【毕业学位论文】基于ARM9 的智能公交控制终端设计与实现

目 录 I 目 录 1 绪论 . .题背景 . 1 内外城市交通发展现状 . 1 入式系统发展现状 . 2 入式设备在智能公交领域的应用 . 2 究意义及创新点 . 3 文主要研究内容 . 4 2 嵌入式终端平台构建. . . 5 入式系统构成 . 5 入式芯片类型 . 5 入式操作系统 . 5 入式软件 . 6 载智能终端硬件组成 . 6 能终端硬件总体结构 . 6 能终端工作原理 . 7 能终端各模块功能 . 7 端其它部分 . 10 能终端软件构成 . 11 . 12 . 12 要目录 . . 13 . 14 核编译 . . 14 . 15 件的存储方式 . 16 统的软件启动运行 . 17 章小结 . 17 3 智能控制终端相关技术 . .位技术 . . 18 组成 . . 18 工作原理和定位方式 . 18 特点 . . 19 信技术 . . 19 口应用 . . 19 章小结 . 21 4 嵌入式模块的软件实现 . .1 备驱动结构 . . 22 备驱动功能与分类 . . 22 备驱动工作流程 . . 22 目 录 乘四矩阵键盘原理及软件设计 . 23 脚初始化 . 24 值分析 . 25 盘扫描 . 26 键去抖动 . 26 块软件设计 . . 27 据 . . 27 据解析 . 27 块设计 . . 28 块初始化 . 29 话软件设计 . 29 信软件设计 . 30 网程序设计 . 30 件设计 . . 31 层驱动 . . 31 显示汉字原理 . . 32 字编码 . 32 阵字库结构 . 33 字点阵获取 . 34 字和字符输出 . 34 频软件设计 . 34 系结构分为 3 个组成部分 . 34 频的实现 . 35 章小结 . 36 5 功能验证与应用程序实现 . .能验证应用的总体结构 . 37 5 2 菜单目录的程序设计 . 39 单目录运行要求 . 39 单运作实现方式 . . 40 单运作相关函数 . 41 能验证程序实现 . 41 . 42 线程的优势 . 42 线程的结束 . 43 线程的属性 . 43 过多线程实现多任务同时运行 . 44 现自动报站与手动报站 . 45 动报站基本原理 . 45 动报站基本原理 . 46 离测算 . 47 动报站相关函数实现 . 47 能验证应用程序的配置文件 . 48 目 录 志文件产生 . 49 件的时间 . . 49 间函数编程 . . 49 间的应用程序 . . 50 络数据传输 . . 50 接 络 . . 51 开网络 . 51 据传输 . 51 络函数实现 . . 52 章小结 . 54 6 结论. .谢 . . 56 参考文献 . .录 . . 绪论 1 1 绪论 题背景 内外城市交通发展现状 交通运输是国民经济发展的基础，随着城市人口和汽车保有量的快速增长，交通拥挤问题正越来越严重地困扰着各大城市。政府每年投入大量资金用来修建道路，建设一系列的交通安全设施， 在一定程度上缓解了交通拥挤状况。 但随着交通需求的不断增长，交通系统日益复杂，仅从道路方面考虑，难以有效地解决交通问题。同时在公交日常运营中也日趋明显地暴露出了像超速，超载运营，私自改线等现象。 解决城市交通问题的根本出路，是实现对公交 车规范化和自动化管理。因此设立交通指挥中心，改善道路的交通环境，提高交通的可行性，以提高交通资源的利用效率，确保道路的安全畅通。同时进一步加强公交管理力度，优化公交线网，调整部分公交线路设置，缩短运行周期过长的线路。按市民需求和人口分布特点合理设置线路及站点，调整车辆停靠点过分密集的站台使线路适当分散， 以疏通乘客流量。 调整车辆运行密度，化解高峰时段市民“乘车难”矛盾，为上下班群从在高峰时乘车提供保证。坚持做好车辆车站运行疏导监督。 智能交通系统 出现将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术及计算机处理等技术综合运用于整个交通运输管理体系，通过对交通信息的实时采集、传输和处理，借助各种科技手段和设备，对各种交通情况进行协调和处理，建立起一种实时、准确、高效的综合运输管理体系，从而使交通设施得以充分利用，提高交通效率和安全，最终使交通运输服务和管理智能化，实现交通运输的集约式发展。 现代化交通运输体系的发展趋势，这一新兴产业已成为全球最大产业之一，对未来世界将产生深刻影响。 欧洲许多国家通过实施公交优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，取得了明显的社会经济效益1。 我国智能公共交通发展迅速，一些城市正在着手实施公交“一卡通” ，实现公交电子收费。北京和广州几座大城市已在部分公交线路上建成了公交车辆跟踪调度系统，并安装了电子站牌，车载 位设备，实现了对车辆的实时跟踪和定位，公交车与调度室的双向通讯，在公交车上布置电子眼对公交车实施监控，以及电子站牌上实时显示下班车位置信息等功能。上述功能，使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，节约了劳动力，减轻了劳动负担。同时，提高了车辆运行正点率和服务水平。世界众多1 绪论 2 国家大城市经验表明，一个行程，一张车票，一个价格是一个城市公交系统是否具有吸引力的决定性因素，是在客运市场上吸引客流的关键2。 入式系统发展现状 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统3。 嵌入式系统是继网络技术之后，又一个新的信息技术发展方向。嵌入式系统的发展已经有了近 40 年的历史。从上世纪 70 年代的单片机到如今的嵌入式微处理器。微控制器的大规模应用，嵌入式系统越来越复杂，其功能也越来越强大45。 嵌入式系统的兴起是伴随着单片机的大规模应用。上世纪 70 年代单片机的出现使得大部分现代工业产品通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能。这些产品具有了嵌入式应用性质，不过当时大面积使用的仍是位芯片，只能够执行简单的单线程的程序，还无法完成复杂的有 “系统 ”性质的高级任务。 从 80 年代早期开始，程序员开始用的 “操作系统 ”编写嵌入式应用软件，同时“操作系统”被加入到嵌入式设备中。这时 “嵌入式系统 ”才真正出现了。 “操作系统”的加入使嵌入式系统可以完成实时性，复杂性和专业性更高的任务，同时也提高了嵌入式系统的可靠性，可维护性。 进入 21 世纪，嵌入式系统得到更加快速的发展：微处理器从过去的位发展到现在的 32 位。根据其发展趋势在不久的将来会出 64 位的处理器，其性能将比现在的 以完成更为复杂的任务。另外，微处理器也从过去的单内核开始向多内核发展，其执行多任务能力将得到更大的提高。 总体看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以应用到现有任何信息家电和工业控制系统中。 入式设备在智能公交领域的应用 车载设备安装于公交车上，其工作环境比较恶劣，对设备的结构也有一定的要求。车载设备要求用工作稳定可靠、抗干扰能力强、成本低、体积小、功耗低。嵌入式系统有着广泛的应用领域，在车辆与交通工程中的应用是其中一个重要的方面。将嵌入式设备作为车载终端应用于智能公交系统，使车载终端设备具有更高的智能性、稳定性和扩展性，从而建立起全方位、实时准确、高效的智能交通系统。 在智能公交 系统中，有大量动态交通信息需要与监控中心实现交互。所以采用嵌入式系统采集信息，经通信网络传给监视控 制中心，是一种非常实际有效的解决办法。 系统采用先进的卫星定位技术， 无线通讯技术与语音合成技术相结合的方式，改变了传统公交车语音报站器必须有司机操控 才能工作的落后方式，进站、出站自1 绪论 3 动播报站名及服务用语，准确、及时、不需要人工介入，实现了公交车信息采集传送的完全智能化。提高调度系统的稳定性和工 作效率，减少驾驶员工作量，提高行驶安全性。 在北京通过应用包含嵌入式系统的智能公交系统 ， 乘客可以在站牌上的显示屏了解到下一辆车几分钟后到站、离这站还有多少米、车上是否拥挤等信息。日本建立了机动车信息和通信系统的网络，包括机动车导航系统，还有电子收费系统，可以在不停车的情况下进行实时收费，通过使用这些系统，在收费站出现拥堵的状况已经得到全面的解决。欧洲也制定了智能汽车项目，通过提高交通管理科学智能化，使用更加环保型的交通运输方式来节能减排、减少能耗。 可见在交通管理上，应该提升其智能化，提高科学技术的应用。以科学技术作为社会发展的动力，在交通领域应用更多的高新技术，不仅是方便了老百姓的出行，实际上也是在推广绿色出行的理念上做出了很多的贡献。 究意义及创新点 如何应用现代高新技术，将车辆和道路联系起来系统地解决交通问题，成为智能交通系统的核心思想6。智能交通系统强调的是系统性、实时性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，与原来意义上的交通管理有着本质的区别7。 智能交通系统由智能公交车载终端设备和公交集中管理控制系统两部分组成。本课题的意义在于研究一种车辆数据采集终端，主要完成 标自动采集，自动报站，车载多媒体， 络通信等功能。设计采用高性能 理器及 作系统为核心，结合 多媒体等技术。 智能公交车载终端具有模块化、小型化、功耗低、可靠性高等特点8。采集包括车辆定位信息以及行驶中产生的各类数据报告。将这些实时信息通过网络上传到交通管理系统。公交车辆定位跟踪和客流数据的实时无线传输，能够有效地解决目前公交车辆运营现状，实现公交智能化，提高管理水平，进而建立实时的公交请求，应答及调度一体化系统。车载 位设备，实现了车辆的实时跟踪、定位、公交车调度室的双向通讯。这种智能化的管理，能使管理者及时了解到任一时刻，在任何一条线路上，任何一辆车的各种信息。提高交通的可行性，以提高交通资源利用率，确保道路的安全9。 本论文研究一种基于嵌入式系统的车载智能控制终端，完成 收，自动报站，自动网络数据传输功能。其特点在于与同类产品相比终端硬件构成结构紧凑，成本低。 软件设计开发采用了 断处理，总线技术，多线程等先进技术。实现了软件运行效率高，资源效耗少，稳定可靠。对站点和通信网络配置信息采用配置文件处理，便于后期线路更改时的系统维护，充分发挥了嵌入系统的特点。本研究从软件角度为同类产品的开发提供了参考价值，具有重要意义。 1 绪论 4 文主要研究内容 本论文主要以研究车载智能终端系统软件开发为主，是本人在北京某嵌入式系统开发公司实习期间的主要工作内容。车载智能终端以 操作系统，处理器选用 司生产的 据功能需要外接 块。论文重点研究了 备驱动开发， 络编程， 线程机制应用等。论文研究的具体工作包括以下几个部分： （ 1）基于 4盘， 12864 液晶屏驱动开发。本文着重研究了在基于操作系统环境下的设备驱动程序开发。在对 作系统下驱动程序的组织结构的深入研究的基础上，开发了 4盘和 12864 液晶屏驱动，并对两设备的运行进行了严格有效的测试。 （ 2）基于 作系统的 用程序开发。 实现智能终端功能两个重要模块。两模块都是通过串口进行数据传输控制的。因此本文主要是通过在对 统中串口应用的研究基础上实现两模块的功能。 息量比较大，需要对 据解析提取，才能得到对终端工作有效的信息。 块主要是通过发送令来完成网络连接和信息传输的。 （ 3）基于 作系统的多线程应用。以往单片机运行完成一项任务都是采用单进程。在智能公交控制终端中要同时运行多项任务。所以运用以往的单进程方式即不能体现出操作系统的优越性，运行效果也不理想。因此通过研究，采用 多线程运行方式，即节约系统资源，又能更好的执行终端上各项工作任务，达到了数据运行传输的实时性，有效性。 （ 4）菜单运作机机制和自动报站技术的研究开发。为了提高驾驶员对智能终端的可操作性，便于其对终端的功能选择如同我们操作手机一样快速简便。需要开发一种菜单运作机制， 将所以功能以菜单方式显式在液晶屏上， 并且通过键盘控制进行功能选择。另外即使在投入使用后，如需要增加新的功能项，只需要在特定文件中增加配置项就可完成菜单升级更新功能，提高终端的可维护性。自动报站的研究开发，主要是通过程序设计，实现一种方便有效的自动报站机制。通过算法，提高车辆距离的计算精度，为自动报站提供可靠保证。 （ 5）基于 作系统的网络通信。为将车辆运行的各种实时数据通过 络传送给公交控制中心，应用程序中要采用基于 络通信技术 程。通过程，使应用程序在需要传输车辆运行数据到后台控制中心时，直接调用 2 嵌入式终端平台构建 5 2 嵌入式终端平台构建 入式系统构成 嵌入式系统如同一个小型计算机系统，但是它不具备普通个人电脑的通用性。一个嵌入式系统的设备组成是根据它需要完成的任务来决定的，因此嵌入式系统的设计具有独特性和唯一性。 嵌入式系统由硬件和软件组成。硬件由嵌入式微处理器和外围功能设备构成，软件分为嵌入式操作系统和用户应用程序两部分。它一般由以下三部分组成 : 嵌入式芯片，嵌入式软件，嵌入式操作系统10。 入式芯片类型 常见的嵌入式芯片有四种类型11：嵌入式微处理器（ ，嵌入式微控制器（ ，嵌入式数字信号处理器（ ，嵌入式片上系统（ ，嵌入式可编程片上系统（ 。 嵌入式微控制器（ 典型代表是单片机 (这种位(8根数据线，8 位指令)的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 嵌入式微处理器（ 保存和应用相关的部分，去掉其他的多余部分。这样可以实现低功耗以满足嵌入式系统的要求。目前主要的嵌入式处理器类型有 C、列等。嵌入式微处理器具备以下特点12： （1）实时能力强，可以并行能完成多任 务，同时反应中断迅速。使内部的代码大大简化，同时执行时间大为缩短。 （2）存储区自动保护。由于嵌入式软件 模块化，为了防止在软件模块之间发生误用，从而设计了存储区保护功能。 （3）处理器结构灵活性，可以在短时间内设计出满足应用的高性能微处理器。 （4）功耗低，特别是在移动的嵌入式设备，功耗只允许有 至 W。 根据车载智能终端的任务需求，本文选取嵌入式微处理器（ 为系统硬件构成的核心。经过比较，采用 司生产的以 技术基础的 为 司生产的芯片属于工业控制级，技术成熟，可靠性好。在工业控制领域有很多设计成功案例，对于本文研究有丰富的参考资源。 嵌入式操作系统 操作系统( 一组计算机程序的集合，用来控制计算机的软硬件资源。嵌入式操作系统（ 据嵌入式设备的开发需要，在操作系统2 嵌入式终端平台构建 6 的基础上进行了简化，以适合嵌入式设备在存储设备，资源配置上的需求。工业应用中常见的操作系统有 。 入式软件 在嵌入式系统的开发过程中，通常需要用各用高级程序语言编写基于操作系统环境下运行的程序。包括应用程序，驱动程序等。编写软件用到的高级语言主要有 C/C+，本语言等。通常情况下，用 C 语言开发所占比例较大。 C 语言是一种面向过程的计算机程序设计语言，它有强大的功能，可以用来完成特定的任务。 载智能终端硬件组成 能终端硬件总体结构 图 终端硬件结构图 终端的硬件结构如图 示。 64M 2 个 1 个 4M 256M 128阵 4 支持 16 位 44 样率 频文件 1 10/100块 块 盘 2856电源电路 试用 ） 2 嵌入式终端平台构建 7 能终端工作原理 终端以 核心芯片，通过两个 232 串分别与 块和 块相连， 块负责接收定位信息， 并将接收到的信息传送到 到车辆实时的经纬度，并显示到 幕上。公交司机可以通过键盘对终端的功能进行选择控制。在车辆进站和出站过程中， 自动运行音频芯片播放包含站点信息 件。同时将车辆的到站信息和出站信息通过络发送到后台控制总站13。 网络芯片和 口用于实现在开发阶段 叉编译和终端控制。成品中为实现降低成本，这两部分将被省去。 能终端各模块功能 图 2.2 观 （ 1）处理器是嵌入式系统的核心。车载智能终端的处理器采用 司生产的 基于 控制器。 理器特点为低能耗，低成本，高性能以及兼容 16 位和 32 位指令。 观图如图 示。 首款与基于 微控制器系列产品针脚兼容的产品。基于微控制器系列产品正如基于 控制器一样，拥有相同的编程模型，这使得在基于不同 心的控制器之间可以进行直接移植。 本产品支持决定性的、实时的操作，提供监管功能，与 8 位微控制器相比还获得了第三方的支持。 于 理器，具备 8令以及 8据缓存。在190 钟频率下运行时性能可达 210 产品包含了 8及 32最高处理器或总线速度下可实现单周期访问。该产品还具备外部总线接口，这些外部总线接口中包含了诸多控制器，用于控制 及包括 内的静态存储器。 其广泛的外围设备集包括 速主机和设备接口、10/100 以太网 像传感器接口、多媒体卡接口（ 、同步串行控制器（ 、 /从串行外围设备接口（ 、一个三通道 16 位定时计数器（ 、一个双线接口（ 及四通道 10 位模数转换器。三个 32 位并行输入 /输出控制器让2 嵌入式终端平台构建 8 针脚可以与这些外围设备实现多路复用，从而 减少了设备的针脚数量以及外围设备道，将接口与片上、片外存储器之间的数据吞吐量提升到了最高水平。 有可实现高效系统管理的全功能系统控制器，其中包含了一个复位控制器、关机控制器、时钟管理、高级中断控制器（ 、调试单元（ 、周期间隔定时器、 看门狗定时器以及实时定时器。 符合 准的 217球 装以及 208 针绿色 装两种版本。 （ 2） 同步动态随机存储器，同步是指 作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的 刷新来保证数据不丢失；随 机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。 （ 3） 存是 存的一种，其内部采用非线性宏单元模式。为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。 储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储。因而在业界得到了越来越广泛的应用，如嵌入式产品中包括数码相机、 身听记忆卡、体积小巧的 U 盘等。 （ 4） 司新推出的大容量串行 储器产品，具有体积小、容量大、功耗低和硬件接口简单的特点，非常易于构成微型测量系统。 （ 5） 块，根据通讯媒介的不同， 块通讯方式大致可分为有线和无线两种，无线通讯方式是依靠自由空间来传输电磁波的通讯方式1415。 块主要完成远程无线通信功能， 这样可以将车载终端与调度控制中心连接成无线网络。 在 块。该 块具有紧凑的结构尺寸（封装同西门子 块） ，更为丰富的功能 :支持 00/频；尺寸：量： 5g；正常工作温度： 70；极限工作温度： 75；电源电压： 持 义的通话、短信、数据、补充业务；提供电源接口、 1 路串口、输入输出音频接口各两路等配置。 块外观如图 示。 图 块外观 （ 6） 块完成全球定位坐标，车速，海拨等数据采集，并将数据实时传送到片中。在 块选取上，我们采用了 业模块。 块最多可2 嵌入式终端平台构建 9 同时接收 20 个卫星接收码； C/A 码更新速率； 1间标示； 1 脉波 /秒， 間 +/误差支援通讯协定； 本规格输出及 位元编码晶片内建 200000 个卫星追踪运算器运算程式； 理速度为 49建快闪记忆体 4低追踪信号感度： 寸： 作温度： 70；存放温度： 85；操作湿度： 5% 5%；无压缩条件下工作电压：输出公率 作电流：低于 65无天线 )。 观如图 示。 图 观 （ 7） 语音芯片。 一个完整的立体声数模转换器件，包括数字内插， 5 阶多位数模转换，数字去加重，音量控制，通道混音和模拟滤波。它的这种体系结构具有很好的线性特性，没有过温及时间上的线性漂移，不存在电阻匹配错误造成的失真，对时钟抖动有一定的抗扰性，也不需要太多的外部元件。它支持所有标准的数字音频接口，包括 24 脚的 装，有商业级和汽车级两种。主要用在价格敏感，双通道的音频系统中，包括 放器，机顶盒，数字电视，音乐设备及汽车音频系统等。 观如图 示。 图 观 （ 8） 4阵键盘又称为行列式键盘，它是用 4 条 I/O 线作为行线， 4 条 I/O 线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是 4。这种行列式键盘结构能够有效地提高 的 I/O 口的利用率。 4示。 2 嵌入式终端平台构建 10 图 盘外观 （ 9） 128晶屏。为了方便驾驶员操作，终端设计时要具备友好的显示界面。显示屏采用 64阵 据软件中选取字库大小，可同时显示四排，共 40 个汉字。 12864 是 64阵液晶模块的点阵数简称，该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。液晶屏外观如图 示。 图 2864 液晶屏 （ 10）网络芯片 芯片符合 00议；符合 准；集成 10100发器；可以选 1：1 络变压器；片内滤波器，无需外加滤波器；中继模式和节点模式转换，全工和半工模式转换；含可触发中断的 理接口；简单系统的循环系统检测， 态输出模式；芯片外观如图 示。 图 观 端其它部分 2 嵌入式终端平台构建 11 终端电源部分如图 示，终端前面板如图 示，终端主板如图 示。 图 端电源模块 图 端前面板 图 端主板 能终端软件构成 一般嵌入式系统的软件体系由四个层次构成： （ 1）引导加载程序：其特性如个人电脑中的 要完成系统上电后的主要设备的初始化工作，为操作系统的运行做好环境准备。 2 嵌入式终端平台构建 12 （ 2）操作系统内核：嵌入式系统运行的核心部分，实现系统运行的各种机制。 （ 3）文件系统：建立在 存设备基础上的文件系统和根文件系统。 （ 4）用户程序：特定为完成用户指定功 能的应用程序，这些程序都是基于操作系统提供的接口函数来完成其功能的。 在控制终端中用户应用程序是放在文件系统中 运用的。所以从软件角度看包括 司基于 系列微控制器的第一级引导程序，它是一个有标准组件的程序，因此可以定制一个特定的开发策略。同时 特定的设备基本的静态配置，提供例程，如 。下面是 函数所做的工作16。 可以看出主程序主要有四个功能： 第一， 硬件的初始化； 第二， 将 储设备上加载到 。程序会依次在系统中 存在的存储设备包括寻找 三，将 的 压；第四，设置好 数，并将程序跳转到 地址空间。 /* 第一步 : 硬件的初始化 */ ; /*第二步 : 从 储设备上加载 ( /*第三步 :