摘 要： 針對目前市場上盲用導航產品的不足,，采用基于ARM11的S3C6410微處理器和基于Win CE軟件,，設計了智能導航盲杖系統(tǒng)。通過GPS模塊,，該系統(tǒng)可以提供盲用定位與導航功能,。利用超聲波測障模塊，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)一定范圍內的障礙物告警,，極大地解決了盲人獨立出行困難的問題,。
關鍵詞： ARM11; WinCE；盲用導航,；GPS,；超聲波
目前市場上現(xiàn)有的GPS產品主要集中在車載導航或面向正常人的手持導航系統(tǒng)，視障人士很難享受到與正常人一樣的導航服務,。迄今為止,，國內還沒有一款專門為視障人士開發(fā)的GPS導航系統(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導航系統(tǒng)勢在必行。
本文采用了基于ARM11-Win CE平臺的嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制平臺,，以提高系統(tǒng)的性能,、集成度以及可擴展性；運用GPS定位技術和TTS文語轉換系統(tǒng),，實現(xiàn)了對視障人士的GPS定位及電子地圖導航,；利用超聲波測距功能，系統(tǒng)可以提供一定距離內的障礙物探測與告警,。為實現(xiàn)上述功能,，采用Trimble公司的GPS接收模塊Lassen iQ實現(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)硬件設計
1.1 系統(tǒng)整體結構
本智能導航盲杖系統(tǒng)是為了實現(xiàn)GPS定位,、電子地圖查詢,、路徑選擇以及超聲波探測、語音輸出等主要功能,，系統(tǒng)設計圖如圖1所示,。各個功能模塊實現(xiàn)功能如下：
(1)GPS信號接收模塊：接收GPS信號，輸出當前經緯度,、移動方向與速度,、時間等信息,。完成與中央處理器的通信，報告工作狀態(tài),，并接收中央處理器的控制[1],。
(2)存儲模塊：存儲系統(tǒng)程序、電子地圖數(shù)據(jù)以及GPS獲取的信息等,，可以進行存儲,、讀取、查詢信息等操作,。
(3)超聲波測障模塊：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。
(4)人機接口模塊：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。
(5)中央處理器：控制并接收GPS模塊,、超聲波測障模塊產生的信號,，監(jiān)視鍵盤狀態(tài)，并控制LCD顯示,、語音輸出等,。
1.2 系統(tǒng)主要模塊設計
(1)GPS模塊。系統(tǒng)選擇Trimble公司的Lassen iQ GPS接收器作為GPS信號接收模塊,，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10 m,，速度精度能夠達到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內核的32 bit RSIC微處理器,，其優(yōu)化的外部存儲器接口分為DRAM和Flash/ROM/DRAM兩路端口，能滿足本系統(tǒng)讀取電子地圖時對數(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,。處理器內部時鐘為533 MHz，可以滿足較復雜導航算法的需要,。
(3)存儲模塊,。系統(tǒng)選用兩片64 M×16 bit的Mobile DDR芯片K4X1G163PC，構成共256 MB的內存模塊,，以及一片1 G×8 bit的NAND Flash芯片K9G8G08U0M作為外部存儲,。內存模塊設計如圖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，在處理器內部時鐘為533 MHz時,，能夠接近最高使用效率,。需要注意的是，在進行PCB布線工作時,，兩片內存芯片的地址線和數(shù)據(jù)線必須進行等長設置,。
(4)超聲波測障模塊。該模塊使用兩個超聲波換能器,，分別完成超聲波發(fā)送和檢測接收的任務,。發(fā)送模塊在設計之初采用反相器74LS04，但在測試過程中發(fā)現(xiàn)由于脈沖時間過短,，而造成反相器輸出波形不夠理想,。經過多次調試比較，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,，標準跳變時間可達6 ns，極佳地實現(xiàn)了系統(tǒng)功能,。超聲波檢測接收模塊使用CX20106進行信號放大,，如圖4所示。
2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件的設計充分利用了硬件平臺提供的資源[2],，實現(xiàn)業(yè)務流程的有序運行,，是整個系統(tǒng)設計的重要組成部分[3]。軟件的設計主要有：(1)建立交叉編譯環(huán)境,。(2)Windows CE 6.0操作系統(tǒng)(包括驅動)的移植,。(3)GPS定位與導航程序設計。(4)超聲波測障功能設計,。
2.1 GPS定位與導航模塊軟件設計
GPS定位與導航模塊首先要完成用戶位置信息的采集、處理與存儲,。由于GPS采用串行口通信,，所以本文在串行口通信的基礎上實現(xiàn)了對GPS數(shù)據(jù)的接收,、處理和存儲。該模塊軟件設計的基本思想是：首先接收完整的NMEA0183語句,，然后提取相關的數(shù)據(jù)(如時間,、經緯度、速度等),，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理器進行下一步操作,，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,，表示目前的時間是2010年10月18日16點22分06秒(這是UTC時間，不是本地時間,，兩者大約相差8小時),，位置是北緯39°55.4007′、東經116°12.0591′,，速度為0,。
系統(tǒng)在獲取到當前經緯度等信息后，進行坐標轉換和地圖匹配[5],。本系統(tǒng)結合超圖格式(pwr,，pmw)的北京市地圖數(shù)據(jù)，調用超圖接口函數(shù)讀取電子地圖數(shù)據(jù),，并對用戶選擇的目標點和當前點進行路徑選擇,，最終導航信息以文本方式輸出到界面，如圖6所示,。在經過添加TTS(Text to Speech)文語轉換系統(tǒng)后,，可將導航信息以語音播報的方式播送給盲人用戶使用。
2.2 超聲波測障模塊軟件設計
本模塊的主要功能是自動測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，當障礙物與用戶之間小于極限安全距離(一般為0.6 m)時，系統(tǒng)會發(fā)出警告,，提醒用戶注意避讓,。
超聲波測障軟件工作流程如圖7所示。S3C6410微處理器通過一個GPIO口的一個反相器來控制超聲波的發(fā)送,，然后不停地檢測XEINT0引腳,，當XEINT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，認為超聲波已經返回,，通過換算超聲波所經歷的時間,，就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。
本文設計了基于ARM11-Win CE的軟硬件平臺,，系統(tǒng)具有較高的集成度和可擴展性,、成本低、功耗低,、處理性能高,、穩(wěn)定性好等特點。軟硬件系統(tǒng)均考慮到了視障用戶的切身需求,，針對視障人士的特點進行專門的功能設計,，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立出行的輔助性器材,。
參考文獻
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[3] 李別．基于S3C4510B的ARM開發(fā)平臺[J]．微計算機信息,，2006,，10(2)：34-36.
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[5] 翟霞暉,，唐明浩.基于ARM7的汽車導航定位與防盜系統(tǒng)[J].自動化儀表，2003,，28(3)：30-32.