（通信与信息系统专业论文）嵌入式智能车载终端的设计与实现.pdf

摘要 随着计算机技术、电子技术的飞速发展，汽车的智能化将是汽车技术的一 场新的革命。智能车载终端为驾驶员提供了集通信、多媒体文件播放、娱乐为 一体的多种服务，将汽车的性能大大提高。嵌入式技术为汽车电子提供了极佳 的解决方案，使开发出高性能、低成本的智能车载终端成为可能。 本文分析了汽车电子技术的发展现状，采用a r m 技术实现了嵌入式智能 车载终端的解决方案，它具有功能丰富、实用性高、价格低的特点。该系统以 $ 3 c 2 4 1 0 处理器为核心，通过扩展m c 3 5 i 无线通信模块、嵌入式语音合成模 块、摄像头等功能模块，构成了嵌入式智能车载终端的硬件平台。系统使用嵌 入式l i n u x 操作系统作为底层软件平台，并使用嵌入式q t 图形用户界面库设 计应用程序界面。课题研究中重点解决了如下关键技术：基于a r m 处理器的 系统硬件平台设计；嵌入式l i n u x 操作系统在$ 3 c 2 4 1 0 处理器上的移植； q t o p i a 的编译和安装；基于q t 的可视倒车功能和车载语音电话功能的软件开 发。 经过反复调试和改进系统实现了预期的功能。最后，文章对系统进行了总 结和展望，提出了系统升级的方案。本系统经济实用，可广泛应用于家用车 辆。 关键词：$ 3 c 2 4 1 0 、m c 3 5 i 、语音合成模块、嵌入式l i n u x 、q t o p i a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t c a i w i l lb ear e v o l u t i o no fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s i n t e l l i g e n tv e h i c l et e r m i n a l so f f e rd r i v e r sm a n y k i n d so f s e r v i c e ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n ，p l a ym u l t im e d i af i l ea n de n t e r t a i n m e n t i tp r o m o t e st h e v e h i c l e sp e r f o r m a n c eg r e a t l y e m b e d d e dt e c h n o l o g yi sav e r yg o o ds o l u t i o nf o ra u t o m o t i v e e l e c t r o n i c s i n t e l l i g e n t v e h i c l ew i t hh i 曲p e r f o r m a n c ea n d l o wc o s tc a nb ed e v e l o p e du s i n g e m b e d d e dt e c h n o l o g y t h i st h e s i sa n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，a n dr e a l i z e st h e s o l u t i o no fi n t e l l i g e n tv e h i c l et e r m i n a lb a s e do na r mt e c h n o l o g y t h i sv e h i c l et e r m i n a lh a s f e a t u r e so fm u l t if u n c t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ev e h i c l e t e r m i n a li sd e v e l o p e db a s e do n $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o r , m c 3 5 iw i r e l e s sm o d u l e ，e m b e d d e dt e x t t o s p e e c hm o d u l ea n dc a m e r a t h es y s t e mu s e se m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma ss o f tp l a t f o r m ， a n dd e s i g nu s e rs o f t w a r ei n t e r f a c eu s i n gq tg r a p h i cn s e ri n t e r f a c ef g u l ) t h er e s e a r c hp r i m a r i l y s o l v e dt h ef l o w i n gt e c h n o l o g y ：d e s i g ns y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do na r mt e c h n o l o g y ； t r a n s p l a n tl i n u xo n $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o r ；c o m p i l i n ga n di n s t a l l i n gq t o p i ad e v e l o pq ta p p l i c a t i o n d e s i g nv i s u a lb a c ks o f t w a r ea n dv o i c ep h o n es o f t w a r e t h es y s t e mr e a l i z e dt h ea n t i c i p a t e df o n e t i o n sa f t e rt e s t i n ga n dd e b u g g i n gw o r k a tt h ee n do f t h et h e s i s ，i tm a k e ss u m m a r ya n dc o n c e i v e so ft h es y s t e m ap r o m o t i o ns o l u t i o ni sg i v e n t h i s s y s t e mi se c o n o m ya n du s e f u l i tc a nb ei n s t a l l e do nf a m i l yc a r s k e y w o r d s ：$ 3 c 2 4 1 0 ，m c 3 5 i ，t e x t t os p e e c hm o d u l e ，e m b e d d e dl i n u x ，q t o p i a 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事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了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：曼盆壶 f 碲；月加日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：力：7 年弓月跏日 河海人学t 学硕1 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及国内外技术状况 1 1 1 课题背景介绍 目前，国内汽车行业发展迅速，汽车的产销量日益增长，中国已经成为继 美国和日本之后的第三大汽车消费国。由此带动汽车电子彳亍业的飞速发展。 2 0 0 4 年汽车电子市场规模顺利突破4 0 0 亿大关，并于2 0 0 5 年达到5 8 8 亿元人 民币的规模，较2 0 0 4 年增长2 8 5 1 ”。汽车电子产品主要归纳为两类：一类是 汽车电子控制装置，汽车电子控制装置要和车上机械系统配合使用，即所谓 “机电结合”的汽车电子装置。它们包括车身电子控制、电子动力转向、制动 防抱死控制等；另一类是车载汽车电子装置，车载装置是在汽车环境下能够独 立使用的电子装置，它和汽车本身并无直接关系，它们包括汽车信息系统、导 航系统、车载通讯设备、车载娱乐系统等。汽车电子控制装置由于与汽车本身 关系密切，主要是汽车生产商自行开发。而车载电子装置与汽车本身关系不 大，其开发条件要求相对较低，并且其适用环境更加广泛，因此车载电子装置 的开发正在成为一个新的热点。 与此同时，随着微电子技术的迅猛发展，嵌入式处理器性能达到了一个前 所未有的高度。嵌入式系统的开发已经进入了3 2 位的时代，各种高性能、高集 成度、低价格的嵌入式处理器如雨后春笋般出现。特别是基于a r m 内核的微 处理器在嵌入式领域占着主导地位高性能的a r m 处理器速度已经达到 4 0 0 m h z 以上，并且集成了丰富的控制接口，外围电路简单，有效的降低了成 本，可以满足各种高端应用的需要，而且价格低廉。将高性能a r m 处理器应 用于车载电子设备是一个很好的解决方案。 汽车智能化是汽车行业的发展方向，它是建立在电子技术、信息技术、计 算机技术等高技术基础上的。智能化汽车除了汽车电子控制系统，还包括车载 计算机及网络系统、综合显示系统、信息提示系统、卫星定位系统、无线通信 系统等。在这些设备的帮助下，驾驶员可以更加安全、快捷、高效的驾驶汽 车，同时在无线数据通讯技术和计算机网络技术的支持下，驾驶员和乘客可以 在安防、救助和交通事故勘查等领域中得到更有效的服务。 本课题正是基于以上几点提出的。嵌入式智能车载终端以嵌入式技术为核 心，为驾驶员和乘客提供了通讯、娱乐、可视倒车等多种服务该研究在汽车 w 海人学工学坝j 学位论文嵌入智能乍载终端的设计实现 智能化领域中有着重要意义。 1 1 2 国内外智能车载终端技术研究现状 国外在汽车信息化技术的研究上起步较早，并且借助自身在半导体、微电 子领域的领先优势，智能化车载电子设备的发展已经达到相当高的水平。很多 高科技车载电子设备已经逐步普及。车辆导航系统为驾驶员提供快速的路线查 询，使驾驶员实时掌握自己的位置，可以在更短的时间内达到目的地。在日本 的一些豪华轿车上，电予导航装备已经成为标准配备。2 0 0 5 年日本安装导航系 统的汽车达到了3 5 - 一4 0 。网络通信系统在驾驶员眼睛不离前进方向、手不 离开转向盘的情况下，通过车载信息中心接受网络新闻、电子邮件、电话和其 他信息。移动多媒体系统综合了d v d 播放机、游戏设备、m p 3 播放器、收音 机、电视等多种功能为一体，使驾驶员和乘客在车上就可以享受到丰富的多媒 体服务。世界各大汽车制造商都在信息技术的应用上加大开发力度。下面介绍 一些国外厂商的最新产品和技术： ( 1 ) 日本先锋公司推出的车载系统a v i c h d l b t 。该系统具有导航、收 音机、免提电话、可视倒车、多媒体播放等多种功能，并且安装了i b m 公司的 语音识别软件，司机可以通过语音控制车载导航系统，这套系统售价高达2 3 0 0 美元。 ( 2 ) 索尼公司的多媒体导航系统n v - x y z ，其内置大容量硬盘，配有p c 底座，提供c a r d b u s 插槽( 支持无线网卡) 、u s b 2 0 接口以及记忆棒接口。除 了具有导航功能外，n v - x y z 还提供了多媒体播放、网络浏览、e m a i l 收发、 文字处理、图片查看等功能。系统并采用了触摸屏技术，司机还可以使用遥控 器对其操作。该产品售价为1 6 0 0 0 人民币。 ( 3 ) 松下电器推出的c n h d x 7 3 0 车载系统具备所有的汽车音响功能， 同时它还可以进行汽车导航，其内置了电视接收器、d v d 播放器。 ( 4 ) 摩托罗拉是全球最大的车载智能通讯系统的生产商。其车载智能通 讯系统把无线电、全球定位系统( g p s ) 及其他保持汽车连通的应用方案整合到一 起，并以此带给驾驶者所需的即时信息服务和轻松的驾驶方式。 ( 5 ) 微软公司汽车业务部与赛灵思公司联合开发了车载信息处理平台， 该平台可以提供以下功能：语音识别与合成技术、点播w e b 服务、远程诊断车 辆状况、个性化导航、手机通信等。 通过上述介绍可以看出，国外的车载智能终端功能十分强大，技术也十分 先进，由于其具有相当大的技术领先优势，其售价也十分昂贵，一般只装备在 高档轿车上，普通汽车用户难以接受。 2 河海人学t 学顾l 学位论文第一章绪论 相对于国外汽车电子行业的发展情况，国内的汽车电子行业存在很多问 题。汽车电子企业的研发投入不足，生产规模较小。国内七成以上的汽车电子 市场都由国外厂商占据着。国内市场上，可视倒车装置、车载音响、车载电话 等车载电子设备随处可见。但是，国内车载电子设备普遍存在功能单一、科技 含量的低的问题，与国外产品比缺乏竞争力。虽然国内的一些大型汽车电子厂 商也推出了自主研发的车载导航设备等高端电子设备，但在功能和性能上仍存 在很多不足。国内在车载电子的研发上还要进一步加大投入。 1 2 嵌入式智能车载终端的总体实现方案 以前由于技术限制，嵌入式微处理器普遍存在处理速度慢、集成度低、价 格高的缺点，很难将其应用于高端领域。随着半导体技术、微电子技术、计算 机技术的迅猛发展，嵌入式技术的研究被推向一个新的高潮。特别是基于a r m 微处理器的应用研究已经成为一个热点。a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术 芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转 让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的 外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，包括三星、 英特尔、飞利浦等在内的全世界几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授 权，因此使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整 个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。基 于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份 额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面【2 】。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器 芯片不但占据了高端微控制器的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器 应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控 制器提出了挑战 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技 术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 ( 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正 逐步获得竞争优势。 ( 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机 顶盒和游戏机中得到广泛采用。 ( 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 海丈学t 学碗j 学位论文嵌入式智能下载终端的设计+ j 实现 a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。a r m l 0 处理在图 像和语音处理上进行了优化，支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理 的场合。 目前，国内市场上车载电子产品主要有以下几种解决方案： ( 1 ) 车载p c 。这类产品类似于个人电脑，具有高速处理能力，为驾驶者 提供了一个强大的汽车控制中心。车载p c 一般配备齐全，c d r o m 、大容量硬 盘、大屏幕彩色液晶。驾驶者可以方便的安装不同软件以实现不同的应用需 求。但是，车载p c 一般价格昂贵，主要应用于工业领域和高档轿车中，很难 在普通车辆上普及。 ( 2 ) 多个具有独立功能的设备的拼装。如车载音响设备、倒车雷达、车 载移动电话，它们都由是具有独立功能的设备，并由不同的厂家制造。这类设 备的优点是功能单一，因而开发难度小、上市时间短、成本低、容易被消费者 接受。它们的缺点是，由于需要安装多个设备，占用了较多的车内空日j ，操作 相对独立也不利于驾驶员的管理。 ( 3 ) 具有车载功能的便携式电子设备。如具有导航功能的p d a 和车用手 机。目前，中国最大的手机制造商之一t c l 就推出了一款汽车手机神典e 7 6 7 。 这款手机具备汽车检测功能，车主将手机连到汽车检测座上就可以对汽车引 擎、变速箱、刹车、安全气囊、空调系统等几十项汽车系统进行电脑检测，检 测结果的精确度与汽车4 s 店专业仪器检测结果完全一致。这类产品主要的缺点 是显示屏较小，不方便查看。 通过对以上几种方案的分析可以看出，它们各自都存在一些优缺点。a r m 处理器具有处理速度快、集成度高、成本低的特点，对处理器外围电路进行简 单扩展就可以搭建一个功能强大硬件平台，在a r m 上移植操作系统后，其相 对于普通低端m c u 的优势更加明显。将高端a r m 处理器应用在汽车电子上的 解决方案可以很好地弥补上述几种方案的不足，具有体积小、功能强大、成本 低的优点。基于a r m 处理器的嵌入式智能车载终端在硬件上以三星公司的 a r m 9 处理器为核心，外围扩展了各种功能模块。在软件上系统以嵌入式 l i n u x 操作系统为支撑，使软件更新和添加方便；以嵌入式q t 为用户交互界 面，为用户提供了精美的界面和友好的操作方式。 1 3 课题主要工作 嵌入式智能车载终端系统具有良好的可扩展性，一个功能完善的嵌入式智 能车载终端系统非常庞大本人在课题研究中主要承担了硬件平台的开发和嵌 入式l i n u x 操作系统的移植，并完成了两个实用功能的应用程序设计。嵌入式 4 河海大学丁学硕l 学位论文第一章绪论 智能车载终端的更多功能主要集中在上层软件的开发，如无线上网功能、导航 功能，进一步研究和开发工作由其他人完成。 本人的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 硬件系统设计 以a r m 处理器为核心构建硬件平台，并根据系统的功能需求加入专用模 块，如无线通信模块、语音合成模块。运用p r o t e l 软件设计原理图，并根据高 速电路设计原则绘制p c b 。 ( 2 ) 操作系统移植 研究嵌入式l i n u x 的技术特点，构建嵌入式l i n u x 开发环境。根据系统特 点和需求对l i n u x 进行模块剪裁，将其移植到目标板上。 ( 3 ) q t o p i a 移植 研究嵌入式q t 的开发方法，构建其开发环境。将q t o p i a 移植到目标系统 中。q t o p i a 是t r o l l t e c h 公司基于q t 开发的一个嵌入式桌面环境，它具有精美的 界面和友好的操作方式。 ( 4 ) 应用程序设计 针对车载系统的实际需求设计了可视倒车程序和车载语音电话程序。可视 倒车程序将车尾摄像头采集的车尾环境图像显示在l c d 上，方便驾驶员倒车行 驶。车载语音电话实现了文字信息的语音化，使驾驶员在行驶中可以更方便的 查收短信。 m 海大学t 学硕 学位论文 嵌入式智能下载终端的设计j 实现 第二章嵌入式智能车载终端的系统构建 2 1 嵌入式智能车载终端的功能设计 根据车载系统的实际需求，嵌入式智能车载终端主要包括以下功能：多媒 体功能，如m p 3 播放、m p 4 播放、图片浏览、文本察看器、录音等功能；娱乐 功能，系统带有扫雷、俄罗斯方块等小游戏；文件管理功能，用户可以像使用 p c 上的资源管理器一样管理系统的各种文件；可视倒车功能，驾驶员通过嵌入 式智能车载终端屏幕观察车后环境，实现高效、安全倒车；车载语音电话功 能，在传统车载电话的基础上，使用语音合成技术将短消息等文字信息转化成 语音播放；无线上网功能，通过g p r s 上网浏览网页；语音导航功能；汽车状 态监视等。本人重点研究了嵌入式智能车载的硬件设计、操作系统及图形界面 移植、可视倒车程序和语音车载电话程序的设计。嵌入式车载智能终端的系统 示意图如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式车载智能终端功能示意图 2 2 系统的硬件结构 2 2 1 系统总体框图构架 嵌入式车载智能终端以a r m 9 2 0 t 构架的m c u 为核心，连同n a n d 6 和j 海大学t 学硕卜学位论文第二章嵌入式智能下载终端的系统构建 f l a s h 、s d r a m 构成一个基本的嵌入式系统，车载智能终端的特定功能由外加 功能模块实现。系统的硬件总体结构框架如图2 2 所示。 系统功能模块和 厦佶接【j c p u 擎 奉系统 人机接 口模块 图2 2 系统硬件框图 目前a r m 核的处理器有6 个系列的产品：a i 蝴7 、a r m 9 、a r m 9 e 、 a r m l 0 、s e c u r c o r e 、a r m i l 。其中a r m 7 系列处理器性能较低，适用于对处 理速度要求不高的环境。a r m 9 系列处理器在高性能、低功耗、低成本特性方 面提供了最佳的性能。其他几个系列的处理器则在多媒体处理、超低功耗、安 全性上有着更出色的表现。通过以上分析可以看出，在本系统中选用a r m 9 内 核的微处理器是一个非常理想的解决方案。由于a r m 处理器具有高集成度的 特点，很多外围功能都被集成到芯片内部，这样大大减小了系统体积，并且降 低了成本。 系统的存储单元主要包括两个部分，f l a s h 和s d r a m 。f l a s h 用于存 储文件系统，相当于p c 机中的外部存储器硬盘。s d r a m 用于程序运行时代码 的装入和运行，相当于p c 机中的内存。s d 卡接口用于用户扩展系统的外部存 储空问，主要存储一些多媒体文件，如m p 3 、电影等体积大并需要经常更新的 文件。j t a g 接口用于系统的在线调试和程序下载，与用户无关。 人机接口模块负责用户与系统的信息交互。液晶显示器将系统的信息以图 形界面的方式直观的反馈给驾驶员，在嵌入式智能车载终端中，液晶显示器是 驾驶员获得系统信息的主要设备，就像p c 机上的显示器触摸屏则是驾驶员 进行信息输入和系统操作的主要设备。为了增加系统的灵活性，除了使用触摸 屏进行输入，系统还设置了少量按键，用于部分特殊操作，如直接开启可视倒 河海人学t 学硕i 学位论文 嵌入式智能下载终端的i 5 计o j 实现 车功能等。音频模块负责系统的声音处理，包括系统的声音输出和外部声音的 采集输入，其中输入主要是通过麦克风实现录音功能。语音合成功能和车载电 话功能的声音处理由各自的功能模块独自完成，不通过该部分音频模块处理。 系统功能模块与驾驶员无直接联系，由控制器进行操作，实现特定的功能。 无线通信模块负责系统通信功能的实现，主要包括车载电话功能和无线上 网功能。语音合成模块可以将文字信息转化成语音输出，主要用于车载电话中 短消息的自动阅读和一些系统语音提示的合成。这两个功能扩展模块都通过串 口与系统相连接。为了使系统可以方便跟其他设备进行通信，系统预留了外部 串口和u s b 接口。 2 2 2 嵌入式微控制器选择 生产a r m 9 2 0 t 内核微处理器的公司众多，像s a m s u n g 、m o t o r o l a 、c i r u s l o g i c 、a g i l e n t 、i n t e l 等厂家都有自己的产品。这些产品针对于不同领域的应用 都有着各自的特点。根据处理速度、集成度、开发难度、价格等多方面的考 虑，选用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器作为车载智能终端的处理器比较合 适。这款处理器最高主频可达2 6 6 m h z ，能够满足系统对处理速度的要求。在 集成度上，s 3 c 2 4 1 0 具有丰富控制器和多种通信接口，可以很大程度上减少系 统复杂度。在价格上s 3 c 2 4 1 0 处理器具有良好的性价比，使系统的成本得到了 有效的控制。 2 2 3 处理器外围电路选择 s 3 c 2 4 1 0 处理器本身集成了大量功能，其外围电路复杂度相对较低，在设 计需要着重考虑汽车环境的需要，下面介绍针对车内环境设计外围电路时，要 做的一些考虑。设计电源模块时需要考虑汽车提供的电源的特点，一般汽油发 动机车内提供的是1 2 v 直流电源，柴油发动机车内提供的2 4 v 直流电源，主电 源模块设计时应选用输入电压范围较宽的直流电源转换芯片，以适用不同的输 入的电压。存储单元包括存储代码用的n a n df l a s h 和运行程序用的 s d r a m ，由于系统所处环境颠簸和振动较大，并不适于使用硬盘作为外部存储 器，设计时使用大容量的f l a s h 以及s d 卡接口扩展外部存储空问。良好的人 机接口模块可以使系统更容被用户接受。考虑到车内空间的限制和方便用户观 看和操作，l c d 的尺寸选择非常重要。在设计中选用的6 5 英寸l c d 可以兼顾 这两者的需要。使用触摸屏可以减少系统的按键以节省车内空间，并使操作更 具有灵活性。系统的一些特殊功能是通过添加专用模块来实现的，如负责通信 的无线通讯模块、负责语音合成的嵌入式语音合成芯片x f s 3 0 1 1 以及用于图 8 河海大学t 学硕卜学位论文 第二章嵌入式智能车载终端的系统构建 像采集的u s b 摄像头。系统的无线通信模块选用了工业控制领域中常用的西门 子公司的m c 3 5 i 无线模块，该模块具有双频g s m 功能和g p r s 功能。 2 3 系统软件结构 嵌入式车载智能终端的c p u 处理速度在2 0 0 m h z 以上，并具有“m 的大 容量内存，如此丰富的系统资源没有一个操作系统进行统一管理和分配显然是 很难发挥出系统的强大性能的。因此，系统采用了嵌入式l i n u x 操作系统作为 底层软件，为上层的应用程序提供统一的硬件接口，屏蔽了复杂的硬件操作， 而且使多任务并发执行很容易实现。嵌入式q t 给l i n u x 操作系统加了一个友好 的图形操作界面。我们平时使用的w i n d o w s 操作系统，它的操作系统内核与用 户界面是一体的。而l i n u x 操作系统则不同，它本身并不具有用户界面。早期 的l i n u x 使用的是命令行界面，用户通过键盘输入命令来操作计算机。对于普 通用户来说记忆大量命令十分的不便，这也使得l i n u x 的普及遇到一定的困 难。现在l i n u x 上已经开发出多个图形化的用户界面，其精美的画面和人性化 的操作方式在一些方面甚至超过w i n d o w s 的窗口系统。嵌入式q t ( q t e ) 就是 一个专门针对于嵌入式系统设计的图形用户界面( g u i ) 的工具包。处于系统 软件结构最上层的用户程序通过使用嵌入式q t 库，可以随意设计程序的外观， 使程序更容易被用户接受。q t o p i a 是用o t e 开发一个嵌入式桌面环境，用户通 过它可以方便的管理系统资源和程序。嵌入式智能车载终端的系统软件结构如 图2 3 所示。 2 3 1 嵌入式l i n u x 用户程序q t o p l a q t e m b e d d e a l 嵌入式l i n u x 图2 3 系统软件结构框图 目前l i n u x 已经广泛应用于信息家电、数据网络、工业控制、医疗卫生、 航空航天等众多领域。在嵌入式领域里l i n u x 的地位也越来越高。在当今嵌入 式操作系统里，比较著名的有v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 和w i n d o w sc e 。但 这些操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多低端产品的小公司望而却 步当前，国家对自主操作系统大力支持，为开放源码的l i n u x 操作系统的推 广提供了广阔的发展前景。 9 河海人学工学硕p 学位论文 嵌入式智能下载终端的设计j 实现 嵌入式l i n u x 是针对于嵌入式操作系统要求设计的一种小型操作系统。与 其它嵌入式操作系统相比，嵌入式l i n u x 操作系统具有以下特点： ( 1 ) l i n u x 的内核源码完全开放，开发者可以根据自己的应用需要对内核 进行改造，不需要支付任何使用费用。并且l i n u x 具有良好的可剪裁性和可制 定性，可以减少开发时间。 ( 2 ) l i n u x 对嵌入式微处理器具有广泛的支持性。几乎所有流行的3 2 位 嵌入式微处理器都可以被l i n u x 支持，并且随着l i n u x 版本的快速更新，所支 持的微处理器也会越来越多。 ( 3 ) l i n u x 遵循符合p o s i x ( 可移植操作系统接口) 标准，运行在l i n u x 下的程序具有很好的可移植性。 ( 4 ) l i n u x 支持多种文件系统，包括w i n d o w s 下常用f a t 、n t f s 等几十 种文件系统。 2 3 2 嵌入式q t q t 是一个跨平台的c + + 图形用户界面库，由挪威t o l l t e c h 公司出品，支持 u n i x 、l i n u x 、以及w i n d o w s 平台。嵌入式智能车载终端采用了l i n u x 操作系 统，使用q t 图形界面可以使系统界面更加精美、易于操作，配合触摸屏，用户 直接点击屏幕就可以完成各种操作，使用十分方便。q t 的良好封装机制使其模 块化程度非常高，可重用性非常好，方便程序员的程序开发。q t e m b e d d e d 是 面向嵌入式系统的q t 版本，是嵌入式l i n u x 的窗e l 系统。许多基于q t 的x w m d o w 程序可以非常方便的移植到嵌入式版本d i 。q t 是基于面向对象的c + + 语言，它提供了一种信号和槽的对象通信机制来代替回调机制，使各个控件之 间的协同工作变得十分简单。 2 4 嵌入式l i n u x 开发环境介绍 在系统硬件电路设计完成后，要建立一个嵌入式l i n u x 的软件开发环境。 所有软件都在p c 机上开发，编译通过后再下载到目标系统中进行进一步调 试。p c 和目标系统通常被称为h o s t ( 宿主机) 和t a r g e t ( 目标板) 。宿主机需 要安装l i n u x 操作系统和一些相关的开发工具。目标板和宿主机主要通过三种 方式进行通信：j t a g 接口、串口、以太网接口。这三种方式在系统的开发过 程中都具有重要作用。一块新的目标板上没有任何代码，这时只能用j t a g 接 口将b o o t l o a d e r ( 启动代码) 烧写到目标板的f l a s h 中。启动代码在目标板上 正常运行后，系统的硬件资源被初始化，此时目标板的串口已经可以和宿主机 进行通信了，也有部分b o o t l o a d e r 支持网络功能，在运行b o o t l o a d e r 后可以通 1 0 河海大学t 学硕l 学位论文 第一章嵌入式智能车载终端的系统构建 过网络协议与宿主机通信。通过串口，l i n u x 内核、文件系统可以被传输到目 标板上并烧写到f l a s h 中。串口的优点在于其使用简单，但是其缺点也很明 显，就是下载速度相当慢，一个8 0 0 k b 左右的l i n u x 内核镜像文件通过串口下 载到目标板上需要3 分钟左右，而且如果在系统中添加程序必须制作和重新烧 写数十兆的文件系统，这在开发过程中显然是很不方便的。系统启动l i n u x 后 便具有了强大的网络功能，此时目标板与宿主机的通信就非常简单了。通过网 络，宿主机的文件目录可以被挂载到目标板的文件系统中，这个目录的所有文 件都可以被目标板使用，与目标板上本身的文件相同。甚至可以使目标板从网 络加载根文件系统，这种开发方式具有很好的灵活性，在后期开发和调试中主 要使用这种方法。 河海人学t 学硕j 一学位论文嵌入式智能车载终端的设计j 实现 第三章嵌入式智能车载终端的硬件设计 3 1s 3 c 2 1 4 0 处理器简介 s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，采用了a r m 9 2 0 t 内核，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制 器的解决方案。为了降低整个系统的成本，$ 3 c 2 4 1 0 提供了以下丰富的内部设 备：分开的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储器管理， l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) ，支持n a n df l a s h 系统引导，系统管理器( 片 选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通道p w m 定时 器，i o 端口，r t c ，8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口，i i c b u s 接口，i i c b u s 接口，u s b 主机，u s b 设备，s d 主卡和m m c 卡接口，2 通道的s p i 以 及内部p l l 时钟倍频器。支持从n a n df l a s h 存储器的启动，采用4 k b 内部 缓冲器进行启动引导，支持启动之后n a n d 存储器仍然作为外部存储器使用 4 1 。图3 1 是$ 3 c 2 4 1 0 内部功能模块框图。 舾虹i i 蕴 卫堕) 通三鲴 u l i t 。一：b = a u n n 。 s w 件= 司 蠹 看n 翻定时嚣【 ：二= 二毒 囊 i 嬲黼辟 m 。- 图3 1 $ 3 c 2 4 1 0 内部模块框图 $ 3 c 2 4 1 0 芯片个功能引脚的具体分布详见附录a 。由于系统使用了操作系 河海大学工学硕j 学位论文第三章嵌入式智能辛载终端的硬件设计 统，芯片的所有资源都由操作系统统一管理，上层软件需要使用的模块由操作 系统以驱动的方式提供统一的接口，如显示用的l c d 控制器、连接u s b 设备 时，使用的u s b 接口等。 3 2 电源模块 汽车上提供的电源主要有1 2 v 和2 4 v 两种直流电源，嵌入式智能车载终 端主板需要5 v 、3 3 v 、1 8 v 三种直流稳压电源，其中m c 3 5 i 模块和l c d 使用 5 v 电源，$ 3 c 2 4 1 0 和绝大多数芯片使用3 3 v 电源，1 8 v 电源专为$ 3 c 2 4 1 0 内 核供电。电源模块设计时采用如下方案，第一级电源转换由汽车提供的1 2 v 转 到5 v ，第二级再分别从5 v 转到3 3 v 和1 8 v 。在功率消耗最大的第一级电源 模块选择开关稳压电源的方案。l m 2 5 9 6 系列是美国国家半导体公司生产的3 a 电流输出降压开关型集成稳压电路，其最高输入电压可达4 0 v ，适用于车内 1 2 v 或2 4 v 直流电源的转换。它内含固定频率振荡器( 1 5 0 k h z ) 和基准稳压器 ( 1 2 3 v ) ，较高的开关频率使它的滤波电路只需要3 3 u h 的电感 5 1 。其3 a 的最 大电流输出对系统来说是非常必要的，因为m c 3 5 i 模块在信号发射时电流最高 可达2 a 1 6 1 。5 v 转3 3 v 使用的是c m l l l 7 稳压芯片，可提供最大1 a 的电流输 出。1 8 v 是$ 3 c 2 4 1 0 的内核电压，消耗功率较小，在此选用m a x 8 8 6 0 1 8 v 线 性稳压芯片，它的输入电压范围是2 5 v 5 v ，在- 4 0 8 5 范围内的输出电压 为1 7 5 5 v - 1 8 4 5 v ，最大输出电流3 0 0 m a ，能够满足内核对高质量电源的要求 【”。系统各电源模块电路设计分别如图3 2 ，图3 3 、图3 4 所示。 图3 21 2 v 转5 v 电源模块 图3 35 v 转1 s v 电源模块图3 , 45 v 转3 3 v 电源模块 河海大学t 学颂l 学位论文嵌入智能中载终端的设计1 j 实现 为了保证系统在关机状态下实时时钟的正常工作，系统设置了备用电源。 实时时钟的电源输入要求为1 8 v o 1 5 v ，在设计时使用一颗3 v 的电池经过两 个压降为o 6 5 v 的二级管降压得到1 7 v 的输入电压。备用电源设计如图3 5 所 示。 3 3 存储单元 d 卜o 卜一 工 亨 图3 5 实时时钟备用电源 由于嵌入式智能车载终端使用了图形用户界面，应用程序在运行时需要使 用较多的内存，因此系统需要有足够的内存。此外，使用图形界面的l i n u x 文 件系统体积较大，需要大容量的f l a s h 存储文件系统。在设计中为嵌入式智能 车载终端配置了6 4 m b 的s d r a m 用于代码的执行，以及6 4 m b 的n a n d f l a s h 用于保存代码和各种文件。对于m p 3 等多媒体文件的存储主要使用s d 卡，方便文件的更新。 3 3 1n o rf l a s h 与n a n df l a s h 技术特点介绍 n o rf 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。此外n o rf l a s h 还 具有以下特点：带有s r a m 接口，寻址较为简单；在进行擦除前先要将目标块 内所有的位都写为0 ；擦除时是以6 4 1 2 8 k b 的块进行的，执行一个写入擦除 操作的时间为5 s 。 n a n df l a s h 的特点是具有极高的单元密度，可以达到高存储密度，成本 较低。并且n a n df l a s h 执行擦除操作是十分简单的，执行一个写入擦除操作 最多只需要4 m s 。n a n df l a s h 使用复杂的i o 口来串行地存取数据，同时由于 制作工艺问题n a n df l a s h 的坏块和位反转问题较为明显，使用时要有相应的 驱动程序并使用e c c e d c 系统以确保其可靠性i s 】。 根据它们的不同特点可以看出，在容量较大时使用n a n df l a s h 更加合 适，而n o rf l a s h 只在容量较小时具有较高的效益。$ 3 c 2 4 1 0 处理器为用户提 供这样一种的方案，在n a n df l a s h 上引导和启动系统，而在s d r a m 上执行 主程序代码为了支持n a n df l a s h 的系统引导，$ 3 c 2 4 1 0 配备了一个内部 s r a m 缓冲器，叫做“s t e p p i n g s t o n e ”当系统启动时，n a n df l a s h 存储器的 1 4 河海大学工学硕十学位论文第二三章嵌入式智能卞载终端的硬件设汁 前面4 k s y t e 字节将被自动载入到s t e p p i n g s t o n e 中，然后系统自动执行这些载 入的引导代码。同时$ 3 c 2 4 1 0 a 内部硬件e c c 功能可以对n a n df l a s h 的数据 进行有效性的检测。 3 3 2 n a n d f l a s h 接口电路 n a n df l a s h 选用的是三星公司的k 9 f 1 2 0 8 u o m 。它提供了6 4 m * s b i t 的存 储空间和2 m * 8 b i t 的备用空间1 9 1 。s 3 c 2 4 1 0 内部集成了n a n df l a s h 控制器，具 体电路连接如图3 6 所示。 s 3 c 2 4 1 0k 9 f 1 2 0 8 u o m l d a t a l o 7 1 i o t o 7 j r n b r m n f c e c e c l ec l e a l e a l e l i f w e w e n f r e r e 图3 6 n a n d f l a s h 接口电路 在使用n a n df l a s h 时要注意，如果系统要从n a n df l a s h 上启动，需要 配置$ 3 c 2 4 1 0 的总线控制器的o m 1 ：0 1 信号线为【o o 】，即通过下拉电阻接地。 3 3 3s d r a m 接口电路 s 3 c 2 4 1 0 的存储器控制器共有8 个存储器组( b a n k ) ，每组1 2 7 m 字节，其 中b a n k 6 和b a n k 7 支持s d r a m 存储器，其它6 个b a n k 只能使用r o m 或 s l u m 存储器。由于制造工艺的不同，s d r a m 相对于s r a m 价格便宜、容量 大，在使用大容量存储器时，通常选用s d r a m 存储器在本系统设计中选用 6 4 m b 的s d r a m 作为系统的内部存储器。具体芯片使用的是现代公司的 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 t ，它的存储空间构成为4 b a n k