮比為50%左右，利用MATLAB仿真軟件對(duì)測(cè)試效果進(jìn)行最小二乘法曲線擬合，得出了壓縮比隨文件大小的走勢(shì)如圖7所示，可以看出壓縮比最初隨文件的增大而略有增大，以后趨于穩(wěn)定。測(cè)試表明，本系統(tǒng)各項(xiàng)性能已達(dá)到工業(yè)要求，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

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