基于ARM的智能导航盲杖系统设计

本文采用了基于ARM11-Win CE平台的嵌入式系统作为系统的控制平台，以提高系统的性能、集成度以及可扩展性;运用GPS定位技术和TTS文语转换系统，实现了对视障人士的GPS定位及电子地图导航;利用超声波测距功能，系统可以提供一定距离内的障碍物探测与告警。为实现上述功能，采用Trimble公司的GPS接收模块Lassen iQ实现了GPS定位功能，处理器采用三星公司的S3C6410(ARM1176JZF-S核心)芯片，操作系统为Windows CE 6.0。

　　1 系统硬件设计

　　1.1 系统整体结构

　　本智能导航盲杖系统是为了实现GPS定位、电子地图查询、路径选择以及超声波探测、语音输出等主要功能，系统设计图如图1所示。各个功能模块实现功能如下：

　　(1)GPS信号接收模块：接收GPS信号，输出当前经纬度、移动方向与速度、时间等信息。完成与中央处理器的通信，报告工作状态，并接收中央处理器的控制[1]。

　　(2)存储模块：存储系统程序、电子地图数据以及GPS获取的信息等，可以进行存储、读取、查询信息等操作。

　　(3)超声波测障模块：发送和接收超声波脉冲，反馈给中央处理器并接收其控制信号。

　　(4)人机接口模块：包括显示和键盘输入、语音输出，采用中央处理器控制和监测。

　　(5)中央处理器：控制并接收GPS模块、超声波测障模块产生的信号，监视键盘状态，并控制LCD显示、语音输出等。

　　1.2 系统主要模块设计

　　(1)GPS模块。系统选择Trimble公司的Lassen iQ GPS接收器作为GPS信号接收模块，其接口电路如图2所示。为了利于在户外手持使用，系统要考虑体积、功耗以及精度的需求。系统选用的GPS模块面积仅有8 cm2，功耗小于89 mW，而其GPS定位精度可达10 m，速度精度能够达到0.1 km/h，GPS方向可精确到2°，基本能够满足本系统的要求。

　　(2)中央处理器。系统选用Samsung公司的S3C6410A-XH66作为中央处理器。

　　S3C6410A-XH66是一款基于ARM1176JZF-S内核的32 bit RSIC微处理器，其优化的外部存储器接口分为DRAM和Flash/ROM/DRAM两路端口，能满足本系统读取电子地图时对数据带宽的要求。另外，S3C6410A-XH66还有Camera接口、TFT 24 bit真彩色LCD控制器、4通道的UART、I2C总线等。处理器内部时钟为533 MHz，可以满足较复杂导航算法的需要。[page]

(3)存储模块。系统选用两片64 M×16 bit的Mobile DDR芯片K4X1G163PC，构成共256 MB的内存模块，以及一片1 G×8 bit的NAND Flash芯片K9G8G08U0M作为外部存储。内存模块设计如图3所示，两片K4X1G163PC的连接方式相同，使用1.8 V工作电压，主频为166 MHz，在处理器内部时钟为533 MHz时，能够接近最高使用效率。需要注意的是，在进行PCB布线工作时，两片内存芯片的地址线和数据线必须进行等长设置。

　　(4)超声波测障模块。该模块使用两个超声波换能器，分别完成超声波发送和检测接收的任务。发送模块在设计之初采用反相器74LS04，但在测试过程中发现由于脉冲时间过短，而造成反相器输出波形不够理想。经过多次调试比较，最终采用Philips公司的高速反相器74HC04，其在工作电压VCC为4.5 V时，标准跳变时间可达6 ns，极佳地实现了系统功能。超声波检测接收模块使用CX20106进行信号放大，如图4所示。

　　2 系统软件设计

　　系统软件的设计充分利用了硬件平台提供的资源[2]，实现业务流程的有序运行，是整个系统设计的重要组成部分[3]。软件的设计主要有：(1)建立交叉编译环境。(2)Windows CE 6.0操作系统(包括驱动)的移植。(3)GPS定位与导航程序设计。(4)超声波测障功能设计。

　　2.1 GPS定位与导航模块软件设计

　　GPS定位与导航模块首先要完成用户位置信息的采集、处理与存储。由于GPS采用串行口通信，所以本文在串行口通信的基础上实现了对GPS数据的接收、处理和存储。该模块软件设计的基本思想是：首先接收完整的NMEA0183语句，然后提取相关的数据(如时间、经纬度、速度等)，再将这些数据发送给中央处理器进行下一步操作，并且可以保存以便日后查看[4]。

　　本系统使用Lassen iQ的串口1输出的数据，串口通信流程如图5所示。所获取的NMEA0183语句格式为：$GPRMC，162 206，A，3 955.400 7，N，11 612.0591 E，000.0，000.0 181010 002.5，W*71，表示目前的时间是2010年10月18日16点22分06秒(这是UTC时间，不是本地时间，两者大约相差8小时)，位置是北纬39°55.4007′、东经116°12.0591′，速度为0。

[page]

系统在获取到当前经纬度等信息后，进行坐标转换和地图匹配[5]。本系统结合超图格式(pwr，pmw)的北京市地图数据，调用超图接口函数读取电子地图数据，并对用户选择的目标点和当前点进行路径选择，最终导航信息以文本方式输出到界面，如图6所示。在经过添加TTS(Text to Speech)文语转换系统后，可将导航信息以语音播报的方式播送给盲人用户使用。

　　2.2 超声波测障模块软件设计

　　本模块的主要功能是自动测出用户与最近障碍物的距离，并将该数据传送给中央处理器。在一般条件下，当障碍物与用户之间小于极限安全距离(一般为0.6 m)时，系统会发出警告，提醒用户注意避让。

　　超声波测障软件工作流程如图7所示。S3C6410微处理器通过一个GPIO口的一个反相器来控制超声波的发送，然后不停地检测XEINT0引脚，当XEINT0引脚的电平由高电平变为低电平时，认为超声波已经返回，通过换算超声波所经历的时间，就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

　　本文设计了基于ARM11-Win CE的软硬件平台，系统具有较高的集成度和可扩展性、成本低、功耗低、处理性能高、稳定性好等特点。软硬件系统均考虑到了视障用户的切身需求，针对视障人士的特点进行专门的功能设计，完全支持盲操作，提高了视障人群在日常生活中的便利性，是定位于视障人士独立出行的辅助性器材。