多接口集成的移动计算系统及其在野外条件下的应用

陈剑赟，杨孝宗，赵新昱，左德承

(1. 北京图形研究所 北京 朝阳区 100029; 2. 哈尔滨工业大学计算机学院 哈尔滨 150001)

多接口集成的移动计算系统及其在野外条件下的应用

陈剑赟1,2，杨孝宗2，赵新昱1，左德承1,2

(1. 北京图形研究所 北京 朝阳区 100029; 2. 哈尔滨工业大学计算机学院 哈尔滨 150001)

研究通用传感器接口、多途径信息传输接口集成的手持式移动计算系统。从系统组成、工作流程、技术体系3个方面阐述了多接口集成的移动计算系统的体系结构，具体介绍了系统软硬件实现，简述了系统在野外条件下的应用。

移动计算系统; 多接口集成; 野外

移动计算系统是以移动为主要应用环境的计算机系统，它除具有一般计算机的功能外，还便于携带，易于操作，具有网络和其他设备的连接能力。本文旨在研究通用传感器接口、多途径信息传输接口集成的手持式移动计算系统，以提高用户信息采集、处理设备、通信设备集成互联水平。

本文阐述了多接口集成的移动计算系统的体系结构，介绍了系统的软硬件实现，并给出系统在野外条件下的应用。

1 多接口集成移动计算系统体系结构

1.1 系统组成

多接口集成的手持式移动计算系统是一个采用开放结构、由硬件设备和系统软件组成的集成系统，可以分为主机分系统、人机交互分系统、环境感知分系统、软件分系统、通信分系统、电源分系统、结构分系统等7个部分，如图1所示。

在图1中，主机分系统完成系统核心处理工作，由核心计算模块和接口层两部分组成。核心计算模块是从硬件电路部分分离出来的计算机核心单元，主要包括处理器、SDRAM、FLASH等。接口层是个人移动计算系统的专用电路部分，包括串行通信接口、USB接口、以太网接口、AV接口、输入输出接口等功能单元，实现与外部设备之间的互连。

图1 多接口集成的移动计算系统组成

人机交互分系统包括功能按键、触摸屏、液晶屏等设备，负责系统与用户之间的信息沟通。液晶屏用来对信息进行显示，是系统的主要输出方式。触摸屏是一种主要的输入方式，与液晶屏安装固定在一起。功能按键作为快捷键使用，用来对信息进行操作。人机交互分系统采用机动、灵活的方式实现自然的、“人机合一”的信息交互方式。

软件分系统包括基础支撑软件、系统支撑软件和应用软件3个层次。基础支撑软件主要包括嵌入式操作系统。系统支撑软件为上层的具体应用提供底层支撑，具有嵌入式地理信息系统、系统资源管理等功能。应用软件负责向用户提供可视化信息界面和信息处理等。

通信分系统根据实际需求中通信距离、传输速率和实时接通性等方面的要求，选择不同的传输方式。由于系统处在移动环境中，需选用无线通信方式，包括蓝牙、无线网络、CDMA/GPRS、空中或卫星中继终端等。

移动计算系统要求整机重量轻、电磁兼容性好、有较高的承载能力；结构分系统主要考虑壳体的设计以及加固措施等。电源分系统由高能电池组和充电系统构成，采用软硬件相结合的低功耗设计及优化技术。环境感知分系统包括信息采集设备。

1.2 系统工作流程

在多接口移动计算系统的前端，通过接口实现系统设备之间的互联，通过交互手段和对 I/O的操作，实现对外部信息的采集，信息经过处理后存储在嵌入式数据库里。在系统后端，根据不同的无线网络连接方式，采用不同的网络通信接口，对信息进行传输，如图2所示。

图2 系统工作流程

系统按照功能可以划分为3个方面的流程：首先是信息输入流程，其次是信息处理存储流程，最后是信息分发流程。通过一体化传感设备接口集成技术，信息输入实时从各个传感设备获取视频、音频、图片、距离、位置等信息，并把这些信息传送到软件分系统的信息汇集模块进行处理。信息汇集之后，信息处理流程对这些汇集后的信息进行处理。系统按照信息的大小、类别、重要程度并结合各种通信手段状态对信息进行分类，通过网络传输分发。不同距离、类型的信息，通过不同的通信手段进行分发。最近距离通过蓝牙传输，百米范围内信息互通可通过无线网络，远距离可使用CDMA/GPRS模块传递信息。另外，还可以通过以太网或串口等多种方式接入空中或卫星中继等。

1.3 系统技术体系结构

多接口集成的手持式移动计算系统从软硬件层次结构来看，系统由外到内、由下到上包括了外部设备层、硬件支撑层、基础支撑软件层、系统支撑软件层和应用软件层，如图3所示。

图3 多接口集成的移动计算系统技术体系结构

外部设备层包括定位、摄影摄像等环境感知设备，以及无线网络、CDMA/GPRS模块等通信设备和功能按键、触摸屏、液晶屏等输入输出设备。环境感知设备实现信息的感知；通信设备实现信息互通、信息传输、信息分发等功能；输入输出设备实现信息录入、信息显示等功能。采用多接口集成及模块化设计思想实现外部设备的接入。

硬件支撑平台由微小型、多端口、低功耗、嵌入式的移动计算平台和用以提供外部设备的功能接口组成。移动计算平台完成多传感器协同工作，实现终端计算资源的合理分配与高效共享，提高系统的实用性。功能接口实现系统与外部设备之间的无缝连接。

基础支撑软件包括嵌入式操作系统和硬件接口设备的驱动。通过对操作系统裁减、硬件平台 BSP定制等实现系统软硬件平台的有机结合，接口驱动程序采用模块化形式，向上为用户层的函数控制系统硬件。

系统支撑软件为上层的具体应用提供底层支撑：通过数据库管理实现信息的高效存储、灵活查询及情报关联等，提高系统使用的方便性和实用性；通信协议通过自适应通信控制与适配技术，实现情报的透明传输；通过系统优化管理软件对电源进行低功耗设计，高效管理电源，提升系统性能。

系统的最上层为应用软件层，包括多媒体处理、通信处理、信息管理等模块。系统结合嵌入式 GIS软件，完成信息的融合，形成有价值的信息。最后经由通信管理模块实现信息的分发应用。

2 多接口集成移动计算系统硬件和软件实现

多接口集成移动计算系统采用基于核心模块(SoM)的架构，如图4所示。

图4 系统基于核心模块(SoM)的架构

基于处理器和功能模块相融合的电路设计，一旦系统不能正常工作，很难区分是处理器电路还是其他功能模块的问题，给电路的调试、维修带来极大的不便。基于核心模块的架构，将处理器为核心的模块做成一个可以随时更换的通用模块，方便与其他功能模块相连接，既便于设计又便于更换维修，提高工作效率、并节省资金投入。在实际应用中，使用所有功能的场合并不多，从而造成资源的浪费。为此，本文将处理器、Flash、SDRAM、电源电路集成为一个核心通用模块，数据、地址总线、空闲的 I/O和其他的外围接口信号做成标准的接口插座用于与功能模块连接。该设计的优点为：(1) 在核心模块板设计中，将高频的PCB设计封装进去，使系统更加稳定和可靠。(2) 为系统开发提供便利，缩短开发周期。通过堆叠结构设计，有利于小组内部分工合作。(3) 便于排查故障。在系统出现故障时，采用“通用板卡+扩展板卡”设计的模块，能快速排除和查找故障原因，提高工作效率并节省资金投入。(4) 为系统升级提供便利。如果以后需要采用更高主频或更大容量的内存时，可以通过更换核心板来实现。

对于处理器，本文选择PXA300进行方案设计。Marvell公司于2006年11月29日推出基于第三代Intel XScale技术的应用处理器——PXA3xx系列。该系列处理器运用了智能功耗管理技术，频率速度范围为624～860 MHz。与英特尔前一代PXA27x系列相比，新组件功耗降低 60%；PXA3xx系列兼容ARM 架构，已有的 ARM 程序可以很快地导入PXA3xx设备，能够满足该系统的要求。

对于嵌入式操作系统的选择，由于Windows CE是一个可定制的32位、多任务、多线程的嵌入式操作系统，支持多种处理器架构，并支持WiFi、USB 2.0等新型设备，占用资源少、易于移植，具有模块化结构。基于上述特点，本文选用Windows CE作为移动计算系统运行平台。经过试用，对于嵌入式地理信息系统，本文在 eSuperMap平台上以eMbedded Visual C++为开发工具进行嵌入式地理信息系统的二次开发。

传统的多途径传输方式是用户想发送信息时，选择一种通信途径进行发送。如果该通信途径发送失败，用户可选择另一种发送方式，直到传输成功为止，如图5所示。

图5 传统的多途径信息传输流程图

在整个信息过程中，用户起了很大的作用。如果用户忙，就会耽误信息的传输效率。这种信息传输的方式就是需要用户的参与。本文采用多途径自适应的信息传输，由于信息传输不需要用户干涉，在系统运行之前，必须进行一定的初始化工作。初始化设置包括两个方面：(1) 系统设置不同类型的信息对应不同的传输途径。(2) 系统设置不同传输途径的优先级别。系统将信息分为重要信息和一般信息两个文件夹，一个文件夹实际对应一个队列数据结构。信息传送到移动终端以后，系统经过处理把这些信息分类，并按照初始化的设置，把信息传送到相应的文件夹。系统会首先查看重要信息文件夹，如果重要信息文件夹有文件，系统优先传递该文件夹中的信息。只有该文件夹没有信息传输了，系统才会去处理一般信息文件夹的信息，开始传输一般信息。在传输一般信息的过程中，如果有重要的信息需要传递，则系统会停止一般信息的传递工作，去传递重要信息。等重要信息传输结束后，再去处理一般信息，详细流程如图6所示。

图6 多途径自适应传输的信息流程图

在传输各个文件夹中的信息时，按照时间的先后顺序和预先自定义的传输途径进行传输。如果预先自定义好的传输途径忙或者不可达，则按照优先级顺序利用其他传输途径传输。当然，用户可以修改初始设置的值。

3 多接口集成的移动计算系统在野外条件下的应用

多接口集成的移动计算系统主要用于车载和徒步机动的地面人员。根据各系统应用和实现情况，移动计算系统为各类用户提供各种信息采集、处理和传输，以及多种接口。

移动计算系统在野外条件下的发展趋于小型化、模块化和组合化。多接口集成的移动计算系统适应这一发展趋势，重点面向通用接口进行研究和开发，提高互通互联能力和计算机处理能力。加强应用软件开发，符合信息处理特点和需求。发展多途径自适应信息传输，车载和徒步机动的用户接收数据以后，自动按照系统的初始化设置选择信息传输的途径进行传输，用户可以不进行操作，即使操作也非常简便，由此节省了传输的时间。多接口集成的移动计算系统大大提高了系统可靠性、抗干扰性和功能重组的灵活性，体积小、重量轻，利于野外条件下的机动和维护。

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Study on the Mobile Computing System of Multi-Interface Integration and Its Application under Field Conditions

CHEN Jian-yun1,2, YANG Xiao-zong2, ZHAO Xin-yu1, and ZUO De-cheng1,2

(1. Beijing Institute of Graphic Chaoyang Beijing 100029;
2. School of Computer Science and Technology, Harbin Institute of Technology Harbin 150001)

The design and implement of a handheld mobile computing system are presented, which integrates interfaces of universal Sensor and multi-channel information transmission. The components, workflow and key-technology of the system are described. The system hardware and software are explained in detail. The application of the system under field conditions is introduced.

mobile computing system; multi-interface integration; under field conditions

TP918.91

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.z1.002

2009 − 11 − 15

陈剑赟(1977 − )，女，博士，主要从事移动计算方面的研究.

编 辑 黄 莘