（系统分析与集成专业论文）嵌入式车载信息系统的研究与设计.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 车载信息系统运用计算机、卫星定位、通信、控制等技术来为汽车用户提供安全、舒 适、智能化的服务，作为智能汽车的重要组成部分，它集车辆检测控制、定位导航、安全 防盗和综合信息显示功能于一体，在改善交通环境，实现交通智能化方面发挥着重要的作 用。 人们对汽车的安全、舒适、多功能等特性需求不断提高，本系统针对传统车载导航系 统功能单一、集成度低等缺点，采用a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式l i n u x 操作系统作为系 统的开发平台，利用c a n 总线技术、g p s 全球定位系统和g p r s 无线通信技术开展了系统车 辆检测控制、定位导航、安全防盗和综合信息显示等技术的研究，所构成的系统具有良好 的扩展性。 本文从硬件和软件两个方面对车载信息系统进行了详细的研究与设计。车载信息系统 主要由数据处理模块、信号采集模块、定位导航模块、无线通信模块和人机交互模块组成， 首先对车载信息系统的各外围模块硬件进行了详细的设计，包括电源、时钟、复位电路， 存储器系统，u a r t 接口，c a n 总线接口，g p s 接收模块，g p r s 无线通信模块，l c d 液晶显 示屏和触摸屏；其次是嵌入式l i n u x 系统的构建，主要包括交叉开发环境的建立，引导装 载程序b o o t l o a d e rv i v i 的移植实现，l i n u x 内核的裁剪与移植，文件系统的创建和相关 设备驱动程序的设计；最后介绍了车载信息系统用户应用程序的开发，详细地描述了g p s 数据的接收处理方法，实现了车载信息系统的拨号上网，并采用m i n i g u i 设计了图形用户 界面。 关键词：车载信息系统，a r m ，l i n u x ，c a n ，g p s ，g p r s 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s 仃a c t v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mu s e s c o m p u t e r , s a t e l l i t ep o s i t i o n i n g ，c o m m u n i c a t i o n sa n d c o n t r o lt e c h n o l o g yt op r o v i d es a f e ，c o m f o r t a b l e ，i n t e l l i g e n tf e a t u r e sa n ds e r v i c e sf o rv e h i c l e c o n s u m e r s a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ev e h i c l e ，w h i c hc o m b i n e sv e h i c l ed e t e c t i o nc o n t r o l ， p o s i t i o n i n gn a v i g a t i o n ，c o m p r e h e n s i v es e c u r i t ya n di n f o r m a t i o nd i s p l a yf u n c t i o n si no n e ，v e h i c l e i n f o r m a t i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h et r a f f i ce n v i r o n m e n ta n dr e a l i z i n gt h e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a st h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e sd e m a n do nt h ev e h i c l e ss a f e ，c o m f o r t a b l e ， m u l t i f u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt os o l v et h et r a d i t i o n a lv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m s s i n g l ef u n c t i o na n dl o wi n t e g r a t i o ns h o r t c o m i n g s ，t h es y s t e ma d o p t sa r m 9p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 10 a n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma sas y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n du s e sc a nb u s t e c h n o l o g y , g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma n dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yt os t u d y t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m sf u n c t i o n s ，s u c ha sv e h i c l ed e t e c t i o nc o n t r o l ，p o s i t i o n i n g n a v i g a t i o n ，s e c u r i t ya n di n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a y t h es y s t e mi sm u l t i f u n c t i o n a la n dw e l l e x t e n d a b l e t h ed e t a i l e ds t u d ya n dd e s i g no fb o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n s y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do f d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ， s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，p o s i t i o n i n gn a v i g a t i o nm o d u l e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d m a n m a c h i n ei n t e r a c t i v em o d u l e s f i r s t l y , t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m sp e r i p h e r a l m o d u l e si se x p a t i a t e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gp o w e r , c l o c k ，r e s e tc i r c u i t ，t h em e m o r ys y s t e m ，u a r t i n t e r f a c e c a nb u si n t e r f a c e ，g p sr e c e i v e rm o d u l e ，g p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e ， l c d d i s p l a ya n dt o u c h s c r e e n ；s e c o n d l y , t h es t r u c t u r eo fe m b e d d e dl i n u xs y s t e mi sm e n t i o n e d ， i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fc r o s s - d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h et r a n s p l a n ta n da c h i e v e m e n t o fb o o t l o a d e rv i v i 。t h er e d u c t i o na n dt r a n s p l a n to fl i n u xk e r n e l ，t h ec r e a t i o no ff i l es y s t e ma n d t h ed e s i g no fr e l a t e dd e v i c ed r i v e r ；f i n a l l y , t h es y s t e mu s e ra p p l i c a t i o n sa r ed e v e l o p e d t h eg p s d a t ar e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gm e t h o di sd e s c r i b e df o ru si nd e t a i l ，t h ed i a l u pi n t e r n e ti sa l s o r e a l i z e d ，a n dm i n i g u li su s e df o rd e s i g n i n gg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e k e yw o r d s ：v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，a r m ，l i n u x , c a n ，g p s ，g p r s i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 芒一 、7 辱赵坚 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、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循此规定) 作者签名： 日 期： jz一丝血磐 名明戤期每翌 、竖上拦 南京信息工程人学硕士学位论文 1 1 车载信息系统的概述 第一章绪论 车载信息系统在我国乃至世界还是近几年来才出现的新概念，已成为车辆导航、通信、 a v 娱乐、安防、移动办公和远程诊断的一个集合词，它运用计算机、卫星定位、通信、控 制等技术来为汽车用户提供安全、环保及舒适性的功能和服务，是现代智能汽车的重要组 成部分。随着新技术的发展，汽车将不再是孤立的单元，汽车上的各种电子设备可以通过 c a n 总线和蓝牙等无线局域网形成独立的车辆整体网络，并与周围世界联网，构成以车为 单元的完整的“车载信息系统”。 广义上的车载信息系统一般由车辆信息中心、无线通信网络和车载信息终端组成。信 息中心负责对整个车辆信息网络进行实时监控，通过无线网络与车载信息终端进行信息交 互，实现车辆的有效管理和交通的智能化。无线通信网络是信息中心与车辆之间的数据传 输通道，同时也为汽车驾驶员与信息中心提供了相互沟通的渠道。 狭义上的车载信息系统即车载信息终端，作为智能汽车的重要组成部分，一般由信号 采集系统、定姿系统、通信系统和数据处理系统组成1 2 1 。信号采集系统通过传感器及控制 器来获得车辆各部件的运行信息；定姿系统利用全球定位系统g p s 、惯性导航系统s i n s 等 装置，单独或组合使用以一定精度实现车辆位置、速度和行车方向等信息的定位；通信系 统是实现车辆和信息中心信息交互的必各介质；数据处理系统是中央处理单元，实时处理 来自信号采集系统、定姿系统和通信系统的信息数据，并结合用户程序，给驾驶员提供良 好的人机接口。 1 2 国内外现状及发展趋势 智能汽车( i n t e l l i g e n tv e h i c l e ) 是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功 能于一体的综合系统，是目前各国重点发展的智能交通系统中重要的组成部分，已成为世 界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。智能感知与预警系统利用各种传感 器，以获得对汽车车身、行驶的周围环境和驾驶员本身状态的感知，在必要时发出预警信 息，主要应用在碰撞预警系统和驾驶员状态监测系统，如碰撞警告、盲点警告、驾驶员打 盹警告等。汽车辅助驾驶系统利用智能感知系统的信息进行决策规划，给驾驶员提出驾驶 建议或部分代替驾驶员进行车辆控制操作，该系统主要包括巡航控制、车辆跟踪和准确泊 车系统。更甚至可以由车载信息系统全自动地实现车辆操纵，目前主要应用于拥挤交通状 况时低速自动驾驶系统、近距离车辆排队驾驶系统等。 南京信息工程大学硕士学位论文 为了争取智能汽车的潜在市场，各国汽车制造商和研究机构纷纷加入到汽车智能化的 研究与设计。2 0 0 7 年法兰克福国际车展上博世推出了汽车防罚单系统，该系统以街边为焦 点，能够自动选择识别所有的交通标志，并在显示器上显示其指示内容，如果现有速度和 限制速度相差太远，自动控制装置可以警告驾驶员，防止驾驶员因超速收到罚单。而为了 改善汽车后视镜存在盲区这一状况，奥迪公司通过侧边雷达辅助系统监视后视镜盲区，车 速在6 0 公里以上时，雷达传感器就开始监测车身附近和车身后的状况，如果驾驶员没有发 现障碍而要超车，系统就会发出障碍报警。丰田公司则在其豪华品牌雷克萨斯上装载了一 种人睡识别装置，防止驾驶员在行车过程中出现打盹现象。该装置利用红外摄像头观察并 记录驾驶员的面部，当监测到驾驶员长时间没有关注路面状况的异常状态，警报器会发声 唤醒驾驶员。更令人称道的是，德国i b e o 公司成功地设计出了先进的无人驾驶汽车。在行 驶过程中，车内安装的全球定位仪g p s 随时获取汽车所在准确方位的信息数据，隐藏在前 灯和尾灯附近的三个激光传感器是汽车的“眼晴”，拥有全方位的视野，可以应对繁华拥 堵的市区交通。它们随时“观察”汽车周围2 0 0 码( 约1 8 3 米) 内的道路状况，并将电子 数据输入车载的“黑匣子”电脑。“黑匣子”装有g p s ，能够为汽车绘制三维道路模型，包 括路面状况、建筑物、其它汽车以及行人。除此之外，这些“眼晴”还能识别各种交通标 识，如速度限制、红绿灯、车道划分、停靠点等，保证汽车在遵守交通规则的前提下安全 行驶。 智能汽车的智能化程度不断提高，然而其产品的成本控制和普及还需要一定的过程。 目前针对大众化的普通民用汽车，市场上的车载信息系统功能主要集中在两个主要领域： 一个是车载导航系统，另一个就是车载娱乐系统。当今世界上几乎所有的发达国家和相当 的发展中国家都在开展汽车导航及其应用的研究和产品开发。随着技术的进步、应用需求 的增加，g p s 以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授 时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使g p s 成为继蜂窝移动 通信和互联网之后的全球第三个i t 经济新增长点。 第一代真正意义的车载导航系统出现于7 0 年代末，以美国开发的自主式路径导航系统 ( a u t o m a t i cr o u t ec o n t r o ls y s t e m ，简称a r c s ) 为先驱，能够利用航位推算技术和地图匹 配( m a pm a t c h i n g ，简称删) 算法进行定位。9 0 年代后，随着计算机和通信技术的飞速发展， 车辆定位与导航系统开始进入真正的实月j 阶段，特别是美国全球卫星定位系统的建立，为 全球范同内的用户提供了一种廉价、实用的定位手段，使车辆定位与导航系统的发展进入 了高潮。目前，国外已有多家公司提出了自己的车载导航与信息系统，如法国的c a r m i n a t 车载组合导航和信息系统、美国g e n e r a lm o t o r 公司研制的t r a v t e k 车载导航集信息系统、 日本s u m i t o m o 电子公司研制的s u m i t o m o 汽车电子导航系统、美国f o r dm o t o r 公司和 c h r y s l e rm o t o r 公司等也提出了自己的车载导航系统1 3 5 。 我国g p s 车载导航系统的应用发展曲折而缓慢。g p s 卫星导航定位技术于上世纪8 0 年 代末引入中国，目前主要在大地测量( 测绘、勘探) 、海上渔业和车辆定位监控等领域得到 了比较广泛的应用。在全球g p s 应用领域中，车辆应用所占的比重最大，目前约占总数的 一2 南京信息工程大学硕士学位论文 4 0 以上。1 9 9 4 到1 9 9 5 年是第一阶段，当时上百家公司都来抢占g p s 车辆跟踪市场，但 由于当时市场尚未形成，加上技术不完善，能实际投入运行并坚持下来的极少。1 9 9 6 到1 9 9 7 年间是g p s 车辆跟踪系统市场的调整和充实时期，主要是公安、金融等部门利用其专用的 常规无线电台( 异频单工电台) 通信系统和模拟集群系统，在全国三四十个城市建成了金融 运钞车和公安交警车辆跟踪系统。1 9 9 8 到2 0 0 0 年g p s 车辆跟踪系统市场出现了快速增长 的势头。随着我国g s m 数字移动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通 信网络通过采用g s m 公众网的短信息服务找到了新的出路，这对g p s 车辆跟踪系统的发展 起着极大的促进作用伸。7 1 。 现在许多汽车生产厂家已将车载导航产品列入选装清单，随着汽车总线技术的广泛应 用与发展，相信不久的将来车载导航系统必将逐渐成为车辆的标准配置。同时从车载导航 系统的发展来看，随着人们对汽车的安全、舒适、多功能等特性需求的不断提高，单纯的 车载导航产品已逐渐不能满足市场需求。在未来几年里，随着现代微电子技术的发展，自 动控制技术、多媒体技术、互联网技术、无线通信等技术的引入，系统智能化、功能多元 化的车载信息系统作为未来车载设备发展的趋势，必将成为一个重要的研究课题。 1 3 本课题研究的目的和意义 车载信息系统的应用领域相当广泛，但智能交通领域绝对是个应用亮点。智能交通系 统( i n t e 1i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 是未来交通系统的发展方向，其是将先进 的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运 用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、 高效的综合交通运输管理系统旧10 | 。在智能交通体系中，作为运输主体的车辆是一个非常重 要的组成部分。车辆是智能交通的主要调节目标，智能交通最终实现的各项功能，都必须 在汽车上由相应的技术设备所支持。 随着改革开放和经济的高速发展，人民的生活水平大幅度提高，汽车日益成为人们不 可缺少的交通工具。据报告显示，2 0 0 6 年末全国民用汽车保有量达到4 9 8 5 万辆，比上年 末增长1 5 2 ，其中年末私人汽车保有量2 9 2 5 万辆，增长2 3 7 ，我国的汽车行业正处于 一个高速发展时期。但与此同时，汽车行业的高速发展和汽车保有量的急剧增加，也给城 市交通、社会发展和人民生活带来了一系列问题。目前我国大中城市普遍存在着交通拥挤、 运输效能低下、交通事故频发的现象，劫车、盗车等现象也逐年上升，如何对车辆进行有 效的管理，解决城市交通拥堵问题，从而实现智能交通，提高有限资源的利用率，日益成 为有关部门亟待解决的问题，而能够实现对车辆的位置、状态等动态信息的实时监控，及 时排除车辆遇到的问题，并能提供安全防盗功能，也逐渐成为人们对现代汽车日益增长的 功能需求。 事实上，造成目前交通问题恶化的一个重要原因是驾驶员不能及时得到准确有效的各 3 南京信息工程大学硕士学位论文 种相关信息，而解决该问题的关键是要让路、车、人三者有机地结合在一起，从根本上改 变现行汽车的信息采集处理、信息交换、车辆定位、车辆控制、安全保障等技术方案与体 系结构，使汽车更加智能化。c a n 总线技术在汽车中的广泛应用、g p s 全球定位系统和无线 通信技术的发展，为车载信息系统的应用实现提供了强有力的技术支持。车载信息系统利 用现有汽车c a n 总线网络，为驾驶员提供详细的汽车车况信息，同时通过g p s 实现定位， 并利用无线通信网络在车辆与信息中心之间形成信息交互的通信渠道，从而将车辆检测控 制、定位导航、安全防盗功能集于一身，实现车辆的有效管理和交通的智能化。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题将嵌入式技术应用于车载信息系统的研究与设计，采用基于a r m 9 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式l i n u x 操作系统的开发平台，从硬件和软件两大方面对车载信息系统进 行了系统的研究与设计，本文研究的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究和分析了a r i v l 9 处理器芯片$ 3 c 2 4 1 0 的内部结构，并且以$ 3 c 2 4 1 0 为核心搭 建了车载信息系统的硬件平台，详细地介绍了车载信息系统的各外围模块的硬件设计。车 载信息系统主要由数据处理模块、信号采集模块、定位导航模块、无线通信模块和人机交 互模块组成，各外围硬件模块主要包括电源、时钟、复位电路，存储器系统，u a r t 接口， c a n 总线接口，g p s 接收模块，g p r s 无线通信，l c d 液品显示屏和触摸屏。 ( 2 ) 研究和分析了l i n u x 系统的功能框架，为车载信息系统构建了嵌入式l i n u x 系统 平台。嵌入式l i n u x 系统的构建过程主要包括交叉开发环境的建立、引导装载程序 b o o t l o a d e rv i v i 的移植实现、l i n u x 内核的裁剪与移植、文件系统的创建和相关设备驱动 程序的研究与设计( 包括c a n 、l c d 和触摸屏驱动) 。 ( 3 ) 最后在l i n u x 系统环境下对车载信息系统的用户应用程序进行了开发。根据g p s 的语句特点，详细地设计了g p s 数据的接收处理过程，并引入嵌入式g i s 系统以实现定位 导航；利用a t 指令和p p p 协议实现了车载信息系统的拨号上网；此外，采用m i n i g u i 进行 了图形用户界面的设计。 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章车载信息系统的总体设计 2 1 系统的功能结构 本系统主要实现车辆检测控制、定位导航、安全防盗和综合信息显示功能，并协同实 现交通智能化。一方面通过g p s 定位实现车辆的实时定位，通过附带覆盖全国的数字电子 地图实现自主导航，同时在无线通信网络的支持下接收信息中心发布的道路信息，及时地 调整行车路线，提高出行效率，降低能源消耗，并将车辆的位置状态信息传送到信息中心， 帮助交通部门调整和疏导交通，优化城市交通；另一方面，利用现有车身网络对车辆自身 电子设备的状态信息进行采集并通过显示终端显示，让驾驶员可以及时直观地了解车况， 减少和避免交通事故的发生；除此之外，系统还提供了防盗报警功能，可以接收信息中心 的远程控制命令实现安全防护。 根据车载信息系统的功能需求，该系统主要由数据处理模块、信号采集模块、定位导 航模块、无线通信模块和人机交互模块组成，系统的结构如图2 1 所示。 图2 1 系统的结构图 ( 1 ) 数据处理模块：数据处理模块是车载信息系统的管理控制中心，主要由嵌入式处 理器和嵌入式操作系统组成，它负责各外围模块信息数据的接收、处理、传送和显示，协 调各个模块的工作运行。 ( 2 ) 信号采集模块：信号采集模块利用c a n 总线收发器实现对车身网络主要节点的状 态检测，对汽车速度、发动机转速、水温、油量等信息进行信号采集，通过液晶显示终端 提供详细的车身状况信息，为驾驶员的行车安全提供强有力的保障。同时借助于无线通信 5 南京信息工程大学硕士学位论文 模块接收信息中心的控制命令，实现对车辆的远程控制。 ( 3 ) 定位导航模块：定位导航模块利用全球定位系统g p s 接收机接收卫星信号，获取 时间、日期、经纬度信息，一方面实现对系统实时时钟的校验，为驾驶员提供标准的时间、 日期信息；另一方面可以实时确定汽车的位置，实现对车辆的监控，并结合嵌入式地理信 息系统6 i s 实现自主导航。 ( 4 ) 无线通信模块：无线通信模块是实现车辆、驾驶员和信息中心信息交互的桥梁， 它利用现有的g p r s 通信网络将汽车的位置状态信息传送到信息中心，协同实现车辆交通管 制，并接收信息中心的道路状况信息，便利行车出行。在遇到紧急情况时可以通过短信息 人工或智能报警，信息中心接收到报警信息，通过断油电、锁车门方法实现汽车的安全防 盗。 ( 5 ) 人机交互模块：人机交互模块利用l c d 液晶显示屏和触摸屏为驾驶员提供了一个 形象直观的操作平台，驾驶员借助于这些车况信息，可以及时作出准确的判断，采取有效 的措施，从而提高行车安全性，并通过触摸屏的窗口切换显示导航电子地图。 2 2 嵌入式技术 随着嵌入式技术的快速发展，嵌入式系统在汽车电子设备中得到了广泛应用。目前， 从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载信息系统都离不开嵌入式技 术的支持。 2 2 1 嵌入式系统的概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪的，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统1 。嵌入式系 统通常由嵌入式处理器、外同硬件设备、嵌入式操作系统和应用软件等几部分组成，是集 软硬件于一体的可独立工作的系统，与通用计算机相比主要具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统是面向特定应用的，嵌入式处理器大多数是专门为特定应用而设计的， 具有低功耗、体积小、集成度高等特点，一般是包含各l b j l - 同设备的片上系统。 ( 2 ) 嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件技术等，是一 个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都具有高度可定制性，这样才能适用嵌入式系统，在产 品价格性能等方面具有很强的竞争力。 ( 4 ) 嵌入式系统的生命周期比较长，嵌入式系统应用到实际产品中后，还可以进行软 件升级，它的生命周期几乎与产品的生命周期一致。 ( 5 ) 嵌入式系统不具备本地系统开发的能力，因此必需有一套专门的开发工具和相应 6 南京信息工程大学硕士学位论文 的开发环境。 2 2 2 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它的性能好坏将直接影响到整个系统的性能 优劣。a r m 处理器是一种低功耗高性能的3 2 位r i s c 处理器，而且体积小，成本低，它与 免费开源的嵌入式l i n u x 紧密结合，在嵌入式领域得到了广阔的应用，特别其中的a r m 9 系 列更是占据了3 2 位r i s c 处理器的大部分市场。 a r m 处理器支持t h u m b l 6 位和a r m 3 2 位双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件。a r m 处理器大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快，寻址方 式简单灵活，执行效率更高，而且具有同定的指令长度。为了在保证a r m 处理器高性能的 同时，进一步减小芯片的体积和功耗，所有的指令都可以根据前面的执行结果决定是否执 行，可用加载存储指令批量传输数据，从而提高数据传输率。同时可在一条数据处理命令 的同时完成逻辑处理和移位处理，在循环处理中使用地址的自动增减米提高运行效率n2 1 。 本系统采用三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片作为微处理器，$ 3 c 2 4 1 0 是三星公司推出的主 要面向手持设备及高性价比、低功耗应用的1 6 3 2 位r i s c 处理器，有x 型和a 型二个型号，a 型是x 型的改进型，具有更好的性能和更低的功耗。$ 3 c 2 4 1 0 a 的c p u 内核采用了a r m 公司设计 的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理器，a r m 9 2 0 t 处理器实现了m m u 、a m b a 总线s h h a r v a r d 高速缓冲 体系结构，这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 并h 1 6 k b 数据c a c h e 。 $ 3 c 2 4 1 0 a 还提供了一系列系统外围设备，大大降低了整个系统的成本，省去了为系统 配置额外器件的开销，集成的片上功能主要有u3 | ： 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； 电源控制模块包括正常、慢速、空闲和掉电4 种模式； 具有p l l 片上时钟发生器； 具有日历功能的r t c ； 看门狗定时器； 3 通道u a r t ： 2 个u s b 主设备接口，1 个u s b 从设备接口： 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器： 1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源； 4 通道d m a 并有外部请求引脚； l c d 控制器，提供1 通道l c d 专用d m a ； 8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口； s d 主接口版本1 o 和m m c 卡协议2 1 l 兼容版。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 3 嵌入式操作系统 在较大或较复杂的嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更为方便、快捷，需要具备 一种稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时响 应，并提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统常常有实时性的要求，国 外嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，具有代表性有v x w o r k s 、l zc 0 s i i 、w i n d o w s c e 和嵌入式l i n u x 1 4 - 1 5 。 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司设计开发的一种实时操作系统，它以良好的 可靠性和卓越的实时陛被广泛地应用在通信、军事、航天航空等高精尖技术和对实时性要 求极高的领域，是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。1 9 9 7 年4 月在火星表面登陆的火星探测器上就使用了v x w o r k s ，但因其价格比较昂贵，不利于产品 的成本控制。 uc 0 s i i 是一个源码开放、可移植、可固化、可裁剪的可剥夺型的实时多任务操作系 统，具有很好的稳定性和可靠性。但它只包含进程调度、时钟管理、内存管理和进程间通 信与同步等基本功能，而没有i 0 管理、文件系统和网络模块，也不支持时间片轮转调度， 功能相对比较缺乏。 w i n d o w s c e 是微软公司开发的一款开放、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，它不仅继承 了传统的w i n d o w s 图形界面，而且支持w i n d o w s 系列系统环境下使用的编程工具，应用软 件只需简单的修改和移植就可在w i n d o w s c e 平台上使用，但它属于非实时的操作系统。 嵌入式l i n u x 是一款免费的开放源码的嵌入式操作系统，它具有精简的内核和性能高、 稳定、良好的多任务支持，适用于不同的c p u ，支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 等多 种体系结构。它支持嵌入式g u i ，可提供图形化的定制和配置工具，支持大量的周边硬件 设备，并具有丰富的软件资源。用户可根据自己的应用需求对系统进行定制、裁剪，是目 前嵌入式应用开发的理想选择。本系统也采用嵌入式l i n u x 作为嵌入式开发平台。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章车载信息系统的硬件设计 3 1 数据处理模块 数据处理模块是车载信息系统的管理控制中心，它负责其他各外围模块信息数据的接 收、处理、传送和显示，协调各个模块的工作运行，其硬件设计主要包括$ 3 c 2 4 1 0 a 的最小 系统设计、存储系统设计和u a r t 接口设计。 3 1 1 最小系统设计 1 电源电路 b t ii)(；d7 一ii 卜1 十纠叫 画 ： b a t i e r y i n 4 1 4 8 1 n 4 】4 8 图3 1 电源电路 电源是整个系统的工作基础，系统需要一个稳定的可靠电压才能正常工作n 引。汽车上 各种电气设备很多，各种开关、继电器等动作频繁，造成车内电源电压不稳，瞬间电压脉 9 南京信息工程大学硕士学位论文 冲干扰很大，而且汽车的电平电压一般为1 2 v 或2 4 v ，如果采取直接利用车内电源，需要 将1 2 v 2 4 v 的直流电变换成该系统内部芯片所需的直流电。考虑到本系统中外围模块需要 5 v 直流电压，a r m 端口电压3 3 v ，a r m 内核及实时时钟r t c 电压1 8 v ，首先采用l m 2 6 7 6 电压转换芯片将汽车内部的1 2 v 2 4 v 直流电压分别转换成5 v 和3 3 v ，再通过l m l11 7 转换 芯片将5 v 电压转换成内核和r t c 所需的1 8 v 直流电压。电源电路如图3 1 所示。 为了保证实时时钟r t c 能够一直处于正常工作状态，本系统提供了备用电池电路，在 系统掉电后，备用电池开始供电，从而保证r t c 正常有效地工作。 2 时钟电路 时钟电路用于向c p u 及其它电路提供工作时钟。$ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器的工作时钟可以由 外部时钟源提供，也可以由外部振荡器提供，具体采用哪种方式可以通过设置引脚0 m 3 ：2 来选择。 o m 3 ：2 = 0 0 时，m p l l 和u p l l 的时钟均选择外部振荡器； 0 m 3 ：2 = 0 1 时，m p l l 的时钟选择外部振荡器，u p l l 选择外部时钟源； 0 m 3 ：2 7 = 1 0 时，m p l l 的时钟选择外部时钟源，u p l l 选择外部振荡器； 0 m 3 ：2 = 1 1 时，m p l l 和u p l l 的时钟均选择外部时钟源。 在该系统中，选择采用o m 3 ：2 均接地的方式，即主时钟m p l l 和u s b 时钟u p l l 均由 外部振荡器提供，同时须将外部时钟源e x t c l k 接高电平。$ 3 c 2 4 1 0 a 片内p l l 电路兼有倍 频和信号提纯功能，系统可以以较低的外部时钟信号获取较高的工作频率，从而降低因高 速开关时钟所造成的高频噪声。根据$ 3 c 2 4 i o a 的最高工作频率和p l l 电路的工作方式，外 部振荡器可以由1 2 m h z 晶振和2 个1 5 p f 的微调电容组成，品振频率经过p l l 电路的倍频后， 最高可达2 0 0 m h z 。$ 3 c 2 4 i o a 内部还带有一个实时日历时钟单元r t c ，能像钟表和日历一样 保存并自动计算时间，r t c 时钟电路也采用相同的方式，品振电路由3 2 7 6 8 k h z 的晶振和2 个2 2p f 的微调电容组成。时钟电路如图3 2 所示。 j 图3 2 时钟电路 3 复位电路 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。 复位电路可以由简单的r c 电路构成，也可以使用其他的相对复杂，但功能比较完善的电路。 考虑到系统的成本控制和可靠性，本系统采用简单经典的r c 复位电路，如图3 3 所示。 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 在系统上电时，通过电阻r 8 向电容c 2 0 充电，当c 2 0 两端的电压未达到高电平的门限 电压时，n r e s e t 端输出低电平，系统处于复位状态；而当c 2 0 两端的电压达到高电平的门 限电压时，n r e s e t 端输出高电平，系统进入正常工作状态。 当用户按下人工复位键r e s e t 时，c 2 0 两端的电荷被释放掉，n r e s e t 端输出低电平， 系统进入复位状态，然后再重复上面的充电过程，进入正常工作状态。二级非门电路用于 按键的去抖动和波形整形，通过调整r 8 和c 2 0 的参数，可调整复位状态的时间，r e s e t 端 的输出状态与n r e s e t 端相反，可用于高电平复位的器件3 。 33 v 3 1 2 存储系统设计 图3 3 复位电路 在基于a r m 的嵌入式应用系统中可能包含多种类型的片外存储器件，如f l a s h 、s r a m 、 s d r a m 等，而且不同类型的存储器件要求不同的速度、数据宽度等。为了对这些不同速度、 类型、总线宽度的存储器进行管理，存储器管理控制器是必不可少的，s 3 c 2 4 1 0 a 处理器的 存储器控制器提供了访问外部存储器所需要的存储器控制信号。$ 3 c 2 4 1 0 a 存储系统总共有 8 个存储器b a n k ( b a n k o - b a n k 7 ) ，片选分别为n g c s o 一7 ，其中6 个用于r o m 、s r a m 等，而 剩下的2 个用于r o m 、s r a m 、s d r a m 等。每个b a n k 大小为1 2 8 m b ，共1 g b 的地址空间， b a n k o b a n k 6 这7 个存储器b a n k 具有l 古l 定的起始地址，而b a n k 7 的起始地址是可调整的， 除b a n k o 外，其他的b a n k 都具有可编程的访问大小( 8 1 6 3 2 位) 。$ 3 c 2 4 1 0 a 支持s d r a m 的白刷新和掉电模式，可通过软件选择d , 大端，并且总线访问周期可以通过插入外部等待 来延长“引。 本系统中采用s d r a m 存储器作为主存储器，f l a s h 存储器为辅助存储器。f l a s h 存储器 是一种可在系统( i n - s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。作为一种非易失性 存储器，f l a s h 在系统中通常用丁存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存 的用户数据等。s d r w i 具有高速、大容量等特点，是一种具有同步接口的高速动态随机存 储器，与f l a s h 存储器相比，s d r a m 不具备掉电保存数据的特性，但由于其存取速度远远 南京信息工程大学硕士学位论文 大于f l a s h ，并且具有很好的读写属性，常常用作程序的运行空间、数据和堆栈区。 1 s d r a m 接口设计 k 4 s 5 1 1 6 3 2 d 是三星公司生产的8 m 1 6 b i t x 4 b a n k s 的s d r a m 存储器，容量为6 4 m b ，为了 充分发挥a r m 3 2 为处理器的数据处理能力，本系统采用2 片k 4 s 5 1 1 6 3 2 d 并联的方式，其中一 片作为高1 6 位，另一片为低1 6 位，构成3 2 位地址宽度，将它们作为一个整体配置到b a n k 6 ， 即片选选择n g c s 6 。$ 3 c 2 4 1 0 a 片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便地与s d r a m 接口。 s d r a m 的接口电路如图3 4 所示。当系统启动时，处理器从复位位置读取启动代码完成初始 化后，将内核调入到s d r a m ，解压后运行，以提高运行速度，其他应用程序也一样。 图3 4s d r a m 接口电路 2 f l a s h 接口设计 f l a s h 存储器具有速度快、成本低等优点，主要分为n o rf l a s h 和n a n df l a s h 二类。 任何f l a s h 器件进行写操作前必须先执行擦除操作，n a n df l a s h 的擦除操作很简单，而n o r f l a s h 在擦除前需要将目标块内的所有位都写o ，而且n o rf l a s h 的擦除块尺寸较小，对于 给定的一套写入操作，更多的擦除操作必须在基于n o rf l a s h 的单元内进行，但n o rf l a s h 的读取速度稍快一些。n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的引脚来寻址，可以很容易存取 每一字节的内容，n a n df l a s h 使用复杂的i o 口来串行存取数据，读写操作采用5 1 2 字节 的块，可