（通信与信息系统专业论文）车载多媒体信息平台设计.pdf

摘要 随着汽车产业的发展，人们对汽车各方面的功能需求越来越高，车载多媒 体应用正是其中兼有监控和娱乐功能的一个重要课题，并已逐渐形成一个专有 的产业，如车载m p 3 ，汽车导航g p s 系统，车载d v d 等。本课题正是在这一 趋势下形成，主要研究和构建多功能车载多媒体信息平台，为驾车者提供便捷 了解车内各类电子设备运行状态的友好人机交互操作平台。作为嵌入式控制系 统比较成熟且发展迅速的a r m 技术，能满足本课题中央控制功能；同时，控制 器与设备间的信息交互，选用了现今较为成熟并能很好适应的车载环境的c a n 总线技术，利用c a n o p e n 协议和对应的子协议，便于各类c a n 总线设备跨接 在系统c a n o p e n 总线上与控制器进行通信。 本文在课题研究背景和目的下对车载多媒体信息平台的构成进行了研究， 探讨了车载多媒体信息平台的总体构成，并在总体架构上对各设备接口电路进 行设计，对为了保证各接口电路的稳定工作所做的电路改进进行了讨论，如u s b 接口e s d 保护电路，电源e m i 过滤电路；软件上使用定制的开放源码的嵌入式 l i n u x 系统，并探讨了如何在内核上对各设备进行驱动加载，对比了驱动程序不 同加载方式的优缺点：此外还探讨了如何利用m i n i g u i 实现对用户界面的程序 编写以及对c a n 总线信息、摄像头数据、音频文件进行播放和显示。 最后，通过研究与设计，基本完成了对车载多媒体信息平台的搭建，形成 了以s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 为核心c p u ，利用支持c a n 2 0 b 的c a n 接口 芯片m c p 2 5 1 5 ，带有6 4 0 4 8 0 像素分辨率液晶屏的多媒体信息平台；软件上使 用了定制的嵌入式l i n u x ，以2 6 1 3 内核为基础，分别设计了i i s 接口的u d a l 3 4 1 音频驱动、u s b 接口摄像头驱动、液晶屏l c d 驱动、s p i 接口的c a n 总线驱 动，并在此基础上利用m i n i g u i 完成了基于m a d p l a y e r 的音频播放器设计、摄像 头动态图像显示和c a n 接口的电子模拟仪表盘。本车载多媒体信息平台，不仅 完成了对音、视频文件的播放；并且系统支持c a n o p e n 协议，该协议在l i n u x 中以自定义服务( m i n i c a n ) 在后台运行，可以为c i a 规定的最小能力设备的 c a n o p e n 子设备提供支持；此外更提供了一种车载应用程序的平台和接口，系 统的开放性和灵活的可配制性正是本方案最大的优点。 关键字：车载信息平台，嵌入式l i n u x ，c a n o p e n ，设备驱动 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fv e h i c l ei n d u s t r ya n dr e q u i r e m e n to fi n v e h i c l e a p p l i c a t i o n s ，t h ec e n t r a lc o n t r o ls y s t e ms h o u l dh a v em u l t i m e d i ap r o c e s sa b i l i t y t h u s h o wt oe s t a b l i s has y s t e m i n c l u d i n g e l e c t r o n i c e q u i p m e n tm o n i t o r i n g a n d e n t e r t a i n m e n tf u n c t i o n i n gh a sb e c o m eaq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o n ，w h i c hh a s a m s o g r o w nu pad o m a i ns u c h 舔v e h i c l ec a r r i e rm p 3 ，a u t o m o b i l eg p sn a v i g a t i o ns y s t e m ， c a r d v de t c t h i sp a p e rw a sa r o u s e da tt h i sb a c k g r o u n da n dm a i n l yf o c u s e do n r e s e a r c ha n de s t a b l i s has y s t e mh a v et h ea b i l i t yt op r o v i d ed r i v e rh u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ，w h i c hc o u l dd i s p l a yv e h i c l ee l e c t r o n i ce q u i p m e n ti n f oa n dp l a y b a c ks o u n d a n dv i d e o a r mc o r eb a s e dc p uw a su s e da st h em a i nc o n t r o lu n i to ft h i ss y s t e mt o l i n kd i f f e r e n te q u i p m e n t st h r o u g hc a nb u s t h i ss y s t e mh a dac a nb u si n t e r f a c e w h i c hc o u l dc o n n e c tc a n o p e ns l a v ed e v i c e s o n l ys u bp r o f i l ew a sr e q u i r e dw h e na c e r t a i ns l a v ed e v i c ec o n n e c t e ds u c ha sd s - 3 0 1 ，t h e r e f o r et h ed r i v e rc o u l dc o n t r o la n d m o n i t o rs u c he q u i p m e n tc o n v e n i e n t l y t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h i ss u b j e c ta n ds t r u c t u r eo f i n - v e h i c l em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns y s t e ma n dg i v e no u t t h eg e n e r a lf r a m eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nh a r d w a r ed e s i g n ，s p e c i a lp r o t e c tc i r c u i tw a sa d d e dt o e n s u r em a i ni n t e r f a c ew o r kw e l l ，f o ri n s t a n c eu n i v e r s a ls e r i a lb u se s d p r o t e , c tc i r c u i t a n dp o w e re m if i l t e r i ns o f t w a r ed e s i g n ，o p e n s o u r c ee m b e d d e dl i n u xv e r s i o n 2 6 1 3w a su s e da so p e r a t i o ns y s t e m t w om e t h o d so fd r i v e rl o a d i n gt e c h n o l o g yw e r e c o m p a r e di nd e t a i l ，l i s t e da d v a n t a g eo fd y n a m i cd r i v e rl o a d i n gi nd e b u g g i n g p r o g r a m m i n gs k i l lo fa p p l i c a t i o nr u n n i n go nm i n i g u ia n dm a i nf l o wo fc a m e r a c a p t u r e ，s o u n da n dv i d e op l a y e rw e r eg i v e n a tl a s t ，b yr e s e a r c h ，c o m p a r ea n dd e s i g n ，w em a i n l yc o m p l e t e de s t a b l i s h i n g i n v e h i c l em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns y s t e m ，b e l o wh a r d w a r ec i r c u i tw a sc o m p l e t e d ： $ 3 c 2 4 4 0c o r ec i r c u i t ，m c p 2 5 1 5c h i pb a s e dc a n 2 0 bb u si n t e r f a c ec i r c u i t ，l i q u i d c r y s t a ld i s p l a yw i t h6 4 0 4 8 0p i x e lr e s o l u t i o nd r i v e rc i r c u i t ，u n i v e r s a ls e r i a lb u se s d p r o t e c tc i r c u i t ，i n t e r - l cs o u n dc a r dc i r c u i t ；s o f t w a r es y s t e mw a sb a s e do no p e n s o u r c e de m b e d d e dl i n u xw i t h2 6 1 3v e r s i o n b e l o wd e v i c ed r i v e r sw e r ec u s t o m i z e d ： i n t e r - i cs o u n db u su d a l 3 4 1s o u n dc a r dd r i v e r , z c 3 0 1 pc o r eb a s e du n i v e r s a ls e r i a l b u sd r i v e r , l c df r a m e b u f f e rd r i v e r , c a nb u sd r i v e rt h r o u g hs e r i a l p e r i p h e r a l i n t e r f a c e b a s e do nt h e s el i n u xd e v i c ed r i v e r sa n dg r a p h i cu s e ri n t e r f a c em i n i g u i ， b e l o w a p p l i c a t i o n so fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o nb a c k g r o u n dw e r ec o m p l e t e d ：s o u n dp l a y e r w h i c hs u p p o r tm p 3 ，w m a , a c 3 ，w a vf i l ep l a y b a c kb a s e do nm a d p l a y e r , d y n a m i c c a m e r ac a p t u r ea n dd i s p l a y , c a ni n t e r f a c ee l e c t r o n i cs i m u l a t e dm e t e lt h i sp a p e r d e s i g n e das y s t e mh a dn o to n l ya b i l i t yo f m u l t i m e d i af i l ep l a y b a c kb u tc a n o p e n p r o t o c o ld e v i c es u p p o r t c a n o p e ns e r v i c e sw e r er u n n i n gi nt h eb a c k g r o u n di n e m b e d d e dl i n u xa sau s e r - d e f i n e ds e r v i c en a m e dm i n i c a n ，w h i c hc o u l dc o n n e c ta c a n o p e nm i n i m a lc a p a c i t ys l a v ed e v i c e s u c hd e v i c ew a sd e s c r i b e db yc i a ( c a n i n a u t o m a t i o n ) m e a n st e s t i n gc a p a c i t y a n dc o m p a t i b i l i t yo f c a n o p e n m a s t e r a d d i t i o n a l l y , t h es y s t e mp r o v i d e da d e q u a t ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c ef o rf u r t h e rd e v e l o p b yu s i n gt h eo p e n s o u r c el i n u x ，t h eo p e n i n ga n dc o n f i g u r a b l eo fs o f t w a r es y s t e mw a s t h em o s ta d v a n t a g eo ft h i si n v e h i c l em u l t i m e d i as y s t e m k e yw o r d s ：i n - v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，e m b e d d e dl i n u x ，c a n o p e n , d e v i c e d r i v e r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 近年来，汽车电子产品市场规模日益扩大，汽车电子的应用不断深入。根 据赛迪顾问在“2 0 0 7 中国汽车电子产业发展及技术研讨会一发布的数字，2 0 0 7 年中国汽车电子市场超过1 1 5 0 亿元，同比增长超过3 0 。在未来几年内，中国 汽车电子市场将持续保持快速的发展，预计到2 0 1 1 年，中国汽车电子市场规模 将达到近2 4 0 0 亿元，年均增长2 2 5 。目前，汽车电子产品分布情况大约为： 动力系统占3 7 ，车辆安全控制占2 4 ，车辆底盘与悬架系统占1 6 ，娱乐占 1 2 ，舒适占1 1 。汽车除了作为交通工具外，驾驶的安全、舒适和完备的娱乐 通信功能正逐渐得到业界的重视。 在这种发展趋势的推动下，车载多媒体信息系统近年来逐渐成为全球范围 内一种新兴的高技术产业。车载娱乐系统已成为消费电子行业中的第三大户， 从销售数量来看，仅次于个人和家庭娱乐系统。 1 2 车载多媒体信息平台国内外发展现状 从1 9 世纪末到现在，国外汽车经过了一个世纪的发展，培养出了如通用， 丰田，奔驰等众多知名企业，他们在汽车行业有着深厚的技术沉淀，引领着现 代汽车发展的导航标，自然不会放过车载信息平台这类新兴的汽车电子设备。 如去年1 2 月份，日本n e c 与本田宣布联合开发新一代车载信息设备，并且已 经完成了该系统的主干部分微控制器和o s 的原型开发【。据n e c 介绍， 新一代车载信息设备平台中，管理车辆控制系统以及车体系统的联动控制类的 实时o s 以及车载导航，视频，音响等与外部通信和用户交互类o s 将有微控制 器协同作业。 经过调研，该系统以英国a r m 和n e c 集团共同开发的对称型多核微控制 器“a r m l lm p c o r e 为基础【2 1 ，采用统一架构、实现了易于进行周边功能的更 1 武汉理工大学硕士学位论文 换和扩充的结构，比如具有面向图像识别等应用的高并行处理器阵列“i m a p 、 p c i e x p r e s s 等的标准i o 单元、g p s 以及显示控制等车辆单元的功能。 在国外，车载信息平台很少被单独提出来，多数人把它理解为车载多媒体【3 1 。 但是这个概念被引进到国内时被大部分误解，以致出现了用笔记本改装成车载 多媒体，工控机充当车载多媒体的例子【4 1 。而车载多媒体除了大家普遍认为的音 频，视频，g p s 导航等娱乐功能外，其实它更担负着汽车信息显示，各类仪表 电子化，故障诊断等等一系列与汽车周围底层电子系统息息相关的功能。更应 该把它看作是汽车电子系统的中央控制器。 由于国内本土汽车制造商产品定位比较低端，他们更关注狭义的车载多媒 体，比如车载导航，汽车音响。这些方面的产品技术含量不高，国内厂家非常 多，技术比较成熟。而对广义的车载多媒体信息平台的研究发展则远远落后于 国外。 1 3 本文主要的研究内容 本文着力于构建一个拥有图形界面的嵌入式系统，提供人性化的用户交互， 能够显示c a n 总线的数据信息，支持m p 3 音频播放，摄像头视频采集与显示， 以太网，开放式c a n 接口等。主要的研究内容如下： ( 1 )基于a r m 9 的嵌入式硬件平台搭建，各种单元电路，接口电路e s d 保护，电源电路防浪涌设计等； ( 2 )系统引导代码设计，主要完成操作系统内核映像的传输与引导，文 件系统的传输； ( 3 )嵌入式l i n u x 操作系统的移植和设备驱动的编写； ( 4 ) c a n o p e n 精简协议栈m i n i c a n 在l i n u x 中的实现。 目前车内电子控制系统主要以i d b 1 3 9 4 和m o s t ( 用于多媒体) 、f l e x r a y 和t r c a n ( 用于线控) 、c a n 、i d b c 和g m i _ a ns w c ( 用于动力总成控制) 、 j 1 8 5 0 和l i n ( 用于车身控制) 、k e y w r o d 2 0 0 0 和i s o9 1 4 1 ( 用于诊断) p j 。 从瑞萨公司提供的图1 - 1 可以看出，c a n 仍然是汽车电子控制中可靠性最 高，使用最广泛的车内总线，并且法律规定汽车必须提供c a n 接口以进行故障 诊蝌叫，因此作为车载信息平台提供c a n 接口是必须的。 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统设计方案的创新点主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 用嵌入式平台替代传统的基于p c 架构的车载信息平台设计； ( 2 ) c a n o p e n 高层协议在l i a u x 中的实现。 乍身控制系境 图1 - 1 汽车内部总线分稚 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车载信息平台系统架构 本系统包括由三星电子生产的a r m 9 2 0 t 内核的芯片$ 3 c 2 4 4 0 a 为主处理器 【6 l ，4 0 0 m h z 主频，6 4 ms d r a m ，6 4 mn a n df l a s h ，以太网等的核心板，加 扩展板的模式。主要包括核心板，m c p 2 5 1 5 的c a n 接口板，l c d 模组，u s b 摄像头，和其他外部接口如串口、u s b 等。操作系统为2 6 1 3 版本的嵌入式l i n u x ， 各个模块以任务或者服务的形式运行。 2 1 硬件架构 系统使用的是$ 3 c 2 4 4 0 a - 4 0 核心板加扩展板的结构，利用板载的一些扩展 接口，比如u s b ，s p i ，i i c ，i i s 等提供功能性扩展，其中，摄像头使用市面上 普通的u s bf u l l s p e e d1 3 0 w 像素数码摄像头，c a n 接口板使用的是 m c p 2 5 1 5 + a 【m 8 2 5 1 a 收发器的模式，完全支持c a n 2 0 b ，带总线隔离和t v s 保护。音频模块使用i i s 接口，提供双声道立体声s t e r e o ，也支持单声道的录音。 如图2 1 所示。 图2 - 1 系统整体架构框图 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 $ 3 c 2 4 4 0 核心电路 $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式处理器，主频高达 4 0 0 m h z ，最高可达5 3 3 m h z ，低功耗、高性能，广泛地应用于p d a 、便携媒体 播放器、卫星导航仪等多媒体终端，片上集成指令数据分开的1 6 k c a c h e 、 s d 凡蝴控制器、l c d 控制器、4 通道d m a 、3 通道u a r t 、i i c 总线、i i s 总 线、s d 主机接口、p w m 定时器、看门狗、片上p l l 时钟发生器、8 通道1 0 位 a d 控制器和触摸屏接口以及带日历函数的实时时钟，极大地方便于系统开发用。 三星为$ 3 c 2 4 4 0 提供了工业级的制造工艺与流片工艺保证，因此该c p u 可以适 用于严酷的车内运行环境。本系统的核心电路所含硬件资源包括： ( 1 ) 处理器( c p u ) ：三星s 3 c 2 4 4 0 ( a r m 9 2 0 tc o r ew i t hm m c ，最高主频可 达5 3 2 m h z ) ； ( 2 ) 内存( s d r a m ) ：3 2 m b x 2 1 ( 3 ) n a n df l a s h ： 6 4 m b ； ( 4 ) 液晶屏：6 4 0 x 4 8 01 6 b p p 带4 线电阻式触摸屏； ( 5 ) u s b ：1 个h o s t ，1 个c l i e n t l ( 6 ) 音频：1 路立体声音频输出，1 路麦克风接口； ( 7 ) 网络：1 个1 0 0 m 以太网l u 4 5 口； ( 8 ) s d m m c 卡：1 个s d m m c 卡存储接口； ( 9 ) 串口：3 个串口，c o m o 为标准串口，c o m l ，c o m 2 为三线制串口； ( 1 0 ) 实时时钟：自带r t c ，带有备份锂电池； ( 1 1 ) i i c ： 1 路标准i i c 就口； ( 1 2 ) s p i ：2 路带片选s p i 。 2 1 2m c p 2 5 1 5c a n 接口板 c a n 接口板使用m c p 2 5 1 5 通过s p i 与c p u 进行通信。接口板只提供物理 层与c a n 总线连接，不参与c a n 报文的处理，仅仅做最底层的过滤，只接收 与本机帧i d 相同的数据包，将报文的处理直接交由c p u ，便于c p u 在操作系 统层面统一分配调度。 5 武汉理工大学硕士学位论文 m c p 2 5 1 5 是m i c r o c h i p 公司首批独立c a n 解决方案的升级器件【引，最大时 钟输入速度为4 0 m h z ，并具有一个1 0 m h z 的高速s p i 接口。其传输能力较 m i c r o c h i p 公司原有c a n 控制器( m c p 2 5 1 0 ) 高两倍，可达到1 m b p s 。 灵活的中断能力、接收帧屏蔽和过滤、帧优先级设定等特性使其能够很好 的对信息进行管理，减轻了处理器的负担和软件设计的复杂度。其独特功能如 下： ( 1 ) 有标准帧和扩展帧两种数据帧可供选择，每个帧的数据字段长度可为 o 8 字节，标准帧数据段的前两个字节可单独过滤； ( 2 ) 内含3 个发送缓冲器和2 个接收缓冲器，并且其优先级可编程设定； ( 3 ) 内含6 个2 9 字节的接收过滤器和2 个2 9 字节的接收屏蔽器； ( 4 ) 具有1 o o p b a c k ( 自环检测) 模式；支持高层的协议，如c a n o p e n 、 d e v i c e n e t 、s a 日1 9 3 9 。 2 1 3l c d 模组 三菱工业用8 4 寸屏，型号为a a 0 8 4 v c 0 3 9 1 。该屏的物理分辨率为6 4 0 x4 8 0 。 其他主要技术参数如下： ( 1 ) 显示尺寸：8 4i n c h ； ( 2 ) 外形尺寸：1 9 9 5x1 4 9 o 1 1 5m m | ( 3 ) 可视角度( l r ：u 仍) ：6 5 6 5 ：6 0 5 0 ； ( 4 ) 分辨率：6 4 0 x4 8 0 ； ( 5 ) 面板类型：t i 丌； ( 6 ) 显示颜色：2 6 2 k ； ( 7 ) 对比度：3 0 0 ：1 ； ( 8 ) 亮度：3 5 0 c d m 2 ； ( 9 ) 接口类型：t r l ； ( 1 0 ) 背光类型：2 c c f l ； ( 1 1 ) 响应时间：2 0 3 0 m s ： ( 1 2 ) 工作电压：3 3 v ： ( 1 3 ) 工作温度：0 - 5 0 ： ( 1 4 ) 重量：4 2 0 9 ： ( 1 5 ) 功耗：5 4 w 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 $ 3 c 2 4 4 0 自带有l c d 接口模块，支持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、 6 4 k 色、真彩色1 r i 叮液晶屏，尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可以达到 1 0 2 4 x 7 6 8 象素，该液晶自带背光与负压产生模块和驱动i c ，只要单+ 1 2 v 电压 输入。因此与该液晶模组很容易直接接口，并不需要电平缓冲。该l c d 采用 r g b 5 6 5 方式，1 6 根数据线，像素时钟p c l k ，水平时钟v s y n c ，垂直时钟 h s y n c 就可以驱动。具体见参考文献t 加】中的模组d a t a s h e e t 。l i n u x 中需要完成 其f r a m e b u f f e r 驱动。 2 1 4u s b 摄像头 摄像头可以在车载多媒体中充当后视镜的作用，让车主在倒车时可以通过 屏幕清楚得看到车后的情况，比现在只有滴滴声的倒车雷达清晰很多，更方便 看清复杂的路况，特别是停车位置。本系统的这款c p u 有c a m e r ai n t e r f a c e ，可 以支持最大2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素删rb t 6 0 1 6 5 6 格式的图像传感器，比如市面上 常见的c m o s 传感器1 1 1 1 ，但是此种方式对c p u 的要求很高，直接处理大量的图 像信息需要占用很多c p u 时间，而u s b 摄像头非常容易买到，而且价格更便宜， 电子市场一个1 3 0 w 像素的摄像头还不到1 0 0 元。另外非常重要的一点是通常 u s b 摄像头输出的图像格式已经是处理过的文件格式，主控制器可以不用参与 图像的采集，只需把它当作一个普通的u s b 设备，请求一次操作就可以获得一 帧图像信息，而且u s b 摄像头采集的图像支持j p e g 流或b m p 格式，非常方便， 分辨率也足够显示使用，通常可以做到6 4 0 x 4 8 0 。由于本系统中所使用的l c d 屏幕分辨率只有6 4 0 x 4 8 0 ，因此更大的图像分辨率没有实际意义。 本系统采用的u s b 摄像头为k i n s t o n e 的k s 1 8 8 1 1 2 1 ，该摄像头采用中星微 处理器z c 3 0 2 系列主控制器，动态画面最大输出2 0 0 万像素，最高帧率3 0 f p s ， 支持j p e g 视频流信号采集。 2 2 软件架构 嵌入式系统由启动代码v i v i 引导，v i v i 是系统上电后第一个运行的程序，它 主要完成的功能有两个，一是操作系统运行环境的初始化，二是代码的搬移和 地址的映射( 通过m m u ) 1 3 】。l i n u x 还需要传递一个启动参数【1 4 1 ，v i v i 在将c p u 控制权交给操作系统之前就自我销毁，操作系统运行前还需要对它使用的硬件 7 武汉理工大学硕士学位论文 进行初始化，这两者的初始化过程的关系要弄清。当操作系统运行起来后加载 了一系列设备驱动，如s p i 接口的m c p 2 5 1 5 ，z c 3 0 1 p 的u s b 摄像头驱动，l i n u x 支持动态加载设备驱动。除了设备驱动外，另外一个需要单独提供的是l c d 的 f r a m e b u f f e r 驱动给m i n i g u i 的移植提供驱动上的支持，对应1 6 b p p 的l c d 模组， 一个字对应一个颜色即为f r a m e b u f f e r ，只需设置好d m a 、l c dc o n f i g 和引脚功 能选择，u n i tc l o c ke n a b l e 即可【1 5 i 。 用户交互界面 c a n o p e n 刍定义 l i n a m五伍n i ( 孔 服务 各类d e v i c ed r i v e r f r a r r b u f f e r 嵌入乱i n 内核 启动代脚i v i 图2 2 软件架构框图 用户交互界面程序通过设备驱动提供的设备文件读写和i o c t l 控制硬件， 并不直接参与硬件读写，这样可以保证不同的任务同时操作某一个硬件而不干 扰。当然这需要设备驱动中提供类似的功能，如图2 2 所示。以c a n o p e n 为例， c a n o p e n 以m c p 2 5 1 5 的收发报文为基础，提供一系列c a n 设备的服务，这些 功能不是u n x 标准的系统服务，因为可以在系统开始时自己初始化一个用户服 务，将c a n o p e n 提供的一些接口在其中实现，通过m c p 2 5 1 5 的设备驱动收发 c a n 包。用户应用程序和服务程序通过进程间通讯的方式进行数据交换【1 6 1 ，类 似这种机制的现场总线控制被证实是可行的。 2 2 1 系统引导代码 v i v i 是一个b o o t l o a d e r ，何谓b o o t l o a d e r ? 在嵌入式系统b o o tl o a d e r 技术 内幕( 詹荣开著) 中的定义为：在操作系统内核运行之前运行的一段小程序， 主要功能为初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环 境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境【例。 v i v i 正是专门为$ 3 c 2 4 x 0 系列定制的b o o t l o a d e r 。它由m i z i 公司设计专为三星 8 武汉理工大学硕士学位论文 a r m 9 系列设计，因为m i z i 标准版本的v i v i 目前只支持使用串口和主机通信【1 8 】， 所以开发者必须使用一条串口电缆来连接目标板和主机。( 目前已经有支持u s b 接口下载的增强版v i v i ，见参考文献【1 9 】) 主要有如下作用： ( 1 ) 把内核( k e r n e l ) 从f l a s h 复制到r a m ，然后启动它； ( 2 ) 初始化硬件； ( 3 ) 下载程序并写入n a s h ( 一般通过串口或者网口先把内核下载到r a m 中，然后写入到n a s h ) ； ( 4 ) 检测目标板( b o o t l o a d e r 会有一些简单的代码用以测试目标板硬件的 好坏) 。 本系统使用的是增加了以太网下载内核和文件系统的增强型v i v i 。因为没有 n o rf l a s h ，此v i v i 还支持直接从n a n df l a s h 启动，也就是有一个c o p yi t s e l f 和初始化r w ，z i 段的功能。 2 2 2 各种设备驱动 设备驱动程序在整个系统中扮演着承上启下的角色，属于l i n u x 内核的一部 分，可以有两种方式加载：静态编译和动态加载。静态加载是将驱动程序与内 核一起编译，并经编译器链接生成可执行的二进制文件，并在内核加载时一并 初始化。动态加载的方式是把驱动程序编译为k 0 扩展名的文件，当系统运行起 来之后，通过命令加载，并可以卸载【冽。这样非常方便调试，一旦调试完成就 用静态编译的方式编进内核。 l i n u x 下的设备都以设备文件的形式存在，也就是d e v 下的设备文件，它是 一个“文件 ，因为它可以打开，可以关闭，可以读也可以写，但是它不是任何 一种格式的文件，这些文件的f i l eo p e r a t i o n 是由设备驱动中由用户定义实 现的。因此，对应用程序来说，任何的硬件只是一个“文件，只需知道一套接 口，比如读写，i o c t l ，就可以操作硬件，而不必去关心具体硬件寄存器等的设 置。设备驱动就是在这个中间传递的环节。 设备驱动主要分为两大类：字符设备和块设备【2 1 1 。字符设备是指设备发送 和接收数据以字符的形式进行。而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字 符设备典型的如i i c 驱动，r t c 驱动，触摸屏驱动等。这种设备往它发送一个控 制数据会立即得到其的反应，而典型的块设备如网卡，i d e 硬盘，往这类带缓冲 区内写数据并不会直接得到反应，而是满足其一定条件则触发实际的硬件功能。 9 武汉理工大学硕士学位论文 但是目前由于设备的功能逐步加强，比如串口，带f i f o 的串口越来越多，甚至 可以用d m a 控制发送接收，因此此类串口到底属于字符型设备还是块设备已经 越来越难以定义。 本系统使用了嵌入式l i n u x 2 6 1 3 ，自带有d e b u g 的串口c o m l 驱动， u d a l 3 4 1 音频驱动，u s b 驱动，并支持n a n df l a s h 方式的b o o t ，有这些 已经足够调试用。我们在此基础上完成了l c d 驱动、d m 9 0 0 0 以太网驱动、 m c p 2 5 1 5 驱动。 2 2 3 c a n o p e n 协议栈 c a n 现场总线仅仅定义了第1 层、第2 层( i s o l l 8 9 8 标准，详见参考文献 t 2 2 1 ) 。实际设计中，这两层完全由硬件实现，无需再为此开发相关软件( s o f t w a r e ) 或固件( f i r m w a r e ) 。 c a n 只定义物理层和数据链路层，没有规定应用层，协议本身并不完整， 需要一个高层协议来定义c a n 报文中的1 1 2 9 位标识符、8 字节数据的使用方 法，来达到开放的、标准化的组织规范：这个协议应该支持各种c a n 厂商设备 的互用性、互换性，能够实现在c a n 网络中提供标准的、统一的系统通讯模式， 提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。为此需要提供的功能包括：( 1 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e o - 为网络中每一个有效设备都能够提供一组有用的服务 与协议：( 2 ) 通讯描述( c o m m u n i c a t i o np r o f i l e ) ：提供配置设备、通讯数据的含 义，定义数据通讯方式；( 3 ) 设备描述( d e v i c ep r o f i l e ) ：为设备( 类) 增加符合规 范的行为。 目前基于c a n 总线的高层通信协议主要有s a ej 1 9 3 9 i o s l l 7 8 3 、 c a n o p e n 、d e v i c e m 玎、n m e a2 0 0 0 掣列，而c a n o p e n 由于其很好的开放性 和设备兼容性，被广泛采用，尤其是欧洲，广泛使用于电梯电气、越野汽车、 航海电子、医疗电器、工程机械、铁路机车等领域，且协议针对行业应用，实 现比较简洁。高层协议与c a n 标准在o s i 模型中的地位如图2 3 所示。 1 0 武汉理丁大学硕士学位论文 1 ) 。i 。，n 1 ，i ) ，、。l 。n l ，i i ：i j 。i i j j i i ：” o 岫s i 。l m e 。r7 。l 。h 。，：i 一 i 甓：嚣篡! i n 。- ”。、 l 哳r1 t 叮叩l t l w i 嚣端封一m ” 图2 - 3c a n o p e n 的o s i 结构分层 c a n o p e n 是在c a l 基础上开发的，使用了c a l 通讯和服务协议子集，提 供了分布式控制系统的一种实现方案【2 4 】。c a n o p e n 在保证网络节点互用性的同 时允许节点的功能扩展。c a n o p e n 的核心概念是设备对象字典( o d ：o b j e c t d i c t i o n a r y ) ，对象字典其本质是一个有序的对象组，每个对象采用一个1 6 位的 索引值来寻址，为了允许访问数据结构中的单个元素，同时定义了一个8 位的 子索引，对象字典的结构参照表2 1 。如通常所熟知的d s 3 0 1 ，d s 4 0 1 等协议就 位于0 x 1 0 0 0 往后的区域。 索引对象 0 0 0 0 n o t u s e d 0 0 0 1 0 0 1 f 静态数据类型( 标准数据类型，如b o o l e a n ，i n t e g e r1 6 ) 复杂数据类型 0 0 2 口0 0 3 f ( 预定义由简单类型组合的结构，如p d o c o m m p a r ) 0 0 4 【卜0 0 5 f制造商规定的复杂数据类型 0 0 臼争1 d 0 7 f 设备子协议规定的静态数据类型 0 0 8 0 _ 0 0 9 f设备子协议规定的复杂数据类型 武汉理工大学硕士学位论文 0 0 a 伊巾f f fr e s e r v e d 通讯子协议区域 1 0 0 驴一1 f f f ( 如设备类型，错误寄存器，支持的p d o 数量) 2 0 0 伊一5 f f f 制造商特定子协议区域 标准的设备子协议区域 6 0 0 俨叫f f f ( 例如“d s p 4 0 1i o 模块设备子协议”：r e a d s t a i e ) a o o 伊一f f f f r e s e r v e d 除了对象字典外，c a n o p e n 另一个重要的概念是c a n 通信对象，也称消 息对象( 使用c o b i d ) ，也可以理解为c a n 报文的1 1 位或2 9 位d 号【2 5 1 。 c a n o f i c n 定义了4 种报文，分别是管理报文( n m t ) 、服务数据对象s d o ( s e r v i c e d a t ao b j e c t ) 、过程数据对象p d o ( p r o c e s sd a t ao b j e c t ) 和预定义报文或者特殊 功能对象。每一种报文都有其不同的对应功能【矧。开发人员主要关注的是 c a n o p e n 的每种报文格式如何与对象字典中交互。 2 2 4m i n i g u i 图形界面 车载信息平台需要解决的一个大问题就是用户交互界面的设计。比如电子 仪表盘的显示，油表，里程表，车内各种电子设备的状态显示，包括现在很流 行的g p s 电子地图导航都需要用到图形界面。有了图形界面，可以在l c d 上显 示丰富的信息，用户也可以在开车时通过触屏幕就可以选择需要的界面，了解 车子动态信息，甚至可以做到用蓝牙控制。 嵌入式l i n u x 下的图形界面有很多，g t k ，k d e ，q t ，m i c r o w i n d o w s ， m i n i g u i 等等【矧。这些图形界面的本质是在f r a m e b u f f e r 基础上编写的一套图形 函数集，提供窗体，对话框，2 d 图形库，多字体，甚至3 d 图形库功能。其中使 用最多的q t ，功能比较强大，支持c + + ，并且做了非常好的类封装，也有图形 化的开发环境。缺点就是占用资源比较多，一个稍微丰富一些，带几个窗口切 换的应用程序至少需要1 m 的系统r a m 。g t k 界面类w i n d o w s 风格，很符合 平时的使用习惯，但是其不适合嵌入式平台。m i n i g u l 由国人的产品，开发文档 很亲和，9 0