1 GPS車(chē)載導(dǎo)航儀概述

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展車(chē)輛的自主導(dǎo)航和實(shí)時(shí)監(jiān)控越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注，并被廣泛地應(yīng)用到交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面。

TRACK-II型GPS車(chē)載導(dǎo)航儀是我研究所與香港ARCON公司合作研制的最新一代車(chē)載導(dǎo)航儀。它是一種基于GPS技術(shù)并融合電子和通信技術(shù)的集成信息的硬件和軟件平臺(tái)，具有GPS準(zhǔn)確定位、路線(xiàn)最優(yōu)引導(dǎo)、旅行信息查詢(xún)、出行信息查詢(xún)、駕駛員信息查詢(xún)等信息綜合服務(wù)功能。從所完成的功能來(lái)劃分，GPS車(chē)載導(dǎo)航儀可以劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層獲取當(dāng)前車(chē)輛的相關(guān)信息，包括姿態(tài)、位置、方向和時(shí)間等信息，以及與當(dāng)前位置相關(guān)的地理信息數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)鏈路層則在所獲取的原始數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)濾波處理，為應(yīng)用層提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層，GPS車(chē)載導(dǎo)航儀可以與外部數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；應(yīng)用層采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，利用人工智能、模糊控制和專(zhuān)家系統(tǒng)的方法，實(shí)現(xiàn)諸如地圖匹配、最優(yōu)路徑選擇等功能。

該GPS車(chē)載導(dǎo)航儀的物理層是車(chē)載系統(tǒng)信息集成的硬件平臺(tái)，它主要包括具有RISC結(jié)構(gòu)的32位CPU ARM9TDMI、大容量的Flash硬盤(pán)（存放過(guò)程數(shù)據(jù)、電子地圖和各種數(shù)據(jù)庫(kù)信息）和GSM通信模塊。限于篇幅，主要介紹該導(dǎo)航儀中為適應(yīng)數(shù)據(jù)大容量存儲(chǔ)而設(shè)計(jì)的Flash硬盤(pán)的功能和工作原理。

2 Flash硬盤(pán)硬件組成

作為車(chē)載系統(tǒng)信息集成的硬件平臺(tái) GPS車(chē)載導(dǎo)航儀需要快速讀取硬盤(pán)中的地理信息數(shù)據(jù)、查詢(xún)路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)和執(zhí)行路徑選優(yōu)算法等。大容量存儲(chǔ)器因?yàn)橐cCPU進(jìn)行頻繁的通信、進(jìn)行高速協(xié)調(diào)工作，它的可靠程度直接決定了導(dǎo)航儀的可靠性。采用磁原理的普通PC機(jī)硬盤(pán)，抗振動(dòng)能力差、易于損壞，不適于車(chē)載?；谝陨系囊笪覀?cè)O(shè)計(jì)了大容量的Flash硬盤(pán)，作為導(dǎo)航儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

我們?cè)O(shè)計(jì)的Flash硬盤(pán)是一種固態(tài)盤(pán)SSD（Solid State Disk）。它主要包括具有標(biāo)準(zhǔn)IDE接口的DSP控制器MX9691、程序存儲(chǔ)器和16片128Mbit的Flash存儲(chǔ)器芯片。因?yàn)槿坎捎秒娮釉?，它的抗振?dòng)性和平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTTF）均比普通硬盤(pán)高一個(gè)數(shù)量級(jí)（采用Bellcore或Mil-spec方法）。

2.1 硬盤(pán)控制器MX9691簡(jiǎn)介

MX9691L是旺宏公司生產(chǎn)的電子硬盤(pán)專(zhuān)用控制器，為128腳LQFP封具有寬電壓工作范圍？3.3“5V ，可提供標(biāo)準(zhǔn)的PCMCIA和IDE 接口。它的內(nèi)部包括MX93011的DSP內(nèi)核 21MIPS 、1KB的緩沖數(shù)據(jù)區(qū)、PCMCIA/ATA接口、Flash存儲(chǔ)器接口和時(shí)鐘、復(fù)位電路等。用MX9691設(shè)計(jì)的電子硬盤(pán)的擴(kuò)展性好只要選用相應(yīng)的固件可以任意選擇相應(yīng)類(lèi)型和數(shù)目的Flash存儲(chǔ)器并且有很好的兼容性。圖1為其功能框圖。

2.2 Flash存儲(chǔ)器芯片簡(jiǎn)介

采用的Flash 芯片為KM29U128T。它是48腳表面封裝器件，內(nèi)部具有（16M+512K）×8bit的存儲(chǔ)空間，共32768行，528列，其中后備的16列位于512列到527列。它內(nèi)部有一個(gè)528字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器，可以用于頁(yè)讀、頁(yè)編程操作時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換。它可以進(jìn)行528字節(jié)為一頁(yè)的頁(yè)讀和寫(xiě)操作，并可以進(jìn)行以16K為一塊的塊擦除操作。

KM29U128T的突出優(yōu)點(diǎn)在于：命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過(guò)8條I/O線(xiàn)傳輸，尋址單元的地址線(xiàn)不作為芯片的引出腳，24位地址分三次寫(xiě)入地址鎖存器，譯碼后找到相應(yīng)的單元。

3 Flash硬盤(pán)工作原理

Flash硬盤(pán)由具有標(biāo)準(zhǔn)IDE接口的MX9691DSP芯片、程序存儲(chǔ)器MX28F2100T、總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器74F244、74F245和16片16M×8bit的KM29U128T組成。

3.1 原理框圖

Flash硬盤(pán)工作原理框圖如圖2所示。

由工作原理框圖可以看出MX9691可以看作是普通硬盤(pán)中的驅(qū)動(dòng)控制器它是CPU與Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的控制通道。數(shù)據(jù)交換不僅可以采用程序控制方式和中斷控制方式，還可以采用直接存儲(chǔ)器存取方式（DMA）。在DMA方式下，MX9691內(nèi)部的DMA控制器利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以與IDE適配器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)高速交換。因?yàn)椴捎弥芷诟`取技術(shù)（cycle stealing） 使得數(shù)據(jù)傳送工作對(duì)系統(tǒng)總線(xiàn)具有較高的使用 權(quán)。因?yàn)椴捎酶咚俚腗X93011 DSP內(nèi)核（21Mips），進(jìn)行主機(jī)到緩沖區(qū)的突發(fā)數(shù)據(jù)傳送時(shí)速率可以達(dá)到20MB/s。同時(shí)，MX9691還支持PIO模式4（16.6MB/s）和DMA模式2（16.6MB/s）。

3.2 對(duì)Flash存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)時(shí)序

硬盤(pán)控制器在與Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信操作時(shí)，數(shù)據(jù)已被放入內(nèi)存中，MX9691首先把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部高速緩存中，然后通過(guò)識(shí)別接收的指令類(lèi)型和查詢(xún)FAT得到要尋址的Flash存儲(chǔ)器的編號(hào)。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行寫(xiě)操作前，先把要寫(xiě)入的信息依次放到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，經(jīng)過(guò)TW a-ce 的時(shí)間，待數(shù)據(jù)（包括指令、地址和數(shù)據(jù)）穩(wěn)定后，通過(guò)對(duì)要尋址的Flash存儲(chǔ)器編號(hào)的解碼，從端口＃601FH輸出FCE片選信號(hào)選中相應(yīng)的Flash芯片。在WR＃和WRFLASH＃同時(shí)有效時(shí)，數(shù)據(jù)被寫(xiě)入相應(yīng)的Flash存儲(chǔ)單元中。讀操作與此類(lèi)似。Flash存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)序如圖3和圖4所示。

MX28F2100T為程序存貯器，它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)ATA接口經(jīng)編譯的可執(zhí)行文件可以對(duì)它直接在線(xiàn)編程。74F245和74F244為總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，在所選Flash存儲(chǔ)器較多時(shí)可以提高總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力。

采用MX9691作為Flash硬盤(pán)的驅(qū)動(dòng)控制器有很多優(yōu)點(diǎn)。MX9691為旺宏公司生產(chǎn)的專(zhuān)用硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)控制芯片優(yōu)化功能強(qiáng)大沒(méi)有冗余模塊且封裝緊湊便于進(jìn)一步小型化和降低功耗。MX9691與三星公司的Flash存儲(chǔ)芯片兼容性好，不需再增加其它電路，因此可靠性高。旺宏公司對(duì)MX9691有強(qiáng)大的軟件支持，很多固件可以直接購(gòu)買(mǎi)。因?yàn)镸X9691支持在線(xiàn)編程，升級(jí)和維護(hù)非常簡(jiǎn)單。

另外，為用于手持和車(chē)載系統(tǒng)MX9691為低功耗設(shè)計(jì)。它有3種節(jié)電模式idle、standby和sleep。MX9691可以通過(guò)查詢(xún)自己的工作狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)的節(jié)電模式因此功耗很低。該Flash硬盤(pán)已可靠運(yùn)行了半年多，并且與Windows CE的兼容性也較好。它體積小、重量輕、抗震性好，并且功耗很低。隨著快閃技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，大容量的Flash存儲(chǔ)器將被廣泛地應(yīng)用于個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、電子游戲機(jī)、數(shù)字相機(jī)、自動(dòng)化信息及導(dǎo)航系統(tǒng)中。

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