衛(wèi)小偉

（1.陜西交通職業(yè)技術學院 陜西 西安 710021；2.長安大學 電子與控制學院，陜西 西安 710064）

我國GPS車輛導航系統(tǒng)受國內汽車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、電子地圖配套限制等諸多綜合因素制約，仍處于初始發(fā)展階段。在功能上，大部分GPS車輛導航系統(tǒng)還只有車輛跟蹤、數(shù)字地圖查詢、路徑簡單規(guī)劃等基本功能。本文對嵌入式車載導航信息系統(tǒng)體系結構進行研究，給出一個完整系統(tǒng)結構，并重點討論導航電子地圖的實現(xiàn)方法。

1 嵌入式車載導航信息系統(tǒng)結構

車載導航信息系統(tǒng)借助于定位、地理信息處理和通信等技術，通過處理車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，配合地理信息系統(tǒng)和導航數(shù)據(jù)庫處理信息，并與服務中心交流信息交流，可提供定位、電子地圖、路徑規(guī)劃和引導、信息查詢、歷史行駛狀態(tài)詳細記錄、通信等功能[1]。圖1為該導航信息系統(tǒng)功能各模塊關系。

圖1 導航信息系統(tǒng)功能模塊

圖1中，定位系統(tǒng)包括定位模塊和地圖匹配模塊，可得到系統(tǒng)的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，如經度、緯度、高度、速度、運動方向等；數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫包含預先定義好存儲格式的數(shù)字地圖信息，提供計算機處理與地圖有關信息，如辨別場所、公路等級、交通規(guī)則和旅行信息等；路徑規(guī)劃和路徑引導模塊功能是根據(jù)地圖數(shù)據(jù)庫模塊所提供的地圖數(shù)據(jù)，加上從無線通訊網(wǎng)絡收到的實時交通信息，按照某個指標（如最小時間或者最小旅行代價）幫助用戶在行駛前或運行中規(guī)劃路線；人機接口允許用戶與定位和導航計算機及裝置進行人機交互；無線通訊模塊進一步改進系統(tǒng)性能并增加系統(tǒng)功能。

傳統(tǒng)的導航信息系統(tǒng)主要有2種實現(xiàn)方法：基于單片機的簡易導航系統(tǒng)和基于移動PC的導航系統(tǒng)。前者結構簡單，價格便宜，但功能有限，僅僅實現(xiàn)定位、簡易位置指示以及簡單通訊功能；而后者以PC操作系統(tǒng)為軟件平臺，應用專業(yè)軟件包或自主開發(fā)軟件包，配以相應外圍模塊（如定位、通訊等）能夠實現(xiàn)導航所有復雜功能，但價格高，且難以適應車載環(huán)境。因此，采用嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)代車載導航系統(tǒng)的運行平臺是必然選擇[2]。

選用PCM-5820作為嵌入式車載信息系統(tǒng)的硬件平臺，Windows CE作為嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺。PCM-5820完全滿足系統(tǒng)在存儲容量、處理速度、通信接口、功耗、體積等方面的要求。Windows CE具有方便定制、移植簡單、實時性強、可靠性高、體積小等優(yōu)點，且具有與PC操作系統(tǒng)一致界面風格和操作方式，實現(xiàn)豐富的API，便于開發(fā)。基于以上平臺，圖2給出嵌入式車載導航系統(tǒng)的軟件結構。

該系統(tǒng)的定位模塊和無線通訊模塊需借助相應裝置，導航信息系統(tǒng)直接收發(fā)這些裝置數(shù)據(jù)，處理后為系統(tǒng)所用；路徑規(guī)劃和路線引導模塊功能的實現(xiàn)算法研究已相當深入，這里不再贅述。而對于導航電子地圖模塊[3]，為便于功能實現(xiàn)和后期擴展，按其功能分為矢量圖形系統(tǒng)和導航數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，前者是按特定要求顯示矢量圖形，后者是存儲和管理圖形元素的幾何數(shù)據(jù)（如坐標等）、屬性數(shù)據(jù)（如道路等級等）以及其他相關數(shù)據(jù)（如交通信息等）。

圖2 嵌入式車載導航系統(tǒng)的軟件結構

2 導航矢量圖形系統(tǒng)

2.1 基于EVC的矢量圖形系統(tǒng)

分析地圖發(fā)現(xiàn)，地圖矢量化后矢量圖形的元素類型有：點（Point）、線（Line）、連續(xù)折線（Polyline）、區(qū)域（Region）、弧線（Arc）、文本（Text）、矩形（Rectangle）、圓角矩形（Rounded Rectangle）、橢圓（Ellipse）、圓（Circle）、符號（Symbol）等 11 個類型。導航電子地圖中，符號只用于顯示，而且類型有限，該系統(tǒng)采用柵格方式在矢量圖形上透明顯示。其余10種圖形元素并非獨立分類，比如，元素點可用其他若干個元素組合表達；矩形元素（在嵌入式C++中有直接函數(shù)支持）實質是一個特殊區(qū)域。

考慮以上每個對象類都有如線型、顏色等的公共數(shù)據(jù)，可抽象一個基類。本文共建立了15對象類及結構：基類Class CDraw、 線類 Class Cline：public CDraw、 多線類 Class CPline ：public CDraw、區(qū)域類 Class CArea：public CDraw、橢圓弧類Class CEarc：public CDraw、圓類偽代碼描述Class CCircle：public CDraw、矩形類 Class Crectangle：public CDraw、圓角矩形類 Class CroundedRectangle：public CDraw、 橢圓類 Class CEllipse：public CDraw、文本類 Class CText：public CDraw、符號類 Class CSymbol：public CDraw、繪制矢量圖形參數(shù)類 Class CgraphPara、圖層屬性結構typedef struct、當前畫面屬性結構typedef struct、導航目標屬性結構typedef struct。

車載導航電子地圖一般采用小液晶顯示屏顯示。為了實現(xiàn)導航，顯示的畫面內容應盡可能簡單明了，所以矢量圖形將數(shù)據(jù)分層組織，在圖形元素的基類中設有表示元素所處圖層的信息。除了將元素分類為不同的顯示圖層，簡化顯示內容，基類還可設置該元素是否顯示標志位，這樣可提高顯示速度，節(jié)省資源。例如，在同一圖層元素，如果有些元素不在當前顯示窗口，可以不進行與顯示有關的后臺操作（坐標變換等）。DPtoVP和VPtoDP方法是實際坐標（地理坐標）和圖形坐標相轉換。通過矢量化得到的圖形元素的位置數(shù)據(jù)一般是某種坐標系下的坐標值，而本系統(tǒng)用戶可見的顯示坐標范圍為從（0，0）至（640，480），所以需進行坐標變換。 每個圖形元素都需Draw（繪制）方法，但不同元素的繪制方法各不相同，為了方便Draw方法使用，在基類中將Draw定義為純虛函數(shù)，在子類中重載時再具體賦以不同繪制內容。

2.2 矢量圖形系統(tǒng)優(yōu)化

嵌入式車載導航系統(tǒng)硬件平臺一般采用低功耗設計，運算能力有限。但導航電子地圖顯示畫面往往含有大量圖形元素，圖形顯示一次需花費大量時間。如果采用每次全部繪制所有電子地圖內容并直接輸出到畫面，則會導致畫面刷新慢和重繪閃爍明顯。因此需優(yōu)化矢量圖形的繪制方法。

2.2.1 提高圖形的顯示速度

一般繪圖方法是繪制所有圖形元素，而這樣嚴重影響繪圖速度。為了加快繪圖速度，在顯示一個圖形元素前，先判斷該圖形元素是否在當前視圖屏幕中，如果不在，則無需繪制，從而節(jié)省繪制時間[4]。而判斷一個圖形元素是否在當前視圖屏幕，需計算判斷圖形元素與當前視圖屏幕矩形是否相交，但此方法需大量計算，影響顯示速度。采用的判斷圖形元素是否需要繪制的方法應允許不太嚴密，但要計算簡單。在每次重繪圖形元素前，首先判斷元素是否顯示，并只繪制所需部分。這樣就大大加快繪圖速度，并能滿足導航電子地圖系統(tǒng)顯示要求。

2.2.2 解決畫面閃爍問題[5]

窗口圖形繪制包括：上次繪制、本次擦除、本次重繪。其中本次擦除操作是必須的。如果重繪時未清除原來繪制圖形，將導致新圖形和原圖形相疊加。而在新圖形繪制出前，在極短時間內屏幕顯示一個空的矩形區(qū)域，圖形重繪完成后，窗口顯示區(qū)才開始有內容顯示。所以擦除屏幕會出現(xiàn)閃爍，這與圖形復雜程度無關。采用雙緩存機制解決重繪閃爍。雙緩存就是在內存中新開辟一個緩沖區(qū)，原來的顯示緩沖區(qū)作為前臺緩沖區(qū)，新開辟的緩沖區(qū)作為后臺緩沖區(qū)。如圖3所示，繪圖時先把輸出內容寫入后臺緩沖區(qū)，繪圖完成后再把屏幕的當前顯示緩沖區(qū)切換到這個包含新內容的緩沖區(qū)。一旦把屏幕顯示緩沖指向后臺緩沖區(qū)，下一幀的輸出內容就可寫入原緩沖區(qū)，再通過屏幕顯示。因為是非常規(guī)整的內存拷貝，所以前后臺的緩沖區(qū)切換速度非?？?，幾乎看不到圖形的擦除過程。因此使用雙緩沖區(qū)取代單緩沖區(qū)可成功隱藏繪圖過程，避免閃爍。

圖3 雙緩存技術解決重繪閃爍

3 導航數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設計[6]

所謂數(shù)據(jù)庫即格式化（結構化）的文件，用戶完全可自行設計所需格式文件，并提供操作函數(shù)。這里使用.dbf文件格式。因為該格式被眾多數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)接受，處理方便。這樣實現(xiàn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是一種平面文件數(shù)據(jù)庫。這種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)簡單經濟，開發(fā)周期短，但速度較慢。實踐表明，車載導航系統(tǒng)采用這種方法完全可以滿足要求[7]。

本文使用16進制閱讀工具hex32.exe分析dbf文件結構。經分析dbf文件具有以下特征：文件由文件結構說明區(qū)和文件數(shù)據(jù)區(qū)構成；文件的結束標志為1AH。文件數(shù)據(jù)區(qū)存放記錄 （類似表格的一行），每條記錄是等長的；每條記錄以20H開始，按字段順序存放，沒有字段分隔符，也沒有記錄終止符；若刪除該記錄，則記錄的第1個字節(jié)標記為2AH。文件結構說明區(qū)包括數(shù)據(jù)庫參數(shù)區(qū)和記錄結構區(qū)。文件的前32個字節(jié)為數(shù)據(jù)庫參數(shù)區(qū)。記錄結構區(qū)包括各個字段參數(shù)，其中每個字段占32個字節(jié)。本系統(tǒng)基本表的組織形式與dbf文件組織形式相同。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)的主要函數(shù)與普通關系數(shù)據(jù)庫接口類似，選擇使用必要的函數(shù)可以實現(xiàn)車載導航所需的基本操作。實現(xiàn)通用數(shù)據(jù)庫所支持的全部操作，系統(tǒng)具備較豐富的操作功能。用戶還可開發(fā)實現(xiàn)特定功能的其他操作，作為系統(tǒng)擴展。

4 結束語

針對嵌入式車載導航信息系統(tǒng)體系結構進行研究，并重點討論導航電子地圖的實現(xiàn)。利用GIS組件實現(xiàn)導航電子地圖和導航數(shù)據(jù)庫的傳統(tǒng)方發(fā)法，以EVC（嵌入式VC）為開發(fā)工具，設計了電子地圖矢量圖形系統(tǒng)，并自主設計能滿足車載導航需要的基于文件系統(tǒng)的導航數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。實踐表明，本文建立的導航電子地圖系統(tǒng)具有較強的靈活性和可擴展性，能方便移植于不同的軟硬件平臺，運行可靠，適合嵌入式系統(tǒng)應用，有一定的應用和推廣價值。

[1]張 可.車載導航系統(tǒng)關鍵技術研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2001.

[2]楊殿閣.三大平臺構建車載導航系統(tǒng)[J].中國電子報，2004，16（3）：32-36.

[3]胡明偉.無線定位技術應用于實時交通信息采集研究[J].深圳大學學報：理工版，2007，24（3）：246-251.

[4]陳建春.Visual C++開發(fā)GIS系統(tǒng)：開發(fā)實例剖析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[5]張仁忠.利用MFC實現(xiàn)雙緩存機制改善圖形的顯示效果[J].應用科技，2005，1（2）：65-70.

[6]馬 潮，詹衛(wèi)前，耿德根.ATmega8原理及應用手冊[M].北京：清華大學出版社，2003.

[7]HiMARK Technology.RX3650 low power GPS receiver IC[M].Taiwan：HiMARK Technology Inc，2003.