GPS 3D导航设计的稳定性考虑

摘要： 3D地图的出现和推广、更多信息点的地图，使大容量的存储器成为2008年导航产品发展的一个重要方向。大容量存储器的需要还来源于对数据保护的需求。本文通过对比Embedded Raw MLC和Managed Nand两种存储方式，介绍了系统硬件和软件设计对GPS导航设备稳定性的影响。

关键词： GPS；SLC；MLC；3D导航

　　GPS 3D导航地图的出现并非偶然，3D导航比2D显示更多的信息量，通过3D图像来真实地模拟显示现实世界中的街道和交叉路口，驾驶者不仅可以看到详细而逼真的图片、数以百计的数字集成定位点，还能看到整个城市及其周边地区的仿真显示，从而在复杂的路口、陌生的城市更加容易、更加轻松地找到正确方向，更加安全地驶达目的地，使导航更直观，驾驶更方便。因此，3D导航将是未来的导航技术发展方向。
　　
3D导航增加稳定性要求

　　3D地图的出现和推广、更多信息点的地图，使大容量的存储器成为2008年导航产品发展的一个重要方向。大容量存储器的需要还来源于对数据保护的需求。目前很多导航仪的导航软件和地图数据都是存储在SD卡中，如果SD卡丢失则数据就完全丢失；而且用SD卡存储导航
　　软件和地图，对版权的保护也相对有限。因此一些厂商选择将导航软件和地图直接烧录到内置Flash中，确保数据和软件的安全。
　
图1 基于Atlas III的GPS导航硬件系统方案

　　存储器的选择可以影响整个产品的稳定性和可靠性。目前一些处理器集成了MLC(多层单元闪存)控制器，但是我们并不建议直接采用Embedded Raw MLC，而是建议采用Managed NAND，如iNAND，因为Managed MLC是专业存储器厂商将MLC控制器和MLC存储器芯片集成在一起，并进行了大量软硬件优化。通过大量产测试后，才作为一个完整的合格产品提供给客户使用，可靠性有很好的保证，并且读写效能更好(持续读：10MB/s，持续写：9MB/s)，技术成熟度更高。

　　目前GPS导航产品存储器主要有两种SLC(单层单元闪存)和MLC(多层单元闪存)，在可靠性问题上，MLC相比SLC读写效能较差。SLC闪存大约可以反复读写10万次左右，而MLC则大约只能读写5000~10000次左右。这就对MLC驱动的优化程度，测试充分性提出了很高的要求。特别要优化负载平衡率(wear leveling rate)算法，要尽量使不同区块的读写次数相近，从而延长整个MLC的使用寿命。另外处理好对坏块的管理也异常重要。对于音视频播放、导航软件读取地图等需要频繁读写Nand flash的应用，如果MLC的驱动开发失当或测试不全面，就
很有可能导致使用过程中MLC的坏块迅速增多，Flash可用容量快速减少，最终造成数据丢失甚至系统崩溃等严重后果。

　　这样的问题是在消费者使用过程中才逐步发生积累而成的，因此在生产测试阶段是很难被发现的，只能等产品到了消费者手中才会发现这些致命的技术隐患。因此在选择MLC方案时，对可靠性的考量一定要慎之又慎。而在读写速度上，相同条件下，MLC的读写速度要比SLC芯片慢。MLC在读写速度上的瓶颈会拖累整个系统的性能。尤其是对于多媒体播放的应用，如果读取速度过慢可能导致播放不连续，声音画面不同步等问题。对于导航软件，则表现出加载地图用时过长。这些都直接影响了消费者的使用体验。

　　从主流的GPS导航硬件方案来看，目前使用MLC主要有以下两种解决方案：Embedded Raw MLC。在系统中直接使用Raw MLC芯片，通过处理器内置或外挂的MLC控制器来驱动Raw MLC芯片。这样的方案，开发者需要自己整合硬件，优化MLC 驱动器来解决好可靠性和读写速度的问题。优点是成本相较其他方案低；缺点是读写效率需要优化提高(较差情况下，只有2MB/s)，可靠性缺少保证。

　　Managed Nand。Managed Nand是专业存储器厂商将MLC控制器和MLC芯片集成在一起，并进行了大量软硬件优化。通过量产测试后，才作为一个完整的合格产品提供给客户使用。可靠性有很好的保证。代表产品有：Sandisk的iNand和Samsung的MoviNand。优点是高效的读写(iNand持续读：10MB/s，持续写：9MB/s)，技术的成熟度高，易使用。产品的可靠性由专业厂商保证；缺点是成本较Embedded Raw MLC高。

　　尽管一些PND的国际大厂使用的主处理器集成了MLC 控制器，但他们并没有采用直接外挂Embedded Raw MLC的方案。而是选择了Managed Nand。想必这些大厂也是在成本和可靠性之间权衡再三后，最终选择了更为可靠和高效的Managed Nand。毕竟对于任何一个负责任的厂商来说，稳定压倒一切。一个不可靠的产品，即使成本看上去再有优势，也未必能转换成真正的利润。恰恰相反，这可能导致无法挽回的损失。

　　基于同样的理由，远峰国际和SiRF、Sandisk共同合作推出了基于iNand的SiRF AtlasIII平台。其研发的PCBA导航主板，也正是基于此平台而推出的。在这个平台中，使用一个2Mb /4Mb的Nor flash来存放Boot loader和需要经常修改的注册表信息。将OS image和导航软件等数据存放在iNand或直接放在SD Card上。采用这个方案，不但能够提供大容量的内置Flash容量，也避免了采用Embedded Raw MLC而造成的系统可靠性降低的问题。

　　系统的稳定性和可靠性也与系统的硬件和软件设计有很大关系。如果设计较差，则会经常出现死机等现象，严重时甚至会造成系统崩溃，从而影响消费者的使用，出现大批量退货现象。尤其是目前导航产品，大多集成了音频、视频等播放器软件及其它的应用软件，如果某些软件存在BUG，就有可能导致系统性能下降，导航路径计算过慢、地图不能实时更新等问题。
　
图2 远峰多媒体导航产品YFN35C306-17C-3

硬件方案的设计考虑

　　对于GPS导航产品，硬件永远是不容忽视的部分。处理器和存储器的选择、GPS接收器元件的选择、电源管理部分的设计、嵌入式软件的开发等众多环节决定了产品的性能。与其它消费类电子产品略有不同，设计公司在GPS导航产业链中成为突出的一环。专注于导航产品硬件的研发，设计公司为广大的OEM厂商提供了各种完整的解决方案，促进导航产品更加成熟稳定。

　　而作为众多知名GPS导航品牌的方案提供商，远峰国际目前主推SiRF公司的 SoC Atlas III方案，借助于400MHz的ARM926和264MHz DSP的双核处理器，优化的30通道内嵌式GPS基带及高速DDR200或166/133MHz SDR存储控制器，使得基于该平台的各种方案都能够达到出色的GPS定位、跟踪、路经搜索和流畅的图像显示，并可实现同时进行音乐播放。而远峰国际所采用的WINCE 5.0软件平台，及AP3.0等软件工具，使用户可以感受到更加人性化的操作体验。

　　硬件的不断发展提升了GPS导航产品的性能和集成度的提升，也有效低降低了成本，使性价比不断提高，并保证了更好的系统扩充性。例如，CPU主频提高带来的处理能力提高，使更多应用成为可能，如3D导航软件的运行和多媒体播放等。芯片从ARM9到ARM11的升级，工艺从0.18um、0.13um到90nm、65nm，系统性能不断提升，功耗更低且集成度更高。天线技术的发展也促进了GPS导航产品发展。尺寸从原来的25×25×4mm，到目前的13×13×4mm的演变，没有降低GPS信号的灵敏度，反而通过技术的革新，使整个系统的信号灵敏度得到有效提高，大大加快了信号捕捉速度。同时，尺寸的减小也有效提升了系统集成度，使更薄更时尚的外观设计成为可能。

结语

　　GPS导航产品作为消费类电子产品的一种，未来的趋势走向是将更丰富、更高品质的数字内容整合到更多样化的产品中，实现硬件、软件、内容、服务等方面有机连接。尤其是在设计领域将更加注重个性化，因此高清晰度、3D化、高存储空间、多功能、智能化的导航产品成为发展潮流。

参考文献：

1．  王莹, ‘嵌入式OS：关注连接，多种版本共存’，电子产品世界, 2007.8
2．