1、嵌入式系统设计实例嵌入式系统设计实例- - GPS导航系统导航系统1.3 嵌入式系统设计过程 1.3.1 需求分析 1. 需求与规格说明 2. 确认需求 3. 简单的需求表格1.3.2 规格说明 1.3.3 体系结构设计 1.3.4 设计硬件构件和软件构件 1.3.5 系统集成 1.3.6 系统测试 小 结嵌入式系统设计实例嵌入式系统设计实例-GPS-GPS车载导航系统车载导航系统一、设计指导一、设计指导1内涵：本内涵：本GPS导航系统所具有的功能：导航系统所具有的功能：（1）导航引导和定位）导航引导和定位（2）地图信息查询和浏览）地图信息查询和浏览（3）语音导航）语音导航（4）通过）通过GP
2、RS在线更新电子地图在线更新电子地图3.3.地图匹配的自主导航算法：地图匹配的自主导航算法：以车辆导航系统为例以车辆导航系统为例,地图匹配就是根据移地图匹配就是根据移动物体的历史轨迹动物体的历史轨迹,参照数据库中存储的道路数参照数据库中存储的道路数2分析：由上述需求来看，该系统首先需要的分析：由上述需求来看，该系统首先需要的搭建一个搭建一个GPS车载导航硬件系统，其次，做一个车载导航硬件系统，其次，做一个以单行数据库为数据基础的，针对导航数据库的以单行数据库为数据基础的，针对导航数据库的操作行为这样的一个软件系统。操作行为这样的一个软件系统。4应用系统体系结构进行设计分析应用系统体系结构进行设
3、计分析 在该应用系统中，软、硬件的分工，是在该应用系统中，软、硬件的分工，是一个系统是否具有生命力的关键，电度测量一个系统是否具有生命力的关键，电度测量正确，则是系统生命力的第一个关键技术问正确，则是系统生命力的第一个关键技术问题。题。下面讨论可供选择的三种方案。下面讨论可供选择的三种方案。（1）采用电压、电流互感器）采用电压、电流互感器 采用电压、电流互感器，经信号调制处理后，形成采用电压、电流互感器，经信号调制处理后，形成一个电压、电流的物理量（一个电压、电流的物理量（05V电压），定时采集这电压），定时采集这两个数值，再用两个数值，再用A/D转换器，将其转换为数字量，即转换器，将其转换为
4、数字量，即di，dv，根据公式：，根据公式：didvdtwdvdip这样，就可以求出电度值。这样，就可以求出电度值。该方法的优点：可省去机械电该方法的优点：可省去机械电度表，降低硬件成本；度表，降低硬件成本；缺点：信号调制处理电路较难缺点：信号调制处理电路较难设计，要做到高可靠性不很容设计，要做到高可靠性不很容易。另外，校表是一个大问题，易。另外，校表是一个大问题，且需电业计量部门批准。在批且需电业计量部门批准。在批量生产中校表是一种较大的工量生产中校表是一种较大的工作量。作量。（2 2）采用反光标记）采用反光标记 在电度表的铝盘上，贴一个反光标记，另设计一在电度表的铝盘上，贴一个反光标记，另
5、设计一个计数电路。每转一圈可使计数器加个计数电路。每转一圈可使计数器加1 1，就是说，将机，就是说，将机械电度表的基准计数用于电子电度表。械电度表的基准计数用于电子电度表。优点：简单可行；优点：简单可行；缺点：作如此改动易影响原表精度。缺点：作如此改动易影响原表精度。（3 3）增加摄像头）增加摄像头 在电度表计数器之前，加一个摄像头，定时取出在电度表计数器之前，加一个摄像头，定时取出计数器图象，经识别软件识别，读取机械表的电度计数器图象，经识别软件识别，读取机械表的电度值。值。 这种方法，软件、硬件成本都较高，但对原系统这种方法，软件、硬件成本都较高，但对原系统损坏较小，且不会改变电表精度。损
6、坏较小，且不会改变电表精度。本例后一阶段的设计基于第三种方案。本例后一阶段的设计基于第三种方案。5 5后期处理后期处理 后期的软件处理，均按上述算法进行。后期的软件处理，均按上述算法进行。6 6参数设置参数设置 在分时计费中，有分时价格表需要设置；在分在分时计费中，有分时价格表需要设置；在分台阶计费中，需将电度台阶计费表输入。台阶计费中，需将电度台阶计费表输入。 参数输入方法：参数输入方法： 可自带键盘及显示器输入，还可在可自带键盘及显示器输入，还可在PCPC机上通过机上通过串行口输入电度表中。前者需较多的硬件电路。而串行口输入电度表中。前者需较多的硬件电路。而后者在使用时不方便。后者在使用时
7、不方便。7 7收费方式收费方式（1 1）预存，当余额接近零值（或某一预定值）时报）预存，当余额接近零值（或某一预定值）时报警。警。（2 2）交费，欠费后要求在规定的时限内交费。）交费，欠费后要求在规定的时限内交费。1ARM7基本系统基本系统 S3C44BOX 32MSDRAM 16MFLASH2串行口串行口3LCD接口接口4摄像机接口（可用摄像机接口（可用USB）5IIC（I2C）卡接口）卡接口(用耒输入经费用耒输入经费)6. I/O引脚二个、仃电控制及喇叭报警引脚二个、仃电控制及喇叭报警二、硬件设计二、硬件设计硬件设计的图示见下页。硬件设计的图示见下页。 图中，基本系统图中，基本系统价格约价
8、格约200元，显示屏元，显示屏约约20元，元，CCD约约20元，元，IC卡约卡约20元，总计硬元，总计硬件价格不超过件价格不超过280元。元。硬件设计示意图硬件设计示意图1初始化软件初始化软件2电度表摄入及分析软件电度表摄入及分析软件3卡输入软件卡输入软件4人、机接口软件人、机接口软件5. 计费软件计费软件三、软件设计三、软件设计嵌入式系统设计题目详解嵌入式系统设计题目详解1.公交车站信息系统公交车站信息系统 题目内涵：设计一个公交车站信息系统，该系题目内涵：设计一个公交车站信息系统，该系统为整个公交信息系统子系统。公交信息系统主要统为整个公交信息系统子系统。公交信息系统主要含有三个子系统：（
9、含有三个子系统：（1）公交车信息子系统：负责）公交车信息子系统：负责将自己的将自己的GPS位置发给公交调度中心子系统；（位置发给公交调度中心子系统；（2）调度中心子系统：收集所属所有车辆的位置信息，调度中心子系统：收集所属所有车辆的位置信息，将其定时发给公交车站信息子系统；（将其定时发给公交车站信息子系统；（3）公交车）公交车站信息子系统：公交车站信息子系统在定时收集到站信息子系统：公交车站信息子系统在定时收集到信息后，显示该类信息。信息后，显示该类信息。 此公交车站信息系统在收集到这些信息后，此公交车站信息系统在收集到这些信息后，应该有一个较好的人机界面系统，可方便操作应该有一个较好的人机界
10、面系统，可方便操作和显示相关信息。和显示相关信息。2.出租车拼车信息系统出租车拼车信息系统 题目内涵：为绿色交通辅助信息系统。绿色交题目内涵：为绿色交通辅助信息系统。绿色交通信息系统就由三部分组成：（通信息系统就由三部分组成：（1）出租车信息）出租车信息系统：定时发送当前时刻车辆所在地、目的地及系统：定时发送当前时刻车辆所在地、目的地及搭乘客人数量；（搭乘客人数量；（2）中心信息系统：收集所有）中心信息系统：收集所有拼车的信息，并加进途经信息；（拼车的信息，并加进途经信息；（3）拼车站信）拼车站信息系统：发出请求出租车人员的号码及目的地车息系统：发出请求出租车人员的号码及目的地车站，中心系统在
11、接收到拼车站信号后，迅速从车站，中心系统在接收到拼车站信号后，迅速从车辆登记处系统中找到合适的车辆，并将信号发给辆登记处系统中找到合适的车辆，并将信号发给出租车及拼车人员，二者都作出相应的显示，拼出租车及拼车人员，二者都作出相应的显示，拼车成功后，撤消这些信息。车成功后，撤消这些信息。3.3.公共服务行业（银行、医院等）公共服务行业（银行、医院等）排队信息系统排队信息系统 题目内涵：公共服务就体现其公正性、公题目内涵：公共服务就体现其公正性、公平性，并能用现代化技术减少等待时间，本题平性，并能用现代化技术减少等待时间，本题目要求设计出一个排队产品，使公共服务便利目要求设计出一个排队产品，使公共
12、服务便利公平。公平。4.4.固话缴费系统固话缴费系统 题目内涵：现代化家庭会涉及到多种缴费题目内涵：现代化家庭会涉及到多种缴费系统，对缴费系统的要求是方便和安全。这系统，对缴费系统的要求是方便和安全。这关系到从银行取款的安全性。因此，在设计关系到从银行取款的安全性。因此，在设计该系统时，从银行取款时，要求加一个指纹该系统时，从银行取款时，要求加一个指纹验证系统，在银行端进行指纹合法性及即时验证系统，在银行端进行指纹合法性及即时性检查；当有效时则可以取款，而且款项只性检查；当有效时则可以取款，而且款项只能进入需缴费的几个固定帐户，并一并进入能进入需缴费的几个固定帐户，并一并进入银行转帐。银行转帐
13、。 5.5.楼宇自动化系统中的家电控制系统楼宇自动化系统中的家电控制系统 题目内涵：现代楼宇中会有许多家用电器，对这题目内涵：现代楼宇中会有许多家用电器，对这些家用电器而言，一般的需求即开和关，特殊的需些家用电器而言，一般的需求即开和关，特殊的需求则为定时开关，或遥控开关。此电器控制系统中，求则为定时开关，或遥控开关。此电器控制系统中，要求完成这两个任务，即定时开关和遥控开关。要求完成这两个任务，即定时开关和遥控开关。 系统设计分为两部分：（系统设计分为两部分：（1）家庭中心控制器：负责）家庭中心控制器：负责对所有电器的控制及状态检测，通过网络上报信息，并从对所有电器的控制及状态检测，通过网络
14、上报信息，并从网络中获取控制信息；（网络中获取控制信息；（2）遥控器：分为本地及远程责任）遥控器：分为本地及远程责任中控制器，前者在本家庭使用，后者一般用手机增值服务。中控制器，前者在本家庭使用，后者一般用手机增值服务。在无线网复盖的范围内均可进行。在无线网复盖的范围内均可进行。 这里，每一个子系统都可成为一个独立的子题，这里，每一个子系统都可成为一个独立的子题，如：中心控制器设计，遥控器设计，家用控制器设计。如：中心控制器设计，遥控器设计，家用控制器设计。6.6.楼宇自动化系统中的家庭安全楼宇自动化系统中的家庭安全保护系统保护系统 该安全系统有两大功能：（该安全系统有两大功能：（1）家中有人
15、）家中有人时，可检测到有人入侵，可手动报警，时，可检测到有人入侵，可手动报警，并记录下罪犯特征；（并记录下罪犯特征；（2）家中无人时，有人）家中无人时，有人入侵，可自动报警，并可记录下入侵全过入侵，可自动报警，并可记录下入侵全过程。程。 上述工作可分为两个子题，也可上述工作可分为两个子题，也可在一个题目中完成。在一个题目中完成。7.教室节电系统教室节电系统 题目内涵：教室中，经常有下列现象：可题目内涵：教室中，经常有下列现象：可能只有一两个人，或没有人时，也开着多盏能只有一两个人，或没有人时，也开着多盏灯，这显然不符合低碳生活的要求。本系统灯，这显然不符合低碳生活的要求。本系统要求作到：（要求
16、作到：（1）无人不开灯，或只开一盏）无人不开灯，或只开一盏夜灯；（夜灯；（2）人少少开灯，人多多开灯。）人少少开灯，人多多开灯。 题目要求应用摄像技术来分析教室中的人题目要求应用摄像技术来分析教室中的人数多少和所在位置，开相应的少数灯，并在人数多少和所在位置，开相应的少数灯，并在人走后自动关灯，以达到节电目的。走后自动关灯，以达到节电目的。8.饭店点菜系统饭店点菜系统 题目内涵：对现有点菜系统加以改进，题目内涵：对现有点菜系统加以改进，其改进点体现在：其改进点体现在： （1）顾客自己点菜，）顾客自己点菜，饭店服务员不必参与；（饭店服务员不必参与；（2）增加菜单的）增加菜单的视频信息；（视频信息
17、；（3）增加操作功能，如预点）增加操作功能，如预点菜（不确认）和预算帐等，使操作更方便。菜（不确认）和预算帐等，使操作更方便。9.智能导游系统智能导游系统 题目内涵：使导游系统显示一导游图，题目内涵：使导游系统显示一导游图，并记录行走路线，显示之，再增加报警及并记录行走路线，显示之，再增加报警及景色介绍功能，每到一个景点，会自动加景色介绍功能，每到一个景点，会自动加以介绍，同时具有交互功能，即可点击服以介绍，同时具有交互功能，即可点击服务点，如厕所、小卖部等，自动显示出行务点，如厕所、小卖部等，自动显示出行走路线，并有语音提示。走路线，并有语音提示。10.10.电子钱包电子钱包 该钱包有以下功
18、能：（该钱包有以下功能：（1）在按指纹后，可）在按指纹后，可以从银行的相关帐户中往电子钱包中存款；以从银行的相关帐户中往电子钱包中存款；（2）通过）通过USB接口与其它钱包连接时，可存接口与其它钱包连接时，可存取款，并显示之；（取款，并显示之；（3）外接到）外接到POS机时，可机时，可取出钱包中的款，并可取出纸币；（取出钱包中的款，并可取出纸币；（4）所有）所有交易可接入银行网络上结算。交易可接入银行网络上结算。 总之，此电子钱包可完全取代钱包的作总之，此电子钱包可完全取代钱包的作用，方便交易，且安全可靠。用，方便交易，且安全可靠。11.11.智能下载器智能下载器 题目内涵：有一操作界面，可从
19、网站上题目内涵：有一操作界面，可从网站上下载影视节目，并存入自己的存贮器（硬下载影视节目，并存入自己的存贮器（硬盘）中，同时对硬盘有相应的操作功能盘）中，同时对硬盘有相应的操作功能,其其方便在于可如夜间无人值守时下载。方便在于可如夜间无人值守时下载。12.12.太阳能热水器自动朝阳太阳能热水器自动朝阳跟踪系统跟踪系统 题目内涵：为了得到更多的能量，太阳能题目内涵：为了得到更多的能量，太阳能热水器应时刻面向太阳，有两个方向需要调热水器应时刻面向太阳，有两个方向需要调整：（整：（1）水平上）水平上180度的旋转；（度的旋转；（2）垂直）垂直方向上，仰角的变化跟踪所处纬度调整。本方向上，仰角的变化跟
20、踪所处纬度调整。本系统可以是开环系统，也可是闭环系统。当系统可以是开环系统，也可是闭环系统。当为开环系统时，水平角度是时间的函数，垂为开环系统时，水平角度是时间的函数，垂直角度取决于该点纬度；闭环系统时，可用直角度取决于该点纬度；闭环系统时，可用一个聚焦镜驱动两个方向的旋转，以达到获一个聚焦镜驱动两个方向的旋转，以达到获取最大能量的目的。取最大能量的目的。13.13.车牌的智能识别车牌的智能识别 在交通系统中，对行进中车牌的识别是许在交通系统中，对行进中车牌的识别是许多交通控制问题的基础研究。多交通控制问题的基础研究。 用摄像系统采集车牌数据，关键在于从一辆用摄像系统采集车牌数据，关键在于从一
21、辆车的多方面视频信息中截取车牌信息，并进一步车的多方面视频信息中截取车牌信息，并进一步识别车牌，同时对反识别技术给出相应措施。识别车牌，同时对反识别技术给出相应措施。14.GPS14.GPS导航系统导航系统 由两个子系统组成：（由两个子系统组成：（1）地理信息系统；）地理信息系统；（2）GPS数据采集系统。在此两项技术上数据采集系统。在此两项技术上加入导航算法。加入导航算法。15.15.计算机辅助教学系统中的计算机辅助教学系统中的操作控制系操作控制系统统 题目内涵：先了解题目内涵：先了解CAI系统的功能，再系统的功能，再对这些功能进行控制，这里，一个界面系对这些功能进行控制，这里，一个界面系统
22、是十分重要的。统是十分重要的。16.16.高速公路不停车收费系统高速公路不停车收费系统 题目内涵：收费系统与车内信息系统题目内涵：收费系统与车内信息系统用无线通信，车内信息系统在收到收费用无线通信，车内信息系统在收到收费信息后，马上应答，并报告现有余额；信息后，马上应答，并报告现有余额；对无反应的车辆即认为是非自动收费系对无反应的车辆即认为是非自动收费系统车辆，提前统车辆，提前50米予以警告，有反应时米予以警告，有反应时则对其扣款，将扣款信息交由后台管理则对其扣款，将扣款信息交由后台管理系统验证。系统验证。17.按等待车辆数量进行红绿灯按等待车辆数量进行红绿灯控制的交通管理系统控制的交通管理系统 题目内涵：当前红绿灯管理系统均按时间进题目内涵：当前红绿灯管理系统均按时间进行控制，不利于加大车流量。本系统可在两个行控制，不利于加大车流量。本系统可在两个方向上检测到等待车辆的数量，而给出较为合方向上检测到等待车辆的数量，而给出较为合理的红绿灯时间。理的红绿灯时间。18.18.门禁系统门禁系统 用指纹或语言识别来进行门禁系统设用指纹或语言识别来进行门禁系统设计，要求：识别时间不超过计，要求：识别时间不超过3秒。秒。
