（信号与信息处理专业论文）基于arm9的车载彩色液晶仪表显示平台的设计.pdf

哈尔滨下程人学硕十学伶论文 _ i iml_ 摘要 汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，对汽车的 安全与经济行驶起着重要的作用，近年来，随着汽车电子技术的不断发展， 汽车仪表板上显示的信息不断增加，传统的机械指针式汽车组合仪表越来 越无法满足使用的需要，特别是计算机、微电子和各种现场总线通信技术 的广泛应用，以嵌入式微处理器为核心的智能化数字式仪表将是汽车仪表 发展的必然趋势。 车载信息显示平台的建立包含车载信息的采集，嵌入式系统的软硬件设 计，g u i 系统的移植及图形化显示等几个部分。设计中整个系统采用a t m e l 公司的高性能微控制器a t 9 1 s a m 9 2 6 3 作为控制核心。它内部集成的l c d 控制 器模块实现数据在数字液晶屏上的显示，c a n 控制器模块实现c a n 总线信号 的接收，p w m 输出控制完成仪表背光和液晶屏背光的改变等等。电源电路采 用l 4 9 7 3 d c d c 变换芯片，并加入一些抗干扰措施，同时采用高亮度发光二 极管指示仪表信号，用步进电机以便更准确地显示仪表数据，用l c d 作为信 息显示的多功能窗口，用户可通过按键操作翻页查看大量信息。本论文介绍 了汽车c a n 总线通信原理和一些硬件电路设计，如a v 视频解码、f l a s h 存 储、l c d 驱动及显示原理等，软件运用当前流行并且免费内核的i _ t c o s i i 多 任务操作系统编写，提出了汽车组合仪表的基于嵌入式应用系统多任务运行 解决方案。为了实现更好的人机交互，我们选用m i c r i u m 公司开发的通用嵌入 式图形用户界面软件包i t c g u i ，文中详细介绍了p c g u i 在微控制器 a t 9 1 s a m 9 2 6 3 上的移植和实现过程。另外，为方便生产厂家对仪表进行维护 和功能重配置，系统中还有一个p c 机端的配置软件，可以通过r s 2 3 2 接口方 便地与上位机进行通讯。基于a r m 和c a n 总线技术的先进的数字彩色液晶仪 表信息显示系统，使得汽车仪表的功耗、安全性、可靠性、功能扩展性以及 传输线束等方面都得到更好的提高和改善，基本达到了设计的要求。 关键词：c a n 总线；t f t 液晶屏：嵌入式i i c g u i ；汽车数字仪表 a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n s t m m e n ti sa ni m p o r t a n tp o r ta n di n t e r f a c ef o rt h e d r i v e rt o e x c h a n g ei n f o r m a t i o nw i t hv e h i c l e ，i tp l a y e d a l li m p o r t a n tr o l ei nv e h l c i e s s a f e t ya n de c o n o m yd r i v i n g r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fa u t o m o t l v e e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , a u t o m o b i l e d a s h b o a r d d i s p l a y s e v e r - m e r e a s m g i n f o m a t i o n t h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lp o i n t e ra u t o m o t i v ei n s t r u m e n t b e c o m e s m o r e 吼dm o r ed i f f i c u l tt om e e tt h ei n c r e a s i n gn e e dt ou s e ，e s p e c i a l l yc o m p u t e r s ， m i c r o e l e c t r o n i c sa 芏l dav a r i e t yo ff i e l db u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y h a v e w i d e l vu s e d ，e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s a tt h ec o r eo fi n t e l l i g e n td i g i t a l i n s t n l m e n tw i l lb ea ni n e v i t a b l ed e v e l o p p i n gt r e n do f a u t o m o t i v ei n s t r u m e n t 。 0 n b o 矾i n f o r m a t i o nd i s p l a y , p l a t f o r m i n c l u d e st h ee s t a b l i s h m e n t 0 t o n - b o a r di n f o r r n a t i o nc o l l e c t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i 凹，g u is y s t e m st r a n s p l a n t a t i o na n dg r a p h i c a ld i s p l a y ，a n do t h e rp a r t s t h e d e s i 匝o f e n t i r e s y s t e m a d o p t a t m e lc o m p a n y sh i g h 。p e n o n l l a j l c e m i c r o c o n t r o l l e ra t 91s a m 9 2 6 3a s t h ec o n t r o lc o r eo fi n s t r u m e n t i n t e r n a l i n t e g r a t e dl c dc o n t r o l l e r m o d u l er e a l i z ed a t ad i s p l a yo nt h ed i g i t a ll i q u l d c l w s t a ls c r e e n ，c a nc o n t r o l l e rm o d u l e t or e c e i v es i g n a l so fc a nb u s ，p w m o u t d u tc o m p l e t eb a c k l i g h tc h a n g i n g c o n t r o lo fa u t o m o b i l ed a s h b o a r d a n d t f t - l c d a n ds oo n p o w e rc i r c u i ti sd e s i g n e db yl 4 9 7 3 d c - d c c o n v e r s i o n c h i p sa n ds o m ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e sh a v e b e e na d d e d a t t h es a m et i m eu s i n g h i g h b r i g h t n e s sl i g h t e m i t t i n g d i o d et oi n d i c a t ei n s t r u m e n ts i g n a l ，w l t n m i n i a t u r es t e p p e rm o t o r si no r d e rt om o r ea c c u r a t e l yd i s p l a yi n s t r u m e n td a t a ， w i t hl c da sam u l t i f u n c t i o n a lw i n d o wo fi n f o r m a t i o nd i s p l a y , u s e r sc a nl o o k o v e ral a r g e a m o u n to fi n f o r m a t i o nt h r o u g hk e y so p e r a t i o n l h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h ec a nb u sc o m m u n i c a t i o n sp r i n c i p l e o fa u t o m o u v ea n ds o r e e h 莉、r ed e s i g n ，s u c ha sa vd e c o d i n g ，f l a s hm e m o r y , l c d d r i v ea n dd l s p l a y d r i n c i p i l ea n ds oo n t h es o f t w a r ed e s i g nu s i n gc u r r e n tp o p u l a ra n d t r e ec o r e 哈尔滨一1 ：稗人学硕十学位论文 m u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e mg c o s i i ，p u tf o r w a r dam u l t i t a s k i n gr u n n i n g s o l u t i o n sb a s e do nv e h i c l ei n s t r u m e n t s e m b e d d e da p p l i c a t i o n s i no r d e rt o a c h i e v eab e t t e rh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e w es e l e c t e dac o m m o ne m b e d d e d g r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c es o f t w a r ep a c k a g eg c g u id e v e l o p e db ym i c r i u m c o m p a n y 1 1 1 i s p a p e r d e s c r i b e t r a n s p l a n t a t i o n a n dr e a l i z a t i o no fi t o n a t 91s a m 9 2 6 3m i c r o c o n t r o l l e ri nd e t a i l m e a n w h i l e t of a c i l i t a t et h e m a n u f a c t u r e ro ft h ei n s t r u m e n tt oc a r r yo u tm a i n t e n a n c ea n dr e a l l o c a t i o no f f u n c t i o n s ，t h es y s t e ma l s oi n c l u d e sap cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h e yc a ne a s i l y c o m m u n i c a t ew i t hh o s tc o m p u t e rt h r o u g hr s 2 3 2i n t e r f a c e s a r ma n dc a nb u s b a s e da d v a n c e dt f t l c ds c r e e na u t o m o t i v ei n s t r u m e n t a t i o ni n f o r m a t i o n d i s p l a ys y s t e m sm a k i n g i n s t r u m e n t s p o w e r , s e c u r i t y , r e l i a b i l i t y , f u n c t i o n e x p a n s i b i l i t y , a sw e l la st r a n s m i s s i o nw i r i n gh a r n e s sh a v eb e e nb e t t e rt oe n h a n c e a n di m p r o v e ，m o r e o v e at h eb a s i cd e s i g n r e q u i r e m e n t sh a sb e e nr e a c h e d k e yw o r d s ：c a nb u s ；t f t o l c d ；e m b e d d e dl x c g u i ；a u t o m o t i v ed i g i t a l i n s t r u m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：羡留 日期： 加7 r 年月侈口 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证粤业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文呲授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：昊李 日期：炒7 年月乃e l 导师( 签字) 翰鑫嚎 2 。哆年月，多日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 研究目的与意义 第1 章绪论 至今汽车走过了1 0 0 多年的发展历程，汽车仪表也在不断开发和发展之 中。汽车仪表的发展，按其工作原理上取得的重大技术创新来分经过4 代： 第1 代汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，即机械机心表；第 2 代汽车仪表基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信 号加以测量，称之为电气式仪表；第3 代为模拟电路电子式；第4 代为步进 电动机式全数字汽车仪表。目前我国的汽车仪表正在经历由第3 代向第4 代 转型时期n 1 。而国外已普遍采用全数字式汽车仪表，并准备向更高的方向发 展。为了缩短与国外的技术水平差距，有必要对基于嵌入式技术的智能仪表 系统作深入的研究。 汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物，它的发展给汽车行 业带来许多新的生机，也应是世界汽车制造业的发展趋势。随着信息技术的 不断发展，嵌入式系统正在越来越广泛的应用到航空航天、消费类电子、通 信设备等领域。而在嵌入式系统中，l c d 作为人机交互的主要设备之一，又 是显示系统不可缺少的一部分。近年来，随着微处理器性能的不断提高，特 别是a r m 处理器系列的出现，嵌入式系统的功能也变得越来越强大。液晶 显示器由于具有功耗低、外形尺寸小、价格低、驱动电压低等特点以及其优 越的字符和图形的显示功能，已经成为嵌入式系统使用中的首选的输出设备。 随着现代微电子技术的发展，汽车仪表设备向数字化、智能化、网络化、微 型化趋势发展，本课题通过仪表与a r m 9 微处理器融合，用基于c a n 总线 网络的全数字电子器件代替原有的机械机心表、电气式仪表和模拟电路电子 式仪表，把各参数的测量数字化，有利于和汽车其它的电子集中控制系统进 行数据交换，有利于汽车集中控制系统的发展和实现，此外还使得汽车仪表 的功耗、安全性、可靠性、舒适性得到更好的提高。 彩色液晶总线仪表的应用将是未来智能汽车的重要组成部分，也是i t s 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 智能车辆的一个重要分支。该系统以高性能a r m 9 微控制器和t f t 液晶显示 屏取代原有的模拟仪表板，以步进电机取代原有的动圈式机芯，有效避免了 信号物理传递过程中的衰减，大大提高了显示终端的信息精度和可靠性。通 过总线进行信号传输，有利于汽车行驶过程中的优化驾驶，实现汽车信息的 数字化，构成一个基于信息技术的车辆运行管理系统。同时总线仪表通过软 件取代硬件的连接方式有利于节约资源和开发费用，功能扩展比较容易，在 以后的发展中可实现无线故障诊断与检测，监控等功能。数字组合仪表将提 供驾驶员和交通管理者更准确更详细的车辆行驶信息，保障车辆的安全行驶 和维护交通秩序，为社会带来经济效益。总之，数字彩色液晶仪表是未来一 段时间汽车仪表发展的主导技术，也是必然趋势。基于a r m 嵌入式技术的 智能仪表系统 2 1 ，具有小型便携、交互操作性好、传输速率高、兼容性强、 器件可重复使用、可靠性高、功耗低等优点，因此，研究构建基于嵌入式技 术的车载智能仪表信息显示平台，是一项十分有必要的工作。 1 2 彩色液晶仪表的研究现状 随着光学，电子技术的迅速发展，特别是计算机技术在仪表中的广泛应 用，汽车仪表正向数字化和智能化方向发展。从汽车仪表的发展趋势，也可 反映出汽车电子化水平的快速提高。目前我国汽车电子设备的研究开发和生 产能力还相当薄弱，主流的大多数汽车仪表都面临着精度差、故障率高等缺 陷口1 。汽车仪表是汽车控制不可缺少的组成部分，将随我国汽车产量的增长 而同步扩大：目前，中国汽车仪器仪表市场规模约7 亿美元，约占汽车电子 总市场的1 0 2 。我国汽车仪表整体上滞后于整车发展，与国外相比有很大 差距，产品面临更新换代。业内专家表示，我国汽车仪表产品技术水平低、 造型设计单调，产品耐久性和可靠性差，数字化程度低，跟不上整车发展。 虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式仪表，但国内本土企业开发还不具备 技术条件h 】。只有合资或外商独资的企业，如德科、马瑞利、西门子v d o 、 伟世通、博世等以生产数字式仪表为主。 汽车电子化程度越来越高，a b s 、a s r 、安全气囊、发动机电控喷射等 技术不断应用到汽车上。汽车电子控制装置必须迅速、准确地处理各种信息， 2 哈尔滨+ i i 程大学硕十学位论文 并通过汽车仪表显示出来，使驾驶员及时了解并掌握汽车的运行状态，妥善 处理各种情况，这对汽车仪表技术提出更高要求。在国外，汽车仪表作为汽 车驾驶室的主要行驶信息指示装置，其技术性能、外观造型、视觉效果均受 到高度重视，汽车仪表平均配套价格约占整车售价的3 。以德国和日本的 汽车仪表制造企业为技术领先的产品，己由传统的组合仪表板向汽车集成信 息系统方向发展，开发出了代表国外同行业先进水平的多功能全电子显示仪 表、平视显示仪表、汽车导航系统、行车记录仪等高技术产品。 加拿大一家企业最近推出可取代现有汽车液晶显示器的显示系统。该系 统在仪表盘内部设置小型投影机，可以向整个仪表盘投射内容并显示，既可 使画面尺寸大型化，又可在仪表盘之类的曲面上显示。另外，如只需改变投 影图像，就能更改仪表盘的外形，以满足汽车设计的需要。 美国摩托罗拉公司汽车电子部正在开发驾驶员信息系统，该系统的目标 是使汽车仪表板数字化并把反映车辆运行状态的信息显示在仪表板上，通过 声光提示驾驶者。该系统配装g p s 车载台和电子地图后可实现自主导航和定 位，但不能对驾驶员的状态进行监视。 浙江工业大学机电一体化中心的赵国军、计时鸣在汽车黑匣子的研究基 础之上，研制出一种具有汽车黑匣子功能的汽车仪表盘，运行该仪表盘可实 现多种信息显示汽车工况和自诊断，如车速、发动机转速、水温、油压、蓄 电池电压等，并通过控制发光二极管、数码显示器、音响向司机提供直接的 工况和发出各种超限警报等，使行车更加安全、可靠、方便，并通过存储系 统提供事故发生之前的行车工况等，以提供事故分析依据晦1 。 汽车仪表正向“综合信息系统的方向发展，其功能不局限于现在的车 速、里程、发动机转速、油量、水温、方向灯指示，还可能增添一些功能， 比如带e c u 的智能化汽车仪表，能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制 动装置、安全气囊等。时速表、发动机转速表和油量表将被集网络、诊断和 数字显示功能于一体的触摸式液晶屏幕所取代，并通过车载动态信息系统的 “专家智囊团”实现现场诊断、道路自主导航、电子地图、车辆定位动态显 示等功能1 6 】。 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 3 论文的安排 本论文介绍了c a n 总线通信原理和车载仪表信息显示各功能模块硬件 设计，软件运用当前非常流行并且内核免费的多任务操作系统l x c o s i i 和 m i c r i u m 公司图形用户界面软件支持包g c g u i 而编写，提出了车载数字彩色 液晶仪表基于嵌入式应用系统的解决方案。主要研究了嵌入式微处理器及嵌 入式图形用户界面的关键技术，给出了一种基于a r m 9 平台的嵌入式智能仪 表的解决方案。用c a n 总线传输车况数据，并且接受汽车上其它c a n 节点 发出的信息，把相关信息显示在数字彩色液晶屏上，进而有效地节约线束安 装空间，使安全性、可靠性、舒适性和功能扩展性得到极大的提高。为了使 仪表拥有友好的人机交互界面，文章还着重研究了嵌入式i t c g u i 的开发流 程，通过对a c g u i 的配置需求的分析，从系统可裁减性的角度划分功能子 系统及其交互关系，从系统可移植性的角度设计嵌入式g u i 的层次体系结构。 在此基础上研究其开发流程，归纳出基于p c g u i 开发应用程序的一般步骤。 针对嵌入式系统的硬件特点，该彩色液晶仪表系统的整体软件设计采用模块 化方法，由操作系统进行各任务模块的分配和调度，提高了仪表的应用和研 究水平，并降低了设计难度。 各章的内容安排如下： 第1 章为绪论部分，介绍了课题研究的目的、意义以及车载数字彩色液 晶仪表目前的研究发展现状，并给出了主要研究内容和各章内容安排。 第2 章主要对与本系统相关的a r m 嵌入式技术和汽车c a n 总线通信技 术做了简要的概述，并分析它在车载仪表系统应用中的优势。 第3 章详细描述系统的整体设计方案和各功能模块的硬件电路设计实现 细节，包含电源电路、c a n 总线接口电路、a v 视频解码电路及l c d 接口电 路等。 第4 章为系统软件模块设计，包含项目工程编译开发环境n r 4 4 1 a 简 介、图形用户界面g c g u i 软件包在仪表信息显示平台上的移植与实现和p c 机端参数配置软件的介绍。 第5 章介绍系统在软硬件设计中所采用的抗电磁兼容方法。 第6 章对仪表的各界面显示功能进行测试验证，介绍其运行实现情况。 4 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 第2 章a r m 及c a n 总线在汽车仪表上的应用 本文所完成的嵌入式车载仪表信息显示系统设计，采用a t m e l 公司微控 制器a t 9 1 s a m 9 2 6 3 作为整个系统的控制核心j 它集成了a r m 9 2 6 e j sa r m t h u m b 内核，扩展了d s p 指令集矛1 j a z e l l ej a v a 加速器，主时钟频率2 0 0 m h z 时 性能高达2 2 0 m i p s 。控制器局域网c a n 是国际上应用最为广泛的现场总线之 一，它不仅大大减少了车身布线，还具有反应快，可靠性高的特性，是仪表各种 显示数据的来源。在这章中将对a r m 嵌入式微处理器和c a n 总线通信作详细 的介绍。 2 1 嵌入式系统 “嵌入式系统”一般指j i z p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的 设各或器材。它是以应用技术为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁减， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用 计算机系统，主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用 软件系统等组成。嵌入式系统最典型的特点是与入们的日常生活紧密相关， 任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小 到m p 3 、p d a 等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器、车载g i s ，各种 新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。 2 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统与通用计算机系统的本质区别在于系统应用不同，嵌入式系 统是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。与通用计算机系统相比它具有以 下特点： ( 1 ) 嵌入式系统是面向特定的系统。嵌入式系统与通用型系统的最大区别 就在于嵌入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统，因此它通常都具备 低功耗、体积小、集成度高等特点，并且可以满足不同应用的特定需求。 5 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 i_i ii i i ( 2 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须进行高效地设计，量体裁衣、去除冗 余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处 理器的选择更具竞争力。 ( 3 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统，从事嵌入式系统开发的人才也 必须是复合型人才。 ( 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 f l a s h 或r o m 中，而不是存储在磁盘中。 t， ( 5 ) 嵌入式系统开发的软件代码尤其要求高质量、高可靠性，由于嵌入式 设备所处的环境往往是无人职守或条件恶劣的情况下，因此，其代码必须有 更高的要求。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备二次开发能力，即设计完成后用户通常不能对 其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境进行再次开发。 2 1 2a r m 。微处理器简介 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u ，但在工作温度、抗电磁 干扰、可靠性等方面一般都作了各种增强。具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高的优点，芯片中往往包括少量甚至一定容量的存储器，一般还包括 r o m 、r a m 、f l a s h 总线接口、常用设备的控制器、各种外设等器件，从而 极大地减少了构成系统的复杂性【7 】o 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器， 嵌入式微处理器一般具备以下几个特征： 对实时多任务有很强的支持能力，能够处理多任务且具有较短的中断响应 时间。 具有较强的存储区保护功能。 可扩展生长的处理器结构，能快速开发出满足应用的各种性能的嵌入式微 处理器。 功耗很低。 a r m 是英国公司设计开发的通用微处理器体系结构，其主要优势在于 6 哈尔滨：r 稃大学硕十学伊论文 3 2 位r i s c 的设计和高效的指令集。a r m 的设计目标是实现具有微型化、低 功耗、高性能的微处理器。2 0 世纪9 0 年代，在a r m 公司的精心经营下， a r m 步入了世界的舞台。目前在微处理器家族中，a r m 已经在高性能、低 功耗和低价格的嵌入式应用领域确立了市场和技术的领先地位。作为一种体 系结构的微处理器，a r m 微处理器除了具有r i s c 体系结构的典型特征，还 具有以下特点： ( 1 ) 每条数据处理指令都可以控制算术逻辑单元( a l u ) 和移位器，以 使a l u 和移位器获得最大的利用率。 ( 2 ) 自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环。 ( 3 ) 可以同时存取多条指令，以增加数据的吞吐量。 ( 4 ) 所有指令都是条件执行，以增大执行的吞吐量。 以上特点是对r i s c 基本体系结构的增强，使得a r m 处理器可以在高性 能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得很好的平衡。作为一种r i s c 微处理器，a r m 指令集的效率比基于c i s c 指令集的效率要高得多。对于一 些高级语言的编译器来说，a r m 的指令集是比较理想的，而且a r m 汇编器 的编码也非常简单。a r m 指令集的另一个特征是所有的指令都支持条件执 行。高效指令集和简单设计的结合，使a r m 成为一种低功耗、低价位、高 性能的处理器。 a r m 体系结构为满足不同应用领域的各种需求正在稳步地发展。每一次 a r m 体系结构的重大修改，都会添加极为关键的技术。在体系结构做重大修 改的期间，会添加新的性能作为体系结构的变体f 8 j 。a r m 各个版本简要介绍 如下： ( 1 ) v 1 结构：本版本在a r m l 中实现，但没有在商业产品中使用。地址 空间是2 6 位，包含处理乘法指令之外的基本数据处理指令，基于字节、字和 多字读取或写入指令。 ( 2 ) v 2 结构：地址空间也是2 6 位，与v 1 相比增加了下列指令：乘法和 乘加法指令；支持协处理器的指令；对于f i q 模式，提供了额外的两个备份 寄存器。 ( 3 ) v 3 结构：将寻址范围扩展到了3 2 位；增加了2 个指令( m r s 和m s r ) ， 以允许访问新的c p s r 和s p s r 指令；修改了过去用于从异常( e x c e p t i o n ) 7 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 返回的指令的功能。增加了两种处理器模式，以便可能在操作系统代码中有 效的使用数据终止和未定义指令异常终止；现已成为v 4 结构的标准配置。 ( 4 ) v 4 结构：加入了半字存储操作，加载及进行字节和半字带符号扩展 的指令，在t 变量中，加入了一个转换到t h u m b 状态的指令；使用用户模式 寄存器的新的特权处理器模式；v 4 版本还很清楚地指明了哪个指令将会引起 未定义指令异常发生。， ( 5 ) v 5 结构：提升了a r m 和t h u m b 指令的交互工作能力；让非t 变量 同t 变量一样，使用相同的代码生成技术；增加了一个前导零指令，该指令 允许更有效地处理整数除法和中断优先程序；增加了软件断点指令为协处理 器设计者增加了更多可选择指令。 ( 6 ) v 6 结构：此版本是2 0 0 1 年发布的，其主要特点是增加了s i m d 功能 扩展。它适合使用电池供电的高性能便携式设备。这些设备一方面需要处理 器提供高性能，另一方面又需要功耗很低。s i m d 功能扩展为包括音频视频 在内的应用系统提供了优化功能。 以上的名字表明了系统结构上的提升，通常还会在后面附加关键字以表 明体系结构的变体。其中的关键字分别表示为： t ：t h u m b 状态( 1 6 位指令) ； m ：长乘法支持( 3 2 3 2 = 6 4 的乘法或者3 2 * 3 2 + 6 4 = 6 4 乘加运算) ； d ：对调试的支持( d e b u g ) ； i ：嵌入的i c e ( i nc i r c u i te m u l a t i o n ) ； e ：d s p 指令支持； j ：j a v a 指令支持。 a r m 的体系结构还在不断的发展，但这并不是想取代现存的体系结构而 使它们变得多余。新的a r m 核和衍生产品将建立在这些结构之上，同时不 断与制造工艺保持同步。体系结构的发展是由不断涌现的新产品和变化的市 场来推动的。关键的设计约束是显而易见的，功能、性能、速度、功耗、面 积和成本必须与每一种应用的需求相平衡。领先的性能功耗在过去是a r m 成功的基石，在将来的应用中它仍是一个重要衡量标准。 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i - - - - , = i i i i i i i i i i i i 2 2 控制器局域网c a n 随着科学技术的飞速发展，汽车上的电子装置越来越多，从发动机控制 到传动系控制，从行驶、制动、转向系控制到安全保证系统及仪表报警系统， 从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，伎汽车电气系统形成了一个复 杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。若采用传统的系统通信方式，必然 造成庞大的布线系统。c a n ，全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”，即控制器 局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。c a n 最初出现在8 0 年代末 的汽车工业中，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在各车载电子 控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。它是德国b o s c h 公司 在2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制和测试仪器之间的数据交 换而开发的一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。它是一种 多主总线系统，理论上，单元数目是无限的，实际的单元总数受限于延迟时 间或者总线的电气负载。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s 0 11 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 4 氐速应用) 。由于它是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计 规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。 当信号传输距离达到1 0 k m 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输速率， 其最高的通信速率为1 m b i t s ( 此时的距离最长为4 0 r n ) 。c a n 总线具有很高的 实时性能，因此c a n 已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等 领域中得到了广泛应用。c a n 总线具有很强的纠错能力，可在抗高噪声干扰 的环境中使用。另外，硬件的错误检测特性也增强了c a n 的抗电磁干扰能 力。c a n 通讯协议主要描述设备之问的信息传递方式，c a n 层的定义与开 放系统互连模型一致，是基于o s i 的网络层定义的。每一层与另一设备上相 同的那一层通讯，实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过 模型物理层的物理介质互连【9 1 。c a n 的规范主要是采用三层网络的结构：物 理层、数据链路层、应用层。对应物理层的是收发器( t r a n s c e i v e r ) ，主要功能 是位编码解码、位定时及同步等。对应数据链路层的器件是c a n 控制器 ( c o n t r o l l e r ) ，主要功能是数据传输和远程数据请求服务、滤波及过载通知和 恢复管理等。在应用层上主要是用户特殊的应用。 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 l mmmmm l m mn c a n 总线技术的引入，不仅大大简化布线，实现数据共享，提高可靠性， 而且为汽车的智能化提供了无可比拟的拓展空间，是汽车发展的划时代的革 命。现场总线技术将专用的微处理芯片置入传统的测量控制仪表，从而使它 们各自都具有了数字计算和数字通信能力( 这时这些数字化仪表已成为网络 节点) ，并且可以用简单的连接方式，按照公开规范的通信协议把分散在生产 现场的各个数字化仪表以及用于监控的上位计算机连接起来，组成一个各个 节点可以相互沟通信息，共同完成控制任务的网络控制系统，这样的新型系 统就是现场总线控制系统。它既是一种通信开放的网络系统，又是一种分布 式的控制系统，它融合了智能传感器、控制、计算机、数字通信及网络等多 种技术。 下面介绍c a n 总线的特点，具体为以下几点： 1 、采用通讯数据块编码，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活，可 实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式：可将d c s 结构中主机 的常规测试与控制功能分散到各个智能节点，节点控制器把采集到的数据通 过c a n 适配器发送到总线，或者向总线申请数据，主机便从原来繁重的底 层设备监控任务中解放出来，进行更高层次的控制和管理功能，比如故障诊 断、优化协调等。 2 、采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故 障节点的判别及故障节点的自动脱离功能，使系统其它节点的通信不受影响； 同时c a n 具有出错帧自动重发功能，可靠性高。 3 、信号传输用短帧结构( 8 字节) ，实时性好，受干扰的概率低，且具有 极好的检错效果。 4 、不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，c a n 上的节点数最多可达1 1 0 个，增强了系统的灵活性和可扩展性。 5 、采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性， 系统的通用性好。 6 、通讯介质可采用双绞线，无特殊要求：现场布线和安装简单，易于维 护，经济性好。 7 、很远的数据传输距离( 长达1 0 k i n ) ，高速的数据传输速率( 高达 1 m b i t s ) ，可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文，报文不包含源地址或目 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i 宣_ _ i m i i i i 标地址，仅用标志符来指示功能信息和优先级信息。 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价 格低廉等优点，克服了传统的工业总线的缺陷，是工业测控系统通信一种有 效的解决方案。 2 3 本章小结 本章主要介绍了a r m 嵌入式处理器的特点及其应用领域，a r m 处理器 各个系列的特性和优势，以便于我们课题的选择；另外还简要介绍了控制器 局域网c a n 总线的基本概念和显著特点，为后续的设计进行了铺垫。 哈尔滨1 ：稗大学硕十学位论文 第3 章车载仪表信息显示系统硬件设计 3 1 系统总体设计方案 3 1 1 系统的整体构成与设计原则 当代汽车对工况信息的显示要求越来越高，不但要求提供信息量大，显 示直观、清晰、稳定，而且要求响应速度快，显示精度高。本课题根据汽车 电气设备和汽车仪表基本技术条件，同时结合系统的设计思路和方案，提出 了以下设计原则： ( 1 ) 作为驾驶员与车辆进行信息交流的界面要简洁和直接方便，使驾驶员 在不需要分神的情况下能很方便地了解相关信息。 ( 2 ) 系统必须能够及时准确地提供大量的信息，要求显示信息速度快， 部分信号能够实时动态地进行数据更新。 ( 3 ) 必须满足汽车仪表的基本技术条件。在交通现状复杂的情况下，面 对路途颠簸、冰雪、酷暑和高原，保证系统在环境变化方面有较高的可靠性 和稳定性。 ( 4 ) 在电子技术快速发展的时代，预留软硬件后续发展空间，包括g p s 导航定位、维修查询、邮件收发等。防止系统在功能设计变化微小时，而对 设计电路和程序做很大的修改与调整。 ( 5 ) 系统要有良好的经济性与实用性，以市场需求作为产品开发的导向。 界面要满足驾驶舒适性，设计的仪表板在车内部有美化作用。 3 1 2 仪表的总体功能 本课题基于嵌入式系统、c a n 总线网络和现代电子显示技术，提出了在 嵌入式平台上用数字彩色液晶屏图形化显示复杂车载信息的全新设计和实现 方法。仪表作为汽车c a n 总线网络上的一个智能节点，通过c a n b u s 接口 提取车速、发动机转速、燃油量、冷却水温度、汽车档位及其它车况信息等 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学伶论文 i 嗣mimmmm-l 一_ i i i i i i i i i 各种数字量和模拟量，并对收到的数据信息进行分析、显示和保存。以 a t 9 l s a m 9 2 6 3 微处理器为控制主体，对数据进行实时分析处理后，送至液 晶显示控制器，采用图形化动态l c d 显示，并可以通过按键进行交互响应， 既照顾到了驾车人员的习惯，又利用了现代电子技术的优势，使仪表具有多 功能、智能化和高精度的特点。更重要的是，。嵌入式平台使得该系统具有很 好的扩展性，这是与传统仪表的本质区别所在n 引。 处理器a t 9 1 s a m 9 2 6 3 是汽车智能数字仪表板系统控制的核心部分，所 以在控制系统中电路设计既要考虑仪表板的特殊要求，又要充分发挥该处理 器的特点。a t 9 1 s a m 9 2 6 3 u 融合了a r m 9 2 6 e j sa r mt h u m b 处理器、1 2 8 k 的f l a s hr o m 和9 6 k 的s r a m 。其接口电路部分包含了c a n 控制器，l c d 控制器和r s 2 3 2 串行通讯接口等。l c d 控制器支持主动或被动显示、在t f t 模式下每个像素最大可以2 4 b i t ，最大可达1 6 m 色彩，分辨率可达2 0 4 8 * 2 0 4 8 ， 支持虚拟屏幕缓存。在s t n 彩色模式下每个像素最大可以1 6 b i t 。外部总线 接口包括支持同步d r a m ( s d r a m ) 和静态存储器的控制器，并有特殊接 口电路以支持c o m p a c tf l a s h 和n a n df l a s h 。a t 9 1s a m 9 2 6 3 还集成了宽 范围的调试特性，包括j t a g i c e 、一个专用的u a r t 调试通道( d b g u ) 和 嵌入式实时追踪。这使所有应用的调试和开发，特别是严格要求实时性的应 用得以实现。结合汽车仪表的需求，控制系统功能模块如图3 1 所示。它由 c p u 模块、m e m o r y 模块、l c d 接口模块、通讯模块、配置接口模块和电 源模块等电路组成。下面对各个模块进行简要说明： ( 1 ) 液晶、视频显示电路 该部分实现6 5 寸数字t f t 液晶显示驱动和a v 摄像监视的模拟视频显 示的功能。6 5 寸液晶屏选用的是台湾元太( p m ev i e w ) 公司产品 p m