（热能工程专业论文）jeep2500汽车智能数字仪表板开发.pdf

摘要摘要智能交通系统应是智能汽车、智能道路和智能交通管理的有机结合，智能数字仪表板应是未来智能汽车的重要组成部分。智能数字仪表板就是采用更先进的电子显示系统取代目前的模拟显示仪表板，本文从技术可能性、经济性、舒适性和功能扩大合理性等考虑因素，提出了新型的智能数字仪表板。本文在认真分析国内外这方面研究的基础上，综合评述已有的研究优点并继承，还发现目前的一些仪表功能不全，显示的内容不够简洁明了，基于这些问题，本文所做工作的方向是：由高性能单片机和触摸屏取代原有的模拟仪表板，显示所有汽车运行参数及曲线并具有故障声音和颜色报警功能，嵌入之中的黑匣子纪录了较全面的数据内容，以便在发生事故后，能实现事故再现。本文主要有系统硬件和软件设计两部分。硬件设计有单片机、触摸屏和传感器的选取，其中控制器的核心嵌入式微处理器采用i n t e lx s c a l e 架构，发电机和蓄电池的稳压器采用l i n e a r 公司的l t l 0 8 6 稳压芯片，数据采集系统采用的是t i 公司的t l v 0 8 3 8 采样精度8 位的a d 转换器和n a t i o n a l 公司的a d c 7 8 h 9 0 采样精度1 2 位的a d 转换器，并采用滤波技术、去耦电路、屏蔽技术等提高电信号抗干扰能力。软件设计部分从嵌入式操作系统一w i n d o w sc e 的开发功能要求入手，选择e i b e d d e dv i s u a lc + + 为开发工具，本系统采用e m f c 开发，2 0 个状态参数( 车速、发动机转速、水温、机油温度、燃油量、本次里程、总里程、换三虑里程、发动机蓄电池电压、排气温度和车内温度湿度等) 的显示报警功能的实现，7 种主要的状态参数曲线的绘制，驾驶员身份识别系统( 加密系统) 的开发，以及黑匣子系统设计。本研究将提商汽车运行和驾驶的安全性，增强主动保护汽车的能力并延长汽车的使用寿命，为更安全、更高效的交通管理提供一种有效的技术手段。该产品将在一定程度上消除行车中的安全隐患，提高行车的舒适性，从更远的角度观察将来的汽车市场。该产品的研制与开发有重要的意义。关键词智能数字仪表板：触摸屏；状态参数；黑匣予a b s t r a c ta b s t r a c ti n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ms h o u l db et h ep e r f e c tc o m b i n a t i o no fi n t e l l i g e n tv e h i c l e i n t e l l i g e n tr o a da n di n t e l l i g e n tt r a 伍cm a n a g e m e n t n l ei n t e l l i g e n td i g i t a lp a n e lw i l lb et h ei m p o r t a n tp a r to ff u t u r ev e h i c l e s n l ei n t e l l i g e n td i g i t a lp a n e li sa d o p t e dm o r ea d v a n c e de l e c t r o n i cd i s p l a ys y s t e mi n s t e a do fa n a l o gd i s p l a yp a n e la tp r e s e n t t h et e x tp u l l so u tan e w s t y l ei n t e l l i g e n td i g i t a lp a n e lf o r ms o m ef a c t o r s ，f o re x a m p l et e c h n i c a lf e a s i b i l i t y , e c o n o m i c a le f f i c i e n c y ，c o m f o r t a b l ed e g r e ea n de n l a r g e df u n c t i o nr a t i o n a l i t y o nt h eb a s i so fs e r i o u s l ya n a l y z e dt h i ss o r to fs t u d yo nh o m ea n da b r o a d ，a saw h o l e ，t h et e x te x p a t i a t e sa n yv i r t u ea n da c c e p t st h e m ，b u ts o m ep a n e l sh a v eh a l f - b a k e df u n c t i o na n ds h o wc o n t e n tw h i c hi s n tc l e a ra tag l a n c e b e c a u s eo ft h e s ep r o b l e m s ，t h et h e m ed e c i d e ss t u d yd i r e c t i o na sf o l l o w s ：h i 出p e r f o r m a n c es c m ( s i n g l e c h i p ) a n dt o u c hs c r e e ni n s t e a do fi n t r i n s i cm i m i cp m a e l ，s h o w i n ga l lc a r sr u n n i n gp a r a m e t e r sa n dc l l v e s ，s i m u l t a n e o u s l yg i v i n gav o i c ea n dl i g h ta l a r ma b o u tf a u l t ，e m b e d d e db l a c kb o xl o g g e dd a t ac o v e ra l lt h ea s p e c t , i ft r a f f i ca c c i d e n th a p p e n e d ，w h i c hc o u l ds h o ww h a th a p p e n e da g a i n ，t h et e x th a st w op a r t si n c l u d i n gd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m h a r d -w a r ed e s i g n ：h o wt os e l e c ts c m ，t o u c hs c r e e n ，s e n s o r , o fw h i c hc o n t r o l l e r sc o r e( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ) i sa d o p t e di n t e lx s c a l es t r u c t u r e ，m a n o s t a to fd y n a m oa n da c c u m u l a t o ri sa d o p t e dl i n e a rc o r p sl t l 0 8 6v o l t a g e s t a b i l i z i n gc h i p ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa d o p t e da dc o n v e r t e rw h i c hi st ic o r p st l v 0 8 3 8 、析t l l8b i t ss a m p l i n gp r e c i s i o na n dn a t i o n a lc o r p sa d c 7 8 h 9 0w i t h1 2b i t ss a m p l i n gp r e c i s i o n u s i n gf i l t e rt e c h n i q u e ，d e e o u p l i n gc i r c u i t ，s h i e l dt e c h n i q u ee t ct oi m p r o v ee l e c t r i c a ls i g n a la n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y n l et e x ti n t r o d u c e ss o f t w a r es y s t e mt os t a r tw i t he m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e n 卜w i n d o w sc ed e v e l o p m e n tf u n c t i o nr e q u i r e m e n t ，s e l e c t e de m b e d d e dv i s u a lc + + a sd e v e l o p m e n tt 0 0 1 t i l i ss y s t e ma d o p t se m f ct od e v e l o pi n c l u d i n gc o n t e n ta sf o l l o w s ：2 0s t a t ep a r a m e t e r s ( c a rs p e e d ，e n g i n er e v ,c o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e ，e n g i n eo i lt e m p e r a t u r e ，b u r n i n go nc a p a c i t y , c u r r e n tm i l e s ，o v e r a l lm i l e s ，e x c h a n g e3t i l e r s m i l e s ，d y n a m oa n da c c u m u l a t o rv o l t a g e ，e x h a u s tua b s t r a c tt e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r eh u m i d i t yi nv e h i c l ee t c ) a r er e a l i z e df u n c t i o no fs h o w i n ga n dg i v ea na l a r m ，7s t a t ep a r a m e t e r s c u r v ea r ep l o t t e d ，d r i v e rs t a t u sr e c ( 3 l g n i t i o ns y s t e m ( e n c r y p t i n gs y s t e m ) a r ee x p l o i t e d ，a l o n gw i t hb l a c kb o xs y s t e mi sd e s i g n e dh a ss t r o n gf u n c t i o n t h es t u d ys h o u l dm a x i m a l l yp r o m o t es e c u r i t yo fc a rr u na n dd r i v e ，e n h a n c et op r o t e c tt h ec a - a n de x t e n d sa g e ，o f f e ras o r to fe f f e c t i v et e c h n i c a lm e a n sf b rt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ms a f e t y t h i sp r o d u c ts h o u l de l i m i n a t es a f eh i d d e nt r o u b l ei nag r e a td e g r e e ，a n di m p r o v ec o m f o r t a b l ed e g r e eo fd r i v e r f o r mm o r ea d v a n c e da n g l et oo v e r v i e wc a rm a r k e tf o rt h ef u t u r e ，i ts h o u l ds h o wi m p o r t a n tv a l u et od e v e l o da n de x p l o i tt h i sp r o d u c t k e yw o r d si n t e l l i g e n td i g i t a lp a n e l ；t o u c hs c r e e n ；s t a t ep a r a m e t e r ：b l a c kb o xi i i独创性声明本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。繇摊隰醴关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名导师签名：芝至整垫日期：五型堕! 墨p第1 章绪论第1 章绪论1 1 引言汽车电子技术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。汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。汽车电子技术的形成与发展可以分为以下阶段【1 【2 】：首先，2 0 世纪6 0 一7 0 年代末期，主要从技术革新着手，应用电子装置改善部分机械部件的性能，例如燃油喷射控制、车载收音机、发电机硅整流器等。其次，到9 0 年代末期，汽车电子技术开始形成规模。主要特点是在汽车大部件及至总成的设计与生产中，应用电子装置解决机械部分所无法解决的复杂问题，如自动变速系统、制动防抱死系统、电子仪表群等。伴随着大规模的集成电路和4 位、8 位微处理器的广泛应用。预计到2 0 1 5年左右，汽车电子作为工程技术已基本成熟。在这一时期，出现更先进的灵巧电源、灵巧传感器和具有大容量内存的3 2 位或6 4 位微处理器。汽车电子技术开始广泛应用计算机网络与信息技术，使汽车更加自动化和智能化。汽车仪表板是车辆的重要组成部分，其发展必将向电子化、智能化靠拢。初期的汽车，其结构和功能与现在的汽车相比，不可同日而语。早期，汽车上装备的仪表有车速表、里程表发动机水温表、电流表等等。此后的几十年中，这些仪表板得到了改善，而且陆陆续续增添了一些新的表。但这些都属于传统机械式和电气机械式仪表。它们都是通过指针和刻度来实现模拟显示的，存在着准确率低、显示信息量少、体积较大、可靠性羞，以及视觉特性不好，容易致使驾驶疲劳等缺点。它们都具有单独的密封装置，称为分装式仪表。分装式汽车仪表密封装置本身起到了热隔离和磁屏蔽作用：加上各自的电路彼此独立，相互影响甚小，便于保持各仪表的精度，且维修方便。但这种仪表不便采用较先进的结构工艺，仪表总成体积大，紧凑性差，安装不方便。到了2 0 世纪6 0 年代，由于现代汽车工业和电子技术的发展，出于汽车环保、安全性、经济性、智能化要求的提高，同时随着新型传感器、显示元器件的发展，电子计算机在汽车控制系统的广泛应用，进而出现了电子组合式仪表。传统汽车仪表及其指示装置逐渐被以微处理器为核心的电子控制数字仪表和显示装置所北京工业大学硕士学位论文取代。目前常见的汽车仪表主要采用电子组合式仪表( 如图卜1 ) 。图1 - 1j e e p 2 5 0 0 汽车仪表板部分f i g u r e l - 1p a n e l p a r t so f j e e p 2 5 0 0e r r电子组合式仪表共用一块表面玻璃密封，因而结构紧凑，占用的体积小，便于安装和接线，而且便于采用先进的结构工艺。缺点是各仪表的热效应和磁效应相互影响，易引起附加误差。由于多功用高性能汽车的迅速发展，汽车仪表的功能不仅仅要求是单纯的显示，而是通过对汽车各部参数的检测和微处理器配套，从而达到预测汽车各种运行工况的目的。由于能为驾驶员和管理人员提供高精度的数据信息，汽车仪表板的电子化技术越来越为汽车界所重视。1 2 国内外研究成果美国摩托罗拉公司汽车电子部正在开发驾驶员信息系统( d r i v e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，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，目前还处在研发阶段中。日本汽车研究所最近研制出能记录交通事故发生时驾驶数据的汽车“黑匣子”。该“黑匣子”安装在副驾驶下面，能够记录车速、方向盘角度、刹车板及油门踩放的情况。当急刹车或急转弯使汽车达到一定的加速度以上时，便判断为“事故”，事故发生前五十五秒和后五秒间的各种数据自动记录入磁盘中。另有2第1 蕈绪论一个如后视镜般大小的相机，自动收录事故发生前十秒和后五秒间从驾驶席上能看到的场面。开发小组曾将“黑匣子”安装在二百多辆出租车、公交车和卡车上，进行了一年半的试验。在实际发生的三十八起交通事故中，都正确地显示了何时踩刹车等情况。该系统不具备车辆运行和驾驶状态的实时监视能力。国内广东必达实业公司开发了一套汽车行驶记录仪，该系统具有超速提示、疲劳驾驶报警、驾驶者身份识别等功能，但采用数码管显示，显示功能有限，且不具有对车辆运行状态进行实时监视的功能，系统记录的车辆运行状态信息，如车速、转向灯、倒车、刹车等信息只能通过u s b 移动存储器转移到p c 机上进行离线显示和分析( 如图l 一2 所示) 。鼍曩辫曩承l 一堋潲瞒为事i 酬聃图卜2 广东必达开发的汽车行驶记录仪示意图f i g u r e l 一2s k e t c hm a po f c a rs t e e r e dr e c o r d e di n s t r t k r n e n td e v e l o p e db yg u a n g d o n gb i d a而处于完好状态的车辆和处于正常状态的驾驶者是交通安全的重要保障，因此，车辆运行管理系统必须具备车辆运行状态和驾驶状态的实时监视能力。浙江工业大学机电一体化中心 3 j 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，执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。天津内燃机厂计量科【4 j 的赵振龙研制出一种多功能车载汉字显示器，这种显示器由机箱内的显示板和控制板组成，主要具有以下功能：用l e d 点阵的方式显示出4 个1 4 1 2 的汉字，能够把驾驶员的3 1 种动作组合用汉字显示于车后，并发出声响，提醒后面的车辆和行人；关闭汽车钥匙开关即是上锁，只能在开启汽车钥匙并在为启动发动机的状态下，输入正确密码，才能把控制部分接通，密码为左右指示灯开关，制动灯开关，倒车灯开关及夜行灯开关的任意组合，对原车北京工业大学硕士学位论文没有改动，安装方便；当盗车人进入汽车内，并试图启动汽车时，如果3 1 0 秒内没有输入正确的密码，装置发出声光报警，并在2 0 秒内发动机自动熄火；当驾驶员被劫持时，只要拨动紧急开关，信号被微电脑所识别，电脑发出指令，发动机停止工作，并发出生光报警；当其中的一项或几项功能失效时，产品能检测出来，并用声响的形式提示给操作者，这样驾驶员就可以判断问题所在，产品可以每隔一定的时间对信号灯的组合及驾驶员的操作过程记录一次，2 4 h 循环记录，记录最近的一定时间间隔内的操作信息，即使在断电的情况下，被存储的信息仍能保存1 0 年。国防科技大学的机电工程与自动化学院机电系d i 的冯旭哲等开发了种新型智能式汽车行驶记录仪。记录仪具备以下功能：自检功能、车辆特定系数的设定、显示功能、记录汽车干亍驶过程中的相关信息、通信功能、数据软件分析、声音报警和打印功能。江南大学通信与控制工程学院【6 j 的王潇等研发了一种基于嵌入式系统的新一代汽车行驶记录仪，该记录仪的主要功能是黑匣子，是基于3 2 位嵌入式处理器及u c l i n u x 嵌入式操作系统的新产品，与传统的以8 位m c s 5 i 系统为核心的同类产品相比教，可以更完整、更精确、更多样化地记录汽车行驶时的车速与工况。其主要功能为：实时时钟、日期、驾驶时闻、车辆行驶状态、车辆行驶里程和速度的采集、记录、存储：驾驶员身份记录和数据打印输出；数据通信。1 3 研究的意义及目的随着我国国民经济经济建设和工业现代化的高速发展，交通运输对经济发展的贡献起到越来越重要的作用，特别是公路运输其特点是快速方便、机动灵活，可实现门到门的服务，有其它运输不可替代的功能。高等级公路里程的增加，特别是最近交通部要提出在3 0 年内投资两万亿修建8 5 万公里高速公路网，将把我国人口超过2 0 万的城市全部用高速公路连接起来，覆盖l o 亿人口。因此，作为提供运输工具的我国汽车制造业发展速度快、引资规模大、产量高，在用车辆每年以1 5 的速度增长，汽车运输业为交通运输及国民经济高速发展做出了重要贡献。但随着再用车辆的增加，公路上汽车行驶的速度不断提高，行车密度增大，道路交通安全形式不容乐观，道路交通事故居高不下，事故起数和伤亡人数逐年上升，给人们生命财产造成了相当巨大的损失，交通事故造成社会财富的极4第1 章绪论大浪费，同时也对社会的安定团结产生一定的消极影响。为了避免和减少交通事故，减轻事故的后果，研究和辨别事故发生的原因，保障车辆的运行安全，就成为关注的热点。尽管目前车辆广泛采用了电子技术，安装了主动安全系统，如a b s 、倒车雷达、红外防撞系统等，及被动安全系统，如空气囊等，这些技术的采用大大提高了行车安全。然而以上技术并不能消除因汽车突然发生故障，驾驶员疲劳和非正常驾驶带来的安全隐患，同时也无法监测汽车的运行状态和驾驶员的驾驶状态，另外一旦出现交通事故亦无法科学地反映出责任方。单独的汽车黑匣子可记录事故前2 分钟的车辆行驶数据，为交通事故的正确处理提供了有利证据，但却无法预防或控制事故发生。智能数字仪表板的应用将是未来智能汽车的重要组成部分，也是i t s 智能车辆的一个重要分支，该系统由高性能单片机和液晶显示屏取代原有的模拟仪表板显示所有汽车运行参数和驾驶员状态参数并具有声光报警功能，构成一个基于信息技术的车辆运行管理系统。智能数字仪表板将提供驾驶员和交通管理者更准确更详备的车辆行驶信息，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。该项目为北京工业大学北京市交通工程重点实验市开放基金项目，是为i t s服务的一个前言分支，对于将来的智能交通管理也有着重要的作用。1 4 本文的主要内容和研究成果1 ，4 1 本文的研究内容目前总体来看，集汽车黑匣子和汽车运行状态于一身的车辆运行安全管理系统，国内外尚无商业化的产品。同时根据中华人民共和国国家标准机动车安全运行技术条件和汽车行驶记录仪( 主要技术指标和试验方法与欧盟标准及日本标准对比情况见附录1 ) 的规定，在设计系统时要满足国家标准的要求，例如车速表允许误差范围为+ 5 一5 ，即：当实际车速为4 0 k m h 时，车速表指示值应为4 0 k m h 2 k m h ( 路试) 。真正开发套完整系统，即能适应将来智能运输系统的需要，也满足汽车自身的改革逐步走向电子化的趋势。本文选定的研究内容为：f 1 ) 选用3 2 位r i s c 的设计和高效指令集的通用微处理器结构( a r m ) ，处理北京工业大学硕士学位论义器的芯片选用i n t e lx s c a l e 构架的p x a 2 5 5 ，增强了以前产品处理器的功能。( 2 ) 尽量利用汽车自身的传感器下，选择部分稳定性好、体积小、质量轻和便于安装的性能更高的传感器以满足测量参数的需要。为满足精度不一样的传感器，采用两种a d 转换器，分别是采样精度8 位的t i 公司的t l v 0 8 3 8 和1 2 位的n a t i o n a l 公司的a d c 7 8 h g o ，以保证产品性价比。( 3 ) 进行电路板设计时，充分考虑系统的抗干扰设计，采用滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等，以保证车辆在各种路况和天气条件下信号稳定连续。( 4 ) 使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 的e m f c 在嵌入式操作系统( w i n d o w sc e ) 开发软件系统。首先实现2 0 个状态参数的显示声色报警功能，并对7 个重要的参数绘制实时2 5 0 秒的参数曲线。设立驾驶员的身份识别系统，输入正确密码才能进入系统，驾驶员可根据自己喜好更改密码。( 5 ) 功能强大的黑匣子系统，包括车辆停止前2 5 0 妙的车速、汽车启动和停止时间、当前时间和里程；最近5 次超速记录详情；各种行车灯信号的使用情况，有左右转弯灯、远近光灯、雾灯、位置灯和故障灯；驾驶状态信号如行车档位、油门和刹车的踏板力率：总之，当发生交通事故时，能使交通事故完全再现。1 4 2 本文的技术路线课题主体研究思路和技术路线将从“在电子产品快速发展的前提下，实际应用出发，采用性价比合理的电子产品，软硬件开发时结合驾驶员驾驶的实际情况”展开对智能汽车仪表的研制与开发。即确定的技术路线如下：( 1 ) 确定反映车辆运行状态、车辆驾驶状态的参数和信号输入形式。( 2 ) 根据需要显示的内容( 文字、曲线和图形) ，确定液晶显示器的形式和性能。( 3 ) 根据输入信号的数量和特性以及显示器的接口要求确定单片机系统速度、模拟端和数字端的数量以及存储器的容量。( 4 ) 开发车辆运行状态监控软件，包括监控车速、发动机转速、机油温度、发动机水温等并显示变化趋势曲线及根据设定的限值进行报警。( 5 ) 开发驾驶员驾驶状态监控软件，通过分析方向盘的转动角速度、制动踏板力的变化与正常驾驶时的数值进行比较确定驾驶员驾驶状态是否正常。第1 荦绪论( 6 ) 确定交通事故分析必须的黑匣子信号，通过控制单片机将这些信号送至黑匣子数据存储器。( 7 ) 硬件性能测试、软件测试及软硬件联调。( 8 ) 原型系统在实验车上进行测试及修改。1 4 3 本文的主要研究成果( 1 ) 实时显示车速、本次里程、总里程、发动机转速、机油温度、机油压力、排气温度、换三虑里程、保养里程、验车里程、冷却水温度、燃油量、蓄电池电压和发电机电压并具有超限的颜色和声音报警功能。( 2 ) 这些部分主要状态参数的随时间变化的曲线，提示驾驶员最近一段时间的车辆运行情况。( 3 ) 密码锁的设计，提高车辆的防盗性能。( 4 ) 存储模拟信号车速和开关信号右转弯灯、左转弯灯、近光灯、远光灯、故障灯、位置灯、倒车、手刹、脚刹、雨刷和安全带等开关状态信息，还有相关车辆超速的记录情况，并将数据及时储存，以便事后分析。北京丁业大学硕士学位论文第2 章系统的硬件方案设计2 1系统整体构成与设计原则2 1 1 系统整体构成本系统原型框图如图2 一i 所示，1 3 路传感器的数据通过嵌入式控制系统中的调理电路、a d 转换电路进入到处理器。处理器将采集进来的信号进行处理，然后送到液晶显示器中显示。当显示的信号超出一定范围时，控制系统会将报警信号送到彩色液晶屏中进行声色显示，以使驾驶员掌握最及时的行车信息并控制车内设备进行有效的防范。如果驾驶员想了解一段时间内一些重要的参数曲线变化情况，可以通过菜单或按钮点击查看。控制系统还可以将采样的数据存入存储单元中，即存储里程、记录事故前一段时间的车辆性能参数，以提供黑匣子数据给事故处理使用。传感器；萄i 空调ii 风机j | | | 加础 t t i ，p ，、砚黑；tt堪荐霁x 毳嚣蓉蠹丽奎i 机油压力 _ ；_ 凄司机油脚t 卜卜控制驾驶室内黼百b 湿度和有喜气体含量封发电机电压 ，# t t t 洲蝴 t灌黼剐嵌入式冀 哀晶显示器目蓄屯池电压h 书控制系统爿车速卜 一1 ) 直接显示所有传皤器参数；2 ) 蛊示重薹测量参数的变化曲蛾：3 ) 赦雕诊断目发动机转速 ，： ：豸雩黼”糊、ill葺甯瞅报警袅故障蔼车内适度h q 。t 含量卜 一目埏油量h 一q 里程h ；私黼柏态参数状态值设定诊断图2 - 1 系统整体框图f i g u r e 2 1t h et o t a lf l o wd i a g r a mo f s y s t e m帚2 覃系统的惶件方案及设计2 1 2 系统设计原则针对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，而且要求相应速度快，显示精度高。本论文提出的设计原则根据北京吉普汽车总公司的汽车数据要求而制定：( 1 ) 作为一个驾驶员与车辆进行信息交流的界面要简洁和直接方便的，使驾驶员在不需要分神的情况下很方便地得到相关信息。( 2 ) 系统必须能够及时准确地为驾驶员提供大量的信息，要求显示信息相应速度快。( 3 ) 在交通现状复杂的情况下，面对路途颠簸、冰雪、酷暑和高原，保证系统有较高的可靠性。( 4 ) 在这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 定位、维修查询、旅行预测和远程遥控等。( 5 ) 系统要有良好的经济性。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。2 2 显示器选择目前，在仪表的显示屏的应用中，基本上采用了以下三种方式：荧光显示( v f d ) 方式 7 】；发光二极管显示( l e d ) 方式【8 】；液晶显示( l c d ) 方式1 0 i 。这三种显示方式各有优缺点【l i 】。v f d 显示器反映速度快、读数清晰、视角大、稳定性好、体积小、寿命长，可以发出赏心悦目的颜色。这是一种成熟的、常被有经验设计者选用、很有实用价值的数字仪表显示器件。l e d 下世起清晰度好、亮度高，寿命长达1 1 0 6 小时，它的驱动电路简单，工作电压低于5 v ，能和计算机芯片及c m o s 、t t l 集成电路方便联用，而且相应时间快、稳定性好。l c d 显示器作为数字仪表显示器的最大优点是驱动电压低，吸收电流很小，功耗甚低，可与c o m s 驱动电路直接匹配工作，响应速度较慢，要求有光照，温度不易过高或过低。所设计仪表属于uc up 主控的智能仪表应选l e d 或者l e d 显示器；又由于所测信号频率不大，应选l c d 显示器；数字仪表要与计算机连接，最重要的是需要低功耗的显示器，因为在汽车不能使用大电流的电器，否则汽车会供电量不足而引起其他问题；还要要求显示的内容有连续的画面，故选用l c d 显示器，其性9北京工业大学硕士掌位论文能较好的t f t 类型。2 3 控制器模块选择2 3 1 处理器体系结构的选择嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器【1 2 l 【1 3 i 。嵌入式微处理器一般具备以下几个特点：( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务且具有较短的中断响应时间。( 2 ) 具有较强的存储区保护功能。( 3 ) 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。( 4 ) 功耗很低。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，因此又称之为片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。a 州1 4 1 ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 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( x 8 6 、m i p s 、p p c 、s h ) 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和移位器( a l u ) ，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。1 0第2 苹系统的硬件方案及设计以上特点是对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 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。在体系结构作重大修改的期间，会添加新的性能作为体系结构的变体。a r m 各个版本简要介绍如下：( i ) 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 ) 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。( 2 ) 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。( 3 ) 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( c o u n tl e a d i n gz e r o s )指令，该指令允许更有效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。以上的名字表明了系统结构上的提升，后面附加的关键字表明了体系结构的变体。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；北京工业大学硕上学位论文j ：j a v a 指令支持。表2 1a p r i l 体系结构一览表t a b l e 2 1s t m c m r ec o m p l e t el i s to f a r ms y s t e ma k m 核体系结构a r m iv ia r m 2v 2a r m 2 a s 、a r m 3v 2 aa r m 6 、a r m 6 0 0 、a r m 6 1 0v 3a r m 7 、a r m 7 0 0 、a r 2 v 1 7 1 0v 3a r m 7 t d m i 、a r m 7 1 0 t 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 4 0 tv 4 ts t r o n g a r m 、a r m 8 、a r m 8 1 0v 4a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 4 0 tv 4 ta r m 9 e sv 5 t ea r m l 0 t d m i 、a r m l 0 2 0 e 、x s c a l ev 5 t e如表2 - 1 中各版本的a r m 核心实际上是在各种相应处理器核的基础之上，集成和优化了c a c h e 和埘u 内存管理单元后形成的，它能以单独的c p u 芯片提供给用户更高的性能。而各种处理器内核则可用软i p 模块，或者硬i p 模块的方式嵌入到各种用户不同的应用之中，形成相应的$ 0 c 系统芯片，这不仅节省了功耗和成本，还最大限度地节省了用户的开发时间。最近l o 年a r m 开发的突出成果包括如下：开发了能称为t h u m b 的新型压缩指令格式，这种格式在小型系统中可降低成本和功耗：a r m 9 、a r m i o 、s t r o n g a r m 和x s c a l e 系列处理器的开发显著的提高了a r m 的性能；软件开发和调试环境更好；基于a 胁处理器核的嵌入式应用领域更为广阔。a r m 的体系结构还在不断的发展，但这不是想取代现存的体系结构使它们变得多余。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种应用的需求相平衡【1 5 l 。领先的性能功耗( m i p s w a t t ) 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。随着计算和通讯持续覆盖许多消费领域，功能也变得愈来愈复杂，消费者期望有高级的用户界面，多媒体以及增强的产品性能。对此i n t e l 公司设计了一系列的带有a r m 核的芯片s t r o n g a r m 、x s c a l e对这些新性质和技术进行有效的支持。特别值得一提的是s t r o n g a r m 。它是一种非常典型的s o c 芯片，已经把液晶控制器、外设接口( u s b 、i r d a 、u a r t 、p c m c i a ) 、1 2第2 章系统的硬件方案及设计i i i i i m l l音频编解码器c o d e c 等和c p u 集成到了同一个芯片内，可以很方便地嵌入于各种掌上设备。针对目前信息家电发展的大量需求之下，发展了比s t r o n g a r m 嵌入式系统微处理器更高工作效率及更低功率消耗的第二代嵌入式微处理器x s c a l e 架构。在继承s t r o n g a r m 优势的同时，i n t e lx s c a l e 已将s t r o n g a r m 完全取代，是一款全性能、低功耗、采用全新内核构架的微处理器。所以本系统的嵌入式处理器采用i n t e lx s c a l e 架构。2 3 2 处理器芯片的选择i n t e lx s c a l e 架构的处理器包括p x a 2 5 x 、p x a 2 6 x 、p x a 2 7 x 系列等。其中p x a 2 6 x 系列处理器( 除p x a 2 6 0 以外) 都集成了英特尔公司的闪存芯片。增加的闪存容量可使用户在个人数字助理( p d a ) 等设备中储存更多的信息。而p x a 2 7 x系列处理器在p x a 2 6 x 系列的基础上又增添了多媒体数据处理指令和新的节电功能的微控制器。最大工作频率由老产品的4 0 0 z 提高到了6 2 4 t n t z 。由于p x a 2 6 x和p x a 2 7 x 系列新添的功能并不能完全在本系统中得到完全的发挥，并且价格过于昂贵，以1 万块为单位，2 0 0 m h z 的p x a 2 6 3 处理器市场价格为每块4 2 3 5 美元，而2 0 0 m h z 的p x a 2 6 0 则为每块2 2 8 5 美元，3 1 2 m h z 的p x a 2 7 0 为每块3 2 美元。所以方案中否认了这两种系列的处理器，下面仅对p x a 2 5 x 系列处理器进行详细地讨论。p x a 2 5 x 微处理器是i n t e l 公司推出的采用i n t e lx s c a l ec o r e 的微处理器，是一款高性价比、低功耗且基于a r mv 5 t e 体系结构的解决方案，支持1 6 位t h u m b指令和d s p 扩充，频率最高可达4 0 0 m h z 的3 2 位r i s c 微处理器。p x a 2 5 x 带有3 2 k的指令c a c h e 和3 2 k 数据c a c h e ，同时带有内存管理单元( 删) 和读写缓存。它的存储器总线可以方便的和s d r a m 、s r a m 和f l a s h 等许多器件相连。它将多种外设功能集合予芯片内部( 如l c d 、u s b 、i r d a 、a c 9 7 等) 。借助七级超流水线结构和更快的处理速度以及独特的电源管理能力，p x a 2 5 x 极其适合于m p 3 船e g 4解码、语音处理和手写识别、软m o d e m 和j a v a 等各种高端应用。目前，p x a 2 5 x被广泛应用在移动电话、数码相机、掌上电脑等高科技产品中，对于嵌入式系统和便携式系统，p x a 2 5 x 是最佳的选择。其结构如图2 - 2 所示。p x a 2 5 x 系列处理器具有下列特点：( 1 ) 高性能：低功耗、高性能3 2 位i n t e lx s c a l e 核心c p u ( 2 0 0 ，3 0 0 和北京1 二业大学硕士学位论文4 0 0 m i z ) ；遵从a r