（机械电子工程专业论文）基于minigui的总线式车用虚拟仪表设计.pdf

两华大学硕十学位论文 基于m i n i g u l 的总线式车用虚拟仪表设计 机械电子工程 研究生尹玉梅指导教师刘建新教授 随着嵌入式系统的日益发展、a r m 处理器以及图形显示设备的广泛应用， 特别是在人机交互的应用场合，嵌入式产品应用相当广泛。因此，在汽车上采 用液晶显示、软件编程的方法，实现切换显示汽车各种功能状态，是今后车用 仪表的发展趋势和潮流。 本课题致力于全数字式汽车仪表系统的设计和开发研究。主要阐述了该嵌 入式系统平台的构建思想和实现方法，实现了在嵌入式l i n u x 操作系统下、a r m 微处理器为主构成的平台上用液晶显示器图形化显示复杂的车载信息的方法。 为了方便非专业用户的使用，采用m i n i g u i 为嵌入式g u i 。m i n i g u i 为应用程 序定义了一组轻量级的窗口和图形设备接口，利用这些接口，每个应用程序可 以建立多个主窗口，然后在这些主窗口中创建按钮、编辑框等控件。 本课题借助于嵌入式系统硬件及操作系统的支持，将各种各样与车辆和驾 驶有关的工况信息的界面，都集成在一个显示界面终端上。对于显示内容较多 的情形，再通过软件接口和各种处理软件连接，采用视频切换技术在l c d 液晶 屏幕上切换显示不同的内容，通过按键进行屏幕切换。最后，本课题给出了在 测试系统下采用c a n 总线接口提取车速、发动机转速、机油压力、油量、水温、 传动箱压力及其它车况等信息，实验表明采用虚拟仪表技术完全能够满足车辆 运行参数和状态显示的要求，可扩充性好，配置方便。 关键词：a r m ，l i n u x 操作系统，m i n i g u i ，c a n 总线，虚拟仪表 两华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd e s i g no fv i r t u a lv e h i c l ed a s h b o a r d b a s e do nm i n i g u la n df i e l db u s m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：y my u m e i s u p e r v i s o r ：p r o l i uj i a n x i n w i t ht h e i n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m s ，a r mp r o c e s s o ra n d g r a p h i c sd i s p l a yd e v i c e sh a v eb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l y , e s p e c i a l l yi nt h e e n v i r o n m e n to fh u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o na p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，a d o p t i n gt h e m e t h o do fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) w i t hs o f t w a r ep r o g r a m m i n gi nv e h i c l e st o a c h i e v et h ef u n c t i o no fa u t os w i t c h i n go f d i s p l a y i n gav a r i e t yo ff u n c t i o n a ls t a t u sw i l l b et h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n da n df a s h i o no fv e h i c l ei n s t r u m e n t a t i o n t h i sa r t i c l ei sc o m m i t t e dt oa l l - d i g i t a li n s t r u m e n t a t i o ns y s t e mf o rc a rd e s i g na n d d e v e l o p m e n tr e s e a r c h ，m a i n l ye x p l a i n st h eb u i l d i n ga n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f t h ee m b e d d e ds y s t e m sp l a t f o r m , a n dr e a l i z e dt h em e a n so fg r a p h i c a l l yd i s p l a y i n g c o m p l e xa u t o m o t i v e i n f o r m a t i o ni nt h ee n v i r o n m e n to ft h ee m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma n da r mm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp l a t f o r mw i t hal i q u i dc r y s t a l d i s p l a y i no r d e rt of a c i l i t a t et h eu s eo fn o n - p r o f e s s i o n a lu s e r s ，m i n i g u ii sa d o p t e d a st h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ei nt h es y s t e m as e to fl i g h t w e i g h tw i n d o wa n d g r a p h i c sd e v i c ei n t e r f a c ei sd e f i n e df o rt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m eb ym i n i g u i ，b y u s i n gt h e s ei n t e r f a c e s ，e a c ha p p l i c a t i o nc a nc r e a t ean u m b e ro ft h em a i nw i n d o w , a n d t h e nc o n t r o ls u c ha sb u t t o na n dt e x t b o xc a nb ec r e a t e di nt h em a i nw i n d o w w i t ht h ea i d e ds u p p o r t i n go ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r ea n do p e r a t i n g s y s t e m , a l lk i n d so fi n f o r m a t i o ni n t e r f a c e sr e l e v a n tt o t h ev e h i c l ea n dd r i v i n g c o n d i t i o na r ei n t e g r a t e dt oad i s p l a yi n t e r f a c et e r m i n a li nt h es y s t e m f o rm o r e d i s p l a yc a s e s ，w ec a n u s ev i d e os w i t c h i n gt e c h n o l o g yt o s w i t c h d i s p l a y i n go f d i f f e r e n tc o n t e n ti nt h el c ds c r e e nt h r o u g ht h es o f t w a r ei n t e r f a c ea n dav a r i e t yo f p r o c e s s i n gs o f t w a r ec o n n e c t i n g ，a n ds w i t c h i n gf u n c t i o nw i l lb ea c c o m p l i s h e db yt h e 1 i i 两华大学硕士学位论文 b u u o n f i n a l l y , as i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sg i v e ni nt h ea r t i c l ew h i c ha d o p t e dc a n b u si n t e r f a c et ot r a n s m i tv e h i c l es p e e d ，e n g i n er o t a t i o n a ls p e e d ，o i lp r e s s u r e ，o i l a m o u n t ，w a t e rt e m p e r a t u r e ，w h e e lb o xp r e s s u r ea n do t h e rs t a t u so fv e h i c l e s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o v i d e dv i r t u a ld a s h b o a r dm e e t st h en e e do f v e h i c l ew o r k i n gp a r a m e t e r sa n ds t a t u sd i s p l a y , a n dc o u l db ee x t e n d e da n dc o n f i g u r e d e a s i l y k e y w a o r d s ：a r m ，l i n u xo p e r a t i o n ，m i n i g u i ，c a nb u s ，v i r t u a ld a s h b o a r d 两华大学硕+ 学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 需篓f 导师签名：豺庸弘 、- 、7 记o 勿 年年 1 1 f 西华大学硕士学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密影适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：尹至掏 日别o l i n ：沙叩t r 阳 嚣师躲科婶 醐。7 斗 5 9 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 汽车仪表发展概述 相关数据显示，中国汽车产量将从2 0 0 6 年的年产5 0 0 万辆增长到2 0 1 0 年 的年产1 0 0 0 万辆，2 0 1 0 年中国汽车电子产品市场规模将达到近2 0 0 0 亿元。可 以预见在未来几年内，汽车电子市场蕴含着巨大商机，将推动汽车仪表厂商不 断发展创新、抢占市场。 自1 8 8 6 年发明汽车以来，汽车走过了1 0 0 多年的发展历程，汽车的出现和发 展，使得汽车仪表也在不断开发和发展之t 4 j 。汽车仪表发展，按其工作原理 上取得的重大技术创新来分经过4 代：第l 代汽车仪表是基于机械作用力而工作 的机械式仪表；第2 代汽车仪表是通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号 加以测量；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。 目前汽车仪表正在经历由第3 代向第4 代转型时期、第3 代汽车用仪表工作原理与 电气式仪表基本相同，只是用电子器件取代原来的电气器件【4 】【s 】。随着集成电路 技术突飞猛进的发展，这种仪表现在均采用专用集成电路，是国内汽车仪表目 前的主流产品，经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式机心( 线圈连同指 针一起转动) 和动磁式机心( 磁钢连同指针一起转动) 二个基本阶段【2 】。电子 器件经历了分立器件和专用集成电路二个阶段。在整个发展过程中，国内外工 程技术人员一直从未停止对其进行改进，如围绕降低成本、不断改进制作工艺， 机械零件起初以金属为主，发展到今天以塑料件为主：围绕提高指示精度和指针 平稳性，由动圈式发展成动磁式等。第4 代全数字式汽车仪表从其应用的技术手 段上看，还是电子技术范畴，也属于电子式仪表，但信号处理方式已从模拟变 成数字，其最显著的特征是工作原理与第3 代汽车仪表完全不同。随着光学、电 子技术的迅速发展，特别是计算机技术在汽车仪表中的广泛应用，汽车仪表正向 数字化和智能化方向发展。 汽车仪表电子化方向发展主要表瑰在以下几个层次：第一层是部分电子化 指示或控制机构与传统汽车仪表组合在一起使用，电子化部分只是为了克服诸 如磁感应式车速里程表、发动机转速表等精度不同、误差大、质量不可靠的问 题而部分使用；第二层是整个汽车仪表的控制或显示部分均采用电化技术，实 现电子化汽车仪表：第三层是结合计算机技术和英特网技术实现汽车仪表智能 两华大学硕士学位论文 化和信息与控制中心化。由于现代汽车仪表所要显示的内容和信息种类越来越 多，精度也要求越来越高，传统电气式仪表难以满足不同层次的要求1 3 j 。 8 位和1 6 位单片机( m c u ) 的使用在汽车电子行业中不断扩展，即将推出 车型设计的汽车电子系统中，3 2 位单片机使用量将逐渐占有越来越大的比例。 就汽车嵌入式系统开发中微控制器的选择问题，目前面临的核心问题就是如何 更快将项目推向市场，及如何将开发成本控制在预算之内。因此，在控制器的 选择时，除控制器自身的性能外，其产品的软件、外设和引脚的兼容性等都是 关键性的考虑因素。微电子技术的迅猛发展使其在汽车上也被广泛应用，给汽 车工业的进一步发展带来了新的生机。电子控制系统具有控制精度高、响应速 度快、集成度高、体积小、重量轻、应用更加灵活等特点。应用于汽车后，可 使汽车有关系统在各种工况下都处在最佳的工作状况，各项受控指标均能获得 较大改善，是任何机械控制系统都难以达到的。电子技术在汽车上的应用对于 日益严格的各项法规、人们对驾驶舒适性和方便性的要求带来很大的方便。特 别是在2 0 0 0 年以后，汽车电子化被认为已经进入了一个新的阶段智能化和 网络化时代，在这一阶段中，汽车产品将大量采用人工智能技术，并利用网络 进行信息的传递和交换。汽车电子技术的重点由解决汽车部件或总成本问题开 始向广泛应用计算机网络与信息技术发展，使汽车更加自动化、智能化、并使 汽车与社会融为一体等问题转移。 1 2 国内外汽车仪表现状和发展趋势分析 随着e c u 性能的提高，主要表现在抗强电磁干扰、工作温度范围和对工作 电源稳定性要求等方面的改善，再加上价格的大幅度降低，目前有条件在汽车 仪表上使用e c u 控制的全数字仪表。为此国内汽车仪表界一致看好全数字式汽 车仪表，但是国内本土企业厂商在技术上发展不快，没有测试设备、测试成本 高、测试软件工程师比较缺乏等问题，技术水平有很大差距。因而我国只有和 外国合资或外商独资的企业如德科、马瑞利、芜湖西门子v d o 、伟世通、博世 等，生产数字式仪表为主。比如最近富士通展示一款三维的g p s 就集成了数字 仪表显示功能。西门子v d o 的有关人士称，在汽车仪表的市场格局上，一方面 是国际性大公司在中高端市场上占有较大份额；另一方面中国本土厂商经过多 年打拼占据一定市场份额。他们与国际性大公司联合，争取更多的市场、更多 西华大学硕士学位论文 的资源，以低成本抢夺低端市场。从技术发展的领域来看，中国本土厂商在技 术上处于跟进状态，在技术储备与产品发展路线把握方面还有待提高。 随着液晶显示器件的性能，特别是工作温度范围的拓宽，在价格进一步降 低的前提下，汽车仪表的功能将被极大的拓宽，方式将发生根本改变，外观上 就是一个高清晰度的计算机显示器。随着后p c 时代的到来，计算机广泛地嵌入 到应用中，嵌入式系统将成为未来计算机的主要存在方式。应用的牵引和应用 环境的变迁又推动了嵌入式技术的发展。未来汽车仪表的功能也将不再局限于 现在车速、里程、发动机转速、油量、水温、方向灯指示等功能，可能添加如 下功能：带有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、安全气压、安全带等，这些信号传输形式，将不再是简单的开关通 断信号，而是包含反映这些安全装置工作状态较多信息的调制信号，供e c u 读 取，以便e c u 能准确地判断这些安全装置的工作状态，并给出故障显示提醒驾 驶员，或指导维修人员排除故障；另一个功能是将防盗系统纳入汽车仪表e c u 的监管下，如车门、后车行李箱等处防盗锁指纹识别系统，防撬振动报警装置， 防盗点火启动装置等比3 。 电光学技术在汽车仪表上也将得到广泛应用，显示和内照明器件不再用白 炽灯泡，而是选用高效冷光源程序发光器件，导光系统更多体现出光学领域的 新技术。改用电子摄像显示后视系统，驾驶员的视野范围将更宽。自动导航和 定位系统可能也是未来汽车仪表上不可少的部分，包括全球卫星定位系统和电 子地图等。具备完善的通讯系统，将来汽车上的计算机系统会与公共互联网相 连，以便充分共享信息资源，处理通讯作业将是汽车仪表计算机系统工作内容 的一部分。 随着科学技术的发展，液晶显示器应用也越来越广泛。液晶显示屏更以其 显示直观、便于操作的特点被用作各种便携式系统的显示前端。传统的单色液 晶显示往往采用单片机控制。但在t f t 液晶显示的情况下，系统有大量高速实 1 耐数据的情况于z 单片机由于受到处理速度的限制就显得力不从心。另一方面， 从系统的可扩展性考虑，今后的汽车仪表将是一个集控制、显示和多媒体娱乐 的一体化中心系统，选用嵌入式系统为汽车仪表今后的再次功能扩展提供了硬 件的可能。采用液晶显示器代替传统的机械或电气机械式的模拟指针式仪表：采 用软件编程的方式代替传统的硬件：采用视频切换技术在液晶显示器上切换显 西华大学硕十学位论文 示不同的内容，从而提高液晶显示器的利用率、降低产品成本。仪表显示内容 来源于传感器的检测数据，外部数据经过操作系统处理后送到终端显示出来【6 】。 最近国内对于嵌入式车载系统的研究逐渐成为热点，许多学校或研究机构 对嵌入式车载系统进行了研究与开发。武汉理工大学的黄妙华等人所研究的基 于嵌入式计算机的车载多功能信息系统，集嵌入式车载计算机、u c l i n u x 和 l a b v i c w 开发的车载多功能信息系统，具备虚拟仪表、电子后视镜、故障监测、 运行记录、g p s 车载定位、多媒体影音、无线上网通讯、i p 电话、移动办公等多 种功能，开发的车载多功能信息系统已安装到由武汉理工大学汽车工程学院全 新自主开发的a s p i r e 概念车上进行实车测试【5 】；南京航空航天大学的尹明德老 师、梁广省等人研究的基于c a n 总线和a r m 的汽车液晶仪表的设计与研究，运 用a r m 嵌入式技术、c a n 总线技术、液晶显示及触摸屏技术，主要实现了瞬时 速度、累计里程、水温表、油量表、行车提示、厂家信息的显示以及车况数据 分析、触摸交互等功能【3 1 ；西北工业大学和西安电子科技大学合作的基于嵌入 式l i n u x 系统的车载导航终端里，设计的系统包含：视频取证、卫星防盗、无线 追踪、辅助倒车等功能【l l 】；浙江大学的基于a r me p 9 3 1 5 的多功能车载导航系 统的研究与开发中对车载导航系统进行了研究，采用了嵌入式w i n c e 系统，借 助e m b e d d e dv i s u a lc + + 开发环境，实现y g p s 定位导航的显示定位数据、显示 定位点、路径分析、模拟导航、真实导航以及语音提示等功能f 9 】；福州大学的 基于嵌入式系统的多功能车载定位导航系统的研究与开发，以w i n d o w sc e n e t 操作系统，运用v i s u a lc 抖编程，建立了一个矢量电子地图系统，实现车辆图形 化定位导航、信息查询、无线通信等功能，还实现了g p s 定位数据的采集与处 理，并实现了以短消息方式发送定们数据等功能【l o 】。 今后，汽车将会越来越多地装用各种用途的电子化仪表显示装置，造型新 颖别致和功能强大的电子化仪表显示装置，带有e c u 的数字技术，仪表的功能 由软件和硬件共同实现，而且主要是通过软件实现，将是今后车用仪表的发展 趋势和潮流【4 】。未来的汽车仪表将带给用户给多的信息显示，集成更多的功能， 在汽车结构中的地位将逐渐提升。因此基于嵌入式系统、c a n 总线技术和t f t l c d 液晶显示技术的全数字式汽车仪表是当今和未来一段时间汽车仪表的主导 技术【3 1 。 4 西华大学硕士学位论文 1 3 本课题研究背景及主要内容 当今世界范围内，汽车仪表正处于技术更新的转型期，要求汽车仪表与汽 车上其它装置交换数据，即要求接入到汽车的计算机系统总线上。多功能、高 精度、高灵敏度、读数直观的电子数字显示及图像显示的仪表已不断地在汽车 上应用，汽车电子仪表正在逐步取代常规的机电式仪表。随着液晶显示器件的 性能，特别是工作温度范围的拓宽，在价格进一步降低的前提下，汽车仪表的 功能将被极大地拓宽，显示形式将发生根本性的改变，在外观上看清晰度高就 是一个很明显的特征【6 j 。 嵌入式图形用户界面( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) 是嵌入式产品设计和开发的 重点，随着嵌入式产品的广泛应用，所实现的功能也日益强大和复杂，因此对 嵌入式产品的g u i 在功能、易用性、稳定性等方面提出了更高的要求。m i n i g u i 是一款较为流行的嵌入式g u i 。它是一个适合于嵌入式系统的、功能强大、轻 量级的图形用户界面支持系统【7 1 。提供了丰富的图形构件，如窗口、对话框、 控件等，能够实现各种应用功能。基于m i n i g u l 的汽车显示终端图形用户界面 设计涉及复杂的系统控制和需要广泛的技术标准集合，并且其中的有些标准还 在不断地发展变化。 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) ，属于现场总线的范畴，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。c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路 网络。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。c a n 总线的通信实时性强，它的数据传输速率可高达1 m b p s ，并且各节点使用相同 的位速率。c a n 总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或者光导纤维，通过 标准的插接件能够方便的连接。c a n 总线是最早具有国际标准的现场总线。同 时也是所有现场总线中价格比较便宜、开发手段比较简便的一种现场总线技术。 c a n 总线技术的引入，不仅可以大大简化布线，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。 资料表明，目前世界上大部分著名的汽车制造商，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、 p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等都采用 西华大学硕十学位论文 c a n 总线技术来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。由 于其高性能、高可靠性、及独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视。适应 c a n 总线的广泛应用和电子显示技术的发展，汽车仪表必须与汽车上其它装置 交换数据，即要求汽车仪表作为“汽车局域网中的一个节点，接入到汽车的 计算机系统总线上，而这是传统汽车仪表所无法胜任的，这就必然推动汽车仪 表的升级换代p j 。 随着工作负载的不断增加，以及各方面性能要求的提高，控制器处理器的 需求规格也在不断提升，从1 6 位m c u 逐渐提升到3 2 位m c u 。本课题的主要 研究内容是基于x s c a l e 内核的p x a 2 7 0 微处理器、r e dh a t 9 0 操作系统、m i n i g u i 软件构成的测试系统，设计虚拟仪表，显示汽车上通过c a n 总线接口提取的车 速、发动机转速、机油压力、油量、水温、传动箱压力及车况等1 2 个状态参数 的信息界面，实现了a r m 与l i n u x 系统平台与控制模块的实时可靠通讯。各章 节的内容安排如下： 第一章：主要介绍当今汽车仪表的发展，国内外汽车电子仪表现状和发展 趋势以及本课题主要内容和框架。 第二章：主要是介绍汽车虚拟仪表系统的工作原理，课题开发的主要任务 和课题开发的主要思路。在此基础上，对仪表系统的硬件部分进行了选型和设 计，同时给出了该系统硬件部分的硬件结构以及每个模块的具体组成和功能。 选定了嵌入式系统内核平台及应用程序开发平台，对l i n u x 嵌入式系统内核进 行定制、裁剪和移值。 第三章：本章的主要内容是详细地介绍了m i n i g u i 系统的移值，编译以及 平台的搭建。完成了汽车液晶仪表系统的核心电l 图形界面的设计与应用 程序的编制。主要完成了速度里程表、发动机转速表、机油压力表、油量表、 水温表、传动箱压力表等程序设计，分屏显示设计以及其它车况状态界面程序 设计。 第四章：本章的主要内容是结合上一章的g u i 内容，给出测试原理、测试 系统模拟图以及应用程序的实际运行效果图。开发了该系统的驱动程序和应用 程序，并设计了良好的人机界面；最后，完成了l i n u x 系统映像的下载烧写、 应用程序的封装以及应用程序的自启动设置。 第五章：对本论文工作的总结并指出需要进一步改进的地方。 6 西华大学硕士学位论文 2 系统软硬件平台的选择与设计 2 1 系统功能要求 本课题基于r e dh a tl i n u x 系统、a r m 、g u i 以及c a n 总线网络，提出在 嵌入式l i n u x 系统平台上、m i n i g u l 软件、液晶显示屏上显示复杂车载信息的 实现方法和设计思路。系统作为汽车c a n 总线网络上的一个智能节点，通过 c a n 总线接口提取车速、发动机转速、机油压力、油温、水温、油量、传动箱 压力及其它车况信息等各种数字量和模拟量，以i n t e l 公司的x s c a l e 家族比较高 级的p x a 2 7 0 为微处理器，对数据进行实时分析处理后，送至液晶显示控制器， 对于显示内容较多的情形，再通过软件接口和各种处理软件方法，利用手动或 自动切换技术在l c d 液晶屏幕上切换显示不同的内容，使仪表具有多功能、智 能和高精度的特点，嵌入式平台也使得该系统具有较好的扩展性。 2 2 课题开发构思与难点 经过慎重考虑，本课题选取i n t e l 公司的p x a 2 7 0 为微处理器，选配 m i i l i a r m 2 7 0 核心板；“ms d r a m 为系统运行随机存储器；2 5 6 mn a n df l a s h 程序存储器；m c p 2 5 1 5c a n 控制器负责c a n 报文的接收与发送；8 英寸6 4 0 * 4 8 0 真彩t 液晶屏显示g u i 图形界面；l i n u x 为嵌入式操作系统。选用目前较为 流行的嵌入式g u i 系统m i n i g u l 进行应用程序界面的编写。运用z l g b o o t 启动j f l a s h m m 、f l a s hf x p 软件进行内核的烧写与移值。软件编制调试完毕后， 进行操作系统内核定制，裁减出最小操作系统，并将应用程序与最小系统在仿 真环境下进行联合调试。最后将应用程序与最小系统封装，下载固化到硬件平 台，并实现开机自动运行。在本课题的开发中，硬件设计是基础，应用程序的 编写是难点、是关键、是核心。 2 3 硬件系统体系结构 2 3 1a r m 微处理器 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，1 9 9 0 年成立了a d v a n c e dr j s c m a c h i n e sl i m i t e d ( 后来简称为a r ml i m i t e d ，a r m 公司) ，是微处理器行业的一 家知名企业。a r m 既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 处理器的通称，还可以认为是一种技术的 两华大学硕士学位论文 名称【2 0 1 。该企业专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，设计了大量高 性能、低系统成本、低功耗的r i s c 处理器。采用a r m 技术的微处理器应用于 多种领域，比如无线通信、工业控制、网络控制、汽车电子、图像处理和数据 存储等【2 1 1 。 a r m 微处理器种类烦多，主要用a r m 7 ，a r m 9 9 e 、a r m l 0 e 和a r m l l 五个系列，还有c o r t e x t 系列、与i n t e l 合作的s t r o n ga r m 和x s c a l e 系列 处理器产品【2 0 1 。本课题选取i n t e lp x a 2 7 0 微处理器来进行整体的控制，属 于x c a l e 系列。 2 3 2t f t 液晶屏显示电路 t f t ( t l l i nf i l mt r a n s i s t o r ) 即薄膜场效应晶体管，属于有源矩阵液晶显示 器中的一种，技术上采用“主动式矩阵”的方式来驱动。利用扫描的方法“主动 地”控制任意一个显示点的开与关，光源照射时先通过下偏光板向上透出，借助 液晶分子传导光线，通过遮光和透光来达到显示的目的，这样可以大大提高反 应时间。一般t f t 的反应时间比较快，约8 0 毫秒，而且可视角度大，一般可 达到1 3 0 度左右，主要运用在高端产品。所谓薄膜场效应晶体管，是指液晶显 示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做 到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的l c d 彩色显示设备 之一，其效果接近c r t 显示器。 t f t - l c d 液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是“真彩”( t f t ) 。t f t 液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制， 因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度， 同时可以精确控制显示色阶，所以t f t 液晶的色彩更真。t f t 液晶显示屏的特 点是亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，但也存在着比较耗电和成本较 高的不足。t f t 型的液晶显示器主要的构成包括：萤光管、导光板、偏光板、 滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。 s t n ( s u p e r t w i s t e d n e m a t i c ) 是用电场改变原为1 8 0 度以上扭曲的液晶分 子的排列从而改变旋光状态，外加电场通过逐行扫描的方式改变电场，在电场 反复改变电压的过程中，每一点的恢复过程较慢，因而产生余辉。 s t n 和t f t 最大的两个区别就在于t f t 表现效果比s t n 好，但是s t n 又 西华大学硕士学位论文 比t f t 省电。伪彩也可以上1 6 位色的，但是伪彩屏幕表现不够鲜艳，亮度不 是很均匀，而且伪彩屏幕的反应较慢。 仪表系统需要有一个十分友好的人机界面，可以方便的观测到总线状态以 及测试结果等信息。p x a 2 7 0 内置有液晶控制器，可以支持d s t n 和t f t 图形 液晶屏，分辨率最大支持8 0 0 * 6 0 0 ，8 英寸6 4 0 * 4 8 0 t f t 液晶屏( 型号为 l q 0 8 0 v 3 d c i ) ，与p x a 2 7 0 的电路连接如图2 1 所示。l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 液晶屏 共有1 8 根数据线( r 、g 、b 各6 根) ，p x a 2 7 0 的控制器就选用1 6 b p p 模式， 将p x a 2 7 0 的ld d 0 ld d 4 与液晶屏的b i b 5 相连，ld d 5 ld d l 0 与 g 0 - - - g 5 相连，ld d l l ld d l 5 与r 1 埔相连。 f i g u r e 2 1 c i r c u i to fl c d 图2 1l c d 和触摸屏接口电路 2 3 3 系统存储器电路 n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。i n t e l 于1 9 8 8 年 首先开发出n o rf l a s h 技术，紧接着，1 9 8 9 年，东芝公司发表了n a n df l a s h 9 鞫蠲 西华大学硕士学位论文 结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接1 3 轻 松升级。 1 、n o r f l a s h n o r f l a s h 的特点是芯片内执行( x i p , e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以 直接在f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中再运行。n o r 的传 输效率很高，在1 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和 擦除速度大大影响了它的性能。大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码， 比如后面讲到的l i n u x 内核，就是放在n o rf l a s h 内，这时n o r 闪存更适合一 些。n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存 取其内部的每一个字节。 n o rf l a s hm e m o r y 具有以下特点：( 1 ) 程序和数据可存放在同一芯片上， 拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从f l a s h 中读 取代码执行，而无需先将代码下载至r a m 中再执行；( 2 ) 可以单字节或单字 编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储 器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。但是n o r 技术 f l a s hm e m o r y 的擦除和编程速度较慢，n o r 主要应用还是在代码存储介质中。 m i n i a r m 2 7 0 核心板上扩展有2 片n o rf l a s h ( t e 2 8 f 1 2 8 j 3 ) ，使用了 p x a 2 7 0 的n c s o 片选信号。为了能使用t e 2 8 f 1 2 8 j 3 启动引导系统，所以将其 分配到b a n k 0 存储块空间，即使用n c s 0 片选信号。但为了节约p x a 2 7 0 的片 选信号，将n a n d f l a s h 也安排在b a n k 0 存储块空间上，所以需要一个地址译码 电路。当n c s 0 为低电平且a 2 5 为0 时，l n f c s 0 有效，所以n o rf l a s h 的地址 为0x 0 0 0 0 0 0 0 0 o x 0 1 f f f f f f 。t e 2 8 f 1 2 8 j 3 具有8 位总线模式和1 6 位总线模式， 将b y t e 引脚接为高电平，即使用不着1 6 位总线模式，在此模式下t e 2 8 f 1 2 8 j 3 的a 0 脚无效。2 片n a n d f l a s h 组成了3 2 位宽度的存储器，即每进行一次读操 作可取得4 字节数据，对于p x a 2 7 0 来说相当于字对齐，操作地址最小的变化 值为0 x 0 0 0 0 0 0 0 4 。因此将p x a 2 7 0 的a 2 引脚与t e 2 8 f 1 2 8 1 3 的a l 引脚连接， 忽略( 不使用) p x a 2 7 0 的a 0 、a 1 引脚，其它地址依次递增连接即可【1 7 1 。图 2 2 、2 3 为n o rf l a s h 存储器电路与其地址译码电路。 1 0 西华大学硕士学位论文 a 5 a a 8 1 a 1 4 r 1 2 a 2 3 憎蚩j 售 刊 4 0 1 竺一 l 蠢署l 7 i 鲁制 ! 圃：括 l 卜盖1 l 等 h 1 5 2 i h 恻3 一。福产1 m 删f 封i l l 口 芒强舞 t e 姗脚3 锄 旺i 0 e 骶 帆 踮 v 删 计 i ”加 ，5d l 飞一d f 柏0 ； 4 4d 4 4 6 4 9 肺，7 5 l町 3 4 珊7 。面面r ，。 蜀d 1 0 4 ld 1 l 4 5d l ! 舯d 13 5 0 d 1 4 j 垫i； 隆盛 r 伸弘 b 婴一，一一 静盥 。 1 暇 l 1 6 氓e s e t 1 掰l 捌3 f i g u r e2 2c i r c u i to fn o rf l a s hm e m o r y 图2 2n o rf l a s h 存储器电路 u 8 c 7 4 l v c ：0 4 s o s l f i g u r e2 3a d d r e s sd e c o d e r c i r c u i to f n o rf l a s h 图2 3n o rf l a s h 地址译码电路 2 、n a n df l a s h n a n df l a s h 是东芝公司开发的一种非易失闪存技术，具较高的单元密度， 可以达到高存储密度，写入和擦除速度较快。n a n df l a s h 的单元尺寸几乎是 1 l 雪i 区。f 归 唧聊嗽郧叫郾呱唧哪唧灿刚础那刖耶 西华大学硕十学位论文 n o r 器件的一半，可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，具有很快的写入 和擦除速度，源于其耗电量低、执行速度快、体积细小，目前主要由s a m s u n g 、 t o s h i b a 和f u j i s t u 生产。这种结构的闪速存储器适合于纯数据存储和文件存 储，主要作为s m a r t m e d i a 卡、c o m p a c t f l a s h 卡、p c m c i a a t a 卡、固态盘的存 储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心( 比如后面要提到的z l g b o o t 的配置 文件和l i n u x 其它文件就是存入n a n df l a s h ) 。 n a n df l a s h 存储器具有以下特点：( 1 ) 以页为单位进行读和编程操作，1 页为2 5 6 或5 1 2 b ( 字节) ；以块为单位进行擦除操作，l 块为4 k 、8 k 或1 6 k b 。 具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2 m s ；而n o rf l a s h 技术的块擦 除时间达到几百i l l s 。( 2 ) 数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取 速度慢且不能按字节随机编程。( 3 ) 芯片尺寸小，引脚少，是位成本( b i tc o s t ) 最低的固态存储器。( 4 ) 芯片包含有失效块，其数目最大可达到3 一3 5 块( 取 决于存储器密度) 。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地 址映像表中屏蔽起来。 m i n i a r m 2 7 0 核心板上扩展了2 5 6 m b 的n a n df l a s h ( 芯片型号为 k 9 f 2 g 0 8 u o a ) ，其引脚功能及连接如下图2 4 所示【l 丌。k 9 f 2 g 0 8 u o a 的i 0 0 ， i o7 引脚直接与p x a 2 7 0 的d 0 d 7 相连，实现8 位数据命令的传送。p x a 2 7 0 的地址信号a 2 4 、a 2 3 分别与k 9 f 2 g 0 8 u o a 的c l e 、a l e 引脚相连，用于命令 或地址操作控制。c l e 指令锁存使能，当引脚为高电平，从i o 口输入的控制 指令在w e 引脚的下降沿存入指令寄存器。a l e 地址锁存使能，高电平时，i o 口输入的数据在w e 引脚的下降沿保存到地寄存器。片选信号l n f c s l 和r n b 信号相“与”，产生n f c e 信号，这样做是为了保证k 9 f 2 g 0 8 u o a 在“忙”时 片选信号仍然保持有效。r e 读信号，用于控制串行的数据输出，在低电平的时 候将数据送入i o 总线。w e 写信号，用于控制串行的数据输入指令，地址和数 据在高低电平的时候送入对应的锁存器。w p 写保护引脚。r b 可用繁忙标志， 用于控制操作的同步。 西华大学硕士学位论文 魄j 勋黾一一 1 坠 ? 、婵一