（控制理论与控制工程专业论文）车载信息显示平台的研究.pdf

武汉理上大学硕士学位论文 摘要 汽车仪表是汽车与驾驶员进行信息交流的窗口，也是汽车高精尖技术的主 要部分，目前国内汽车仪表行业在整体上仍滞后于整车的发展，与国外相比有 很大的差距，如产品技术水平低，造型单调，产品质量可靠性和耐久性差，数 字化程度低等。进行技术创新，寻求和确定我国汽车仪表产品的发展方向，研 制开发新一代汽车仪表产品，使得汽车仪表产品的更新换代势在必行。 车载信息显示平台建立，包括车载信息的采集，数据流的总线传递，嵌入式 最小系统的软硬件设计，g u i 系统的移植以及图形化显示等几个部分。 本文致力于车载信息显示平台的研究，深入讨论了系统平台的设计思想与 实现方法，提出了在嵌入式平台上用液晶显示屏图形化显示复杂车载信息的方 法。 本课题在硬件平台上所做的工作主要包括：采用多个8 位单片机通过车内 l i n 总线主从通讯方式采集车载信息，主单片机通过车内c a n 总线通讯方式将数 据信息传送到嵌入式开发板，由嵌入式开发板实现车载信息的图形化显示；在 软件平台上所做的工作主要包括：车内l i n 总线、c a n 总线协议的制定及实现， 嵌入式实时操作系统屺o s i i 、嵌入式g u i 系统的移植，驱动程序及应用程序 的编写。 在嵌入式平台显示车载信息，较传统仪表系统显示方式，具有无法比拟的 优势。从硬件方面来讲，组建简单，满足小型、轻量化的要求；汽车仪表的电 子化使之具有高精度和高可靠性，减少了故障的发生率；汽车仪表盘造型美观， 可视性、可读性强；节省有限的驾驶空间，实现一表多用。从软件方面来讲， 引入了操作系统的概念，增强了代码的可读性、可维护性、可扩展性及灵活性， 节约了编程者的精力和时间；信息显示自由度高，显示界面人性化，可定制； 即使更换硬件平台，也只需要对操作系统进行少量的移植工作，而无需修改与 硬件无关的应用代码。 实践结果证明该系统的研制具有现实意义，仪表的读数一目了然，可读性 好，读数精度高，系统容易升级、扩展，但要达到实用，还有待进一步改进。 关键词；汽车仪表，车载信息，显示系统，嵌入式，移植 震汉瑾f 大掌硬七攀谴论文 杰转s t r a c 蕈 d r i v e r sa n de a r sa r el i n k e db yt h em o t o ri n s t r u m e n t s 、a n dt h em o t o ri n s t r u m e n t s i n c a r n a t et h ep r o f u n d i t yo fm o t o rt e c h n o l o g y n l em o t o ri n s t r u m e n t si sb e h i n d h a n d c o m p a r e dw i m t h ec a ra st h ea l la n dt h eo n ei ti sa l s of a rb e h i n dt h ed e v e l o p m e n to f f o r e i g nc a ri n d u s t r y f o re x a m p l e ，t h e yc o v e ri m m o v a b l es p a c e ，t h ed i s p l a ya c c u r a c yi s l o w , t h e ya r eu n r e l i a b l e ，a n dt h e yh a v eb a da u g m e n ta b i l i t ya n de f f i c i e n c yt h em a s s m o v e m e n tf o rt e c h n i c a li n n o v a t i o na n dd e v e l o pt h en e wg e n e r a t i o no fm o t o r i n s t r u m e n t sa r ei m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o n 。 ie s t a b l i s ht h eo n b o a r d i n t e g r a t e di n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e m ，i n c l u d i n gt h e c o l l e c t i o no fo n b o a r di n t e g r a t e di n f o r m a t i o n ，t h et r a n s f e r r i n go fb u sd a t as t r e a m ，t h e d e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fe m b e d d e ds y s t e m ，t h e r a n ! i p l a n to fg u ia n d d i s p l a yi ng r a p h i c s 1t a k eu pw i 墩t h er e s e a r c ho ft h eo n b o a r 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 ys y s t e m d i s c u s st h o r o u g h l yt h ed e s i g ni d e o l o g ya n di m p l e m e n t i n gm e a n s a n dp u tf o r w a r dt h e m e t h o do f d i s p l a y i n gt h eo n b o a r di n t e g r a t e di n f o r m a t i o nu s i n gl c d i nt h eh d w a r es e g m e n to f t h es y s t e m ，b yt h ew a y o f p r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t e c o m m u n i c a t i o n iu s es o m em i c r o c o n t r o l l e r s “a t m e g a 8 ”a st h es u b o r d i n a t et oc o l l e c t t h eo n b o a r di n t e g r a t e di n f n r m a t i o n ，a n dt h e n p a s s t h ei n f o r m a t i o nt oo n e m i c r o c o n t r o l l e r 矬st h ep r i n c i p a lt h r o u g hl i nb u s t h ep r i n c i p a l a t m e g a 8 p a s st h e i n f o r m a t i o nt ot h em a i nc o n t r o lc h i p ”$ 3 c 4 4 8 0 ”t h r o u g hc a nb u s a n dt h e nb yu s i n g “$ 3 c 4 4 8 0 ”。i tc a ne o n t r o lt h ed i s p l a yo fl c d i nt h em i c r o c o n t r n l l e rs o f t w a r e s e g m e n to f t h es y s t e m ，ir e a l i z et h ec o l l e c t i o no ft h eo n b o a r di n t e g r a t e di n f b r m a t i o n 、 e s t a b l i s h m e n to fp r o t o c o la n di m p l e m e n to ff u n c t i o no fl i na n dc a nb u s 。i nt h e e m b e d d e ds o f t w a r es e g m e n to ft h es y s t e m ， r e a l i z et h et r a n s p l a n to ft a c o s ；ia n d g u i ，c o m p i l i n go f t h ed r i v ea n da p p l i c a t i o np r o g r a m ， c o m p “e dt ot h ec o n v e n t i o n a la n a l o gd i g i t a l ，t h eo n b o a r di n t e g r a t e di n f o r m a t i o n d i s p l a ys y s t e mh a v em a n yp r e p o n d e r a n c e i tc a ns a t i s 移t h ed e m a n do fm i n i t y p e ， r e a d a b i l i t ya n ds c u l p t i n ga r ee x c e l l e n t o nt h eo t h e rh a n d ，w ec a nm a i n t e n a n c eo r u p g r a d et h ec o d ec o n v e n i e n t l y d u et ot h em e r i t ，i tc a nr e t r e n c ht h et i m ea n de n e r g y t h er e s e a r c ho f t h i ss y s t e mi sp r o v e dt ob eo f g r e a ts i g n i f i c a t i o nb yp r a c t i c e i ti s m o r er e a d a b l e ，m o r ea c c u r a t e ，m o r e u p d a t a b l ea n dm o r ee x t e n s i b l ew h e nt h e e m b e d d e di n s t r u m e n ti sa p p l i e d h o w e v e r , w en e e dm o r ei m p r o v e m e n t sb e f o r e a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：v e h i c l ei n s t r u m e n t ，i n t e g r a t e di n f o r m a t i o n ，d i s p l a ys y s t e m ，e m b e d d e d t e c h n i q u e ，t r a n s p l a n t 狻镧惶拳龋 y 寒鑫髓骞意 本人声翳，掰至交的论文是零人在罾耀撰嚣下避行懿繇究性王 乍及致褥蕊磷 究成鬃。尽我凝糍，除了文字特剃劫疆标注翱致谢熬避方卦，论文中不魏禽其魏 夫已经发表蕺撰霉过豹舔变残暴，敷不毽蠢为获褥斌汉理工丈举蠛其它教膏辍搦 的攀键袋涯警露壤震遥的糖精。罨& 一弼王圣譬麴弼态对本磅究掰佟鲮经稼羹簸稳 已在论文中终了粳确熬巍鞠著表示了落意。 研究生签褒；茎堡 瓣鬻 关于论文使用授权的说鞠 秽# l 。f ，2 - 零丸完全了解武汉璎互大学蠢荧操鏊、嫒焉学健论文豹瓣定，帮攀绞有权绦 鹜、遴交论文麴簸印终+ 兔诲论文被套鞫霜氆阕：学捩露班公糍论文豹全整或郝 多 蠹寮，可敬罴鬻影鞠、缝露或冀窀复涮乎投傈存论文。 ( 保密的论文在解密麓遵守魏翘定) 研究生签名：赴每；纂蕊名；融鞠斓；坐z - 武汉理j 火学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的意义与必要性 汽车仪表是汽车与驾驶员进行信息交流的窗口，i ：乜是汽车高精尖技术的主 要部分，各国一直在努力开发汽车仪表技术，并不断取得新的发展。而目前国 内汽车仪表行业在整体上仍滞后于整车的发展，“散、乱、差”的状况尚未改变， 与国外相比有很大的差距，如产品技术水平低，造型单调，产品质量可靠性和 耐久性差，制造工艺落后产品检测不完善，数字化程度低等m 。 我国汽车仪表行业要在不断追踪国际先进水平的基础上，根据我国汽车工 业的特点和要求，研制开发出适合我国汽车工业产品升级换代的新型汽车仪表。 汽车仪表产品的更新换代势在必行，进行技术创新，寻求和确定我国汽车仪表 产品的发展方向，研制开发新一代汽车仪表产品，有利于迅速提高我国汽车仪 表产品的技术设计能力和生产制造水平。随着高性能电子显示技术的发展，汽 车仪表电子化的程度会越来越高，未来车用电子化仪表具有以下优点：电子化 仪表能提供大量复杂的信息，使汽车的电子控制程度越来越高：满足小型、轻 量化的要求，使有限的驾驶空间更具人性化；高精度和高可靠性实现汽车仪表 的电子化，减少了故障的发生率；使仪表盘得以简化，实现一表多用：外形设 计自由度高，汽车仪表盘造型美观。基于以上优点，汽车将会越来越多地采用 各种用途的电子化仪表。造型新颖别致和功能强大的电子化仪表将是今后车用 仪表的发展趋势和潮流。 随着有关法规的日益严格和人、车、环境统一协调的发展趋势，电子仪表 板能够准确地提供足够的信息，从而适应汽车排气的净化处理及改进安全性和 提高经济性的要求。同时，汽车电子仪表板不仅可作为衡量一个国家汽车生产 技术水平重要标志的汽车电子化程度，而且还可推动我国汽车工业的发展。相 关信息显示，信息产业部已经着手在汽车电子产业发展规划方面制定相关的产 业发展规划和政策，以加快我国汽车电子产业的发展，缩短我国在汽车电子关 键技术上与国外的差距。正是基于以上的考虑与设想，我开发了本系统，相信 车载信息系统的曰益普及将促进动态智能化仪表的必然发展。 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 国内外现状 目前我国汽车电子设备的研究开发和生产能力还相当薄弱，只相当于美国 7 0 年代初的水平。国内汽车仪表生产企业1 0 0 多家，全行业2 0 0 0 年生产成套汽 车仪表约2 5 0 万套，年总产值约1 3 亿元，产量排在前1 0 位的企业占总产量的 9 0 以上。现在国内汽车仪表生产企业生产技术水平参差不齐。从工艺水平来看， 主要分为两类：一类是与国外合资的企业，如上海德科电子仪表有限公司以及广 州马瑞利仪表有限公司等。这些企业的生产工艺和装备由国外点接引进，相对 具有一定优势，但国产化率不高，且不具备适应国内汽车工业产品市场的技术 开发能力：另一类是原机械部或集团支持发展的企业，如芜湖仪表厂、四平仪表 厂、东风汽车电子仪表股份公司、上海长江仪表厂及后来发展的绍兴怡东仪表 有限公司等这些企业拥有国内市场的销售渠道和适合国内汽车使用的低附加值 产品，在产量和质量上能满足现有国内车型的配套需求，但工艺装备和产品技 术水平与国际先进水平相比还有不小的差距“。 在国外，汽车仪表作为汽车驾驶室的主要行驶信息指示装最，其技术性能、 外观造型、视觉效果均受到高度重视，汽车仪表平均配套价格约占整车售价的 3 。以德国和日本的汽车仪表制造企业为披术领先的产品，已由传统的组合仪 表板向汽车集成信息系统方向发展，开发出了代表国外同行业先进水平的多功 能全电子显示仪表、平视显示仪表、汽车导航系统、行车记录仪等高技术产品。 世界近二十年来，微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、 特种加工技术、集成技术、网络技术、纳米技术、超导技术、生物技术等高新 技术获得了迅猛发展，实现了现代汽车仪表众多的、全新的、超高的功能，已经 完全突破了传统的框架，向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向迅 速发展，高科技化已成为是现代仪器仪表的主要特征。国外现在已应用于汽车 仪表的先进高新科技技术主要包括：方便驾驶员用声音指令设定、控制和打电 话的声控技术；声控投影图像显示技术：便于驾驶员用简单的声控指令改变车 速里程表、燃油表和时钟布置的技术；为用户提供电子邮件收发、实时路况信 息、天气预报和股市跟踪的技术和免提移动电话等。 1 3 车载信息技术发展趋势 继全数字式汽车仪表后，未来汽车仪表将充分应用光技术和机电一体化技 武汉理1 ：人学硕士学位论文 术，并突出现代信息技术和网络技术的应用，其功裁将极大掘竞，指承形式将 演变成计算机终端显示嚣。汽车仪表是一个量大、对成本极为敏感的产品，在 其改进和创新的过程中，不仅要考虑技术的可行性、功能的拓宽、性能的改善、 使用静哥靠牲等，更重要的是萁翻造成本“。在有关技术绩矮赞臻，特裂是其莜 赖的硬件成本进一步降低的前提下，汽车仪褒未来可能发展趋势如下： 1 ，来柬汽车仪表的功将不仪仅局限于现在的车速、睾穗、发动枫转速、 油量、水温、方向灯等状态指示，同时将体现体积，j 、型化、箍示界面人性纯、 信息高度集成化椁特点； 2 。仪表显承终端越泉越趋囱予一个褰漆赣度静液晶显示湃： 3 电光学技术将在汽车仪表上得到广泛应用； 4 自动导靛翻定位系统可能瞧是未来汽车仪表。曼不可簸少蛇部分，包括全 球卫星定位系统和电子地图等； 5 具备完善的通讯系统。 在徽电子投术飞速发展、现代车玛仪表新材料强新胃异以及车蠲仪表精缩 加工技术日趋成熟的今天，汽车仪寝正不断融入当今番学科、备领域的新技术、 耨挝辩藏栗，彝功熬多元化、毒强电一葵诧、系绞工程 芑、毫整集成佬方彝发展。 1 4 市场需求 2 0 0 3 年，我国汽车产销量达到4 4 4 万辆，排名世界第四位，汽车电子工业 筻毫蘧发震给仪表售塞系统豹民鹾拖提供受丈鹣发黢契橇，藏建国民经济麴新 增长点。仅就武汉市而言，其市场也是相当可观的。武汉市如租车市场现保有 量为l + 2 万左右，按每年鞭增的1 2 0 0 辆车装鼹该系绫，其市场静景也+ 分可观。 1 5 课题的背景及研究内容 15 1 课题的背景 本谦越来滚予武汉瓒工大学蠡动仡学院设立豹自动化预辑蒸金。 为摇现学校两个一流的总体发展目标，落实学校科技产业大会精神，提升 叁蘑纯学院斡幂毒臻术平鞠瓣技实力，轾 莛学辩建设步谯，垂旗纯学院决定设立 武汉理：大学硕士学位论文 预研基金，以资助具有较高研究价值、对学院学科建设起支撑作用且暂未获得 立项的课题进行预研究。要求申报课题应突出学院特色，以三大行业( 材料、 交通、汽车) 为背景，以汽车电子与控制、电力电子、机器人控制、模式识别、 生产过程自动控制等领域为主要研究方向，鼓励学科交叉和基础研究。本课题 便是在这样的大环境下丌始运作的。 1 5 2 课题研究内容 1 设计通用数字仪表机芯设计通用数字仪表机芯，能高速采集与处理各种 传感器信息，包括模拟量、开关量、脉冲量等； 2 车载信息系统的信息可视化仪表板总成，采用彩色液晶显示屏取代传统 的机械式和电磁式仪表，并设计图形化应用程序； 3 车载网络的构建以及协议规范的制定在整车各节点之间构建分布式c a n 网络，车载信息系统作为c a n 总线的一个节点参与数据通信，并提供c a n 总线 和l i n 总线接口，同时制定完善的车载c a n 总线协议和l i n 总线协议； 4 在嵌入式开发平台上以图形化的方式实时显示车载信息。 1 6 本章小结 车载信息显示平台是汽车仪表系统功能的扩展，常规仪表的显示是车载信 息显示系统最基本也是晟重要的部分。本章介绍了汽车仪表的发展历程，从最 初的机械式仪表到基于电测原理的电气式仪表，再到模拟电路电子式仪表，发 展至现在较先进的全数字汽车仪表，汽车仪表已走过了4 代。分析国内外汽车 仪表的现状及发展趋势，综合考虑我国汽车仪表工业发展水平同发达国家的差 距，提出了车载信息显示平台的概念。从汽车仪表的发展趋势我们还可看出， 未来的汽车仪表向多功能、集成化、智能化方向发展，这也就是车载信息显示 系统。 本章还介绍了车载信息技术的发展趋势，分析了开发车载信息显示平台的 关键技术。最后介绍了本课题的背景意义，以及本课题所要研究的内容，以及 我在本课题中所承担的任务。 武汉理上大学硕士学位论文 第2 章嵌入式技术的基本理论 2 1 嵌入式系统概述 21 1 什么是嵌入式系统? 根据i e e e ( 国际电气与电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。着主要是从应用上加以定义的， 还不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内比较认可的定义是：以应用为 中心，以计算机技术为技术，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分为4 个部分：处理器、存储器、输入 输出( i o ) 和软件( 由于大多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结 合的，在这里不加区分，这也是嵌入式系统与w i n d o w s 系统的最大区别) 。 2 12 嵌入式系统的特点 ( 1 ) 系统内核小。 出于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内 核较之传统的操作系统要小得多。 ( 2 ) 专用性强。 一般要针对硬件进行系统得移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也 需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时，针对不同的任务，往往 需要对系统进行较大的修改：程序的编译下载要和系统硬件相结合。 ( 3 ) 系统精简。 ( 4 ) 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固 化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式系统开发要求专门的开发工具和环境。开发时往往有主机和目 标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交 替结合进行。 武汉理工人学硕士学位论文 ( 6 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，必须使用多任务的操作系统。 2 1 3 嵌入式系统的分类： 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和 软件进行划分： ( 1 ) 嵌入式系统硬件 一般可以将嵌入式处理器分为4 类，即嵌入式微处理器( n p u ) 、嵌入式控 制器( m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d s p ) 和嵌入式片上系统( s o c ) 。 ( 2 ) 嵌入式系统软件： 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是连 接计算机硬件和应用程序的系统程序。操作系统有两个基本功能：使计算机硬 件便于使用；高效组织和正确地使用计算机的资源。 操作系统有4 个主要任务：进程管理、进程间通讯和同步、内存管理和i o 资源管理。嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类。实时 操作系统的首要任务是调度一切完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机 系统的使用效率。而分时系统软件的执行在时间上的要求并不严格，时间上的 延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。其中实时操作系统又可 分为“硬实时系统”和“软实时系统”。硬实时系统必须是对事件做出及时的反 应，绝对不能错过时间处理的时限。而软实时系统指在系统负荷较重时，允许 发生错过时限的情况而且不会造成太大的危害。 图2 - 1 嵌入式系统的分类 武汉理t 大学硕士学位论文 214 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括工业控制、 交通管理、信息加电。家庭智能管理系统、p o s 网络及电子商务、环境检测、 机器人，可以毫不夸张的说，嵌入式系统已经进入到现代社会中人们生活的方 方面面。 21 5 嵌入式系统的现状 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通讯和消费类产 品的共同发展方向。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理芯片，还有用于学习和研发的各种配 套开发包。 软件方面，也有相当多的成熟软件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系 统，已进入我国市场的有i i n d r i v e r 、m i c r o s o f t 、q n x 和n u c l e a r 。我国自主开 发的嵌入式系统软件产品，如科银京城公司的嵌入式软件开发平台 d e l t a s y s t e m ，中科院推出的h o p e n 嵌入式操作系统。 今天，嵌入式系统带来的工业年产值已超过一万亿美元。在国内，“维纳斯 计划”和“女娲计划”一度闹的沸沸扬扬，机顶盒、信息家电这两年更成为了 热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。 2 1 6 嵌入式系统的发展趋势 ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌 入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 ( 2 ) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益 提高，使得以往单一功能的设各功能不再单一，结构更加复杂。 ( 3 ) 网络互连成为必然。 ( 4 ) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 ( 5 ) 提高友好的多媒体人机界面。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 本课题嵌入式平台软硬件简介 22 1 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，包括a r m 公司的a r m 7 、a r m 9 、 a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e ，m i p s 公司设计的3 2 位m i p s 3 2 ，i b mp o w e rp c 等。 本课题选用通用的a r m 7 内核处理器$ 3 c 4 4 8 0 主控芯片，该处理器是三星公司专 为一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，它使用a r m 7 t d m i 核， 工作在6 6 m h z 。它成熟、稳定、可靠，解决方案和相关资料多，项目设计中遇到 的问题容易得到解决。芯片价格低，功耗小，芯片内部带有以下外设：8 k bc a c h e 、 外部存储器控制器、l c d 控制器、4 个d m a 通道、2 通道u a r t 、1 个多主i 。c 总 线控制器、1 个1 2 s 总线控制器，以及5 通道p w m 定时器和一个内部定时器、7 1 个通用i 0 口、8 个外部中断源、实时时钟、8 通道1 2 位a d c 等。为了使嵌入 式系统具有良好的人机接口，需要给嵌入式系统配置显示装置。$ 3 c 4 4 8 0 主控芯 片自带的l c d 控制器为l c d 显示方案带来了方便，也大大降低了硬件成本。 基于对应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素进行考虑， 本课题选用通用的a r m 7 内核处理器$ 3 c 4 4 8 0 主控芯片，该芯片内部集成外设完 全可以满足本课题的硬件设计要求。 22 2 嵌入式操作系统 实时嵌入式操作系统大致可以分为两种：商用型和免费型。商用型的实时 操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有l i n u x 和uc o s 。本 课题选用uc o s 操作系统，uc o s 操作系统是源码公开的实时嵌入式操作系统， 其主要特点如下： ( 1 ) 公开源代码 源代码全部公开，并且可以从有关出版物上找到详尽的源代码讲解和注释。 这样使系统变得透明，很容易就能把操作系统移植到各个不同的操作平台上。 ( 2 ) 可移植性 uc o s i i 可以在绝大多数的8 位、1 6 位、3 2 位，甚至6 4 位微处理器、 微控制器、数字信号处理器( d s p ) 上运行。 武汉理1 1 人学硕士学位论文 ( 3 ) 可固化 uc o s i 【可以嵌入到开发者豹产品中成为产品的一部分。 ( 4 ) 可裁减 可以灵谴蔫# c 0 s l i 中应建程痔需要拣郡些寨统擐势，只要在耀户韵应 用程序中定义哪必i - c 0 s i i 中的功能是应用程序需硬的就可以了。 ( 5 ) 占先式 hc o s i i 总能运行就绪条件下优先级最高的任务。 ( 6 ) 可确定性 he 嬲一l l 系统驻务的挠 亍对鬻不依赖予应弼程择任务静多少。 ( 7 ) 多任务 # e o s i lw 鞋管理秘个任务，赋予每个任务的糖先级必须是不棚露的， 这意味蒋uc o s l i 不支持时间片轮转调度法。 ( 8 ) 系统服务 oe o s i 提供很多系统照务，例如郎箱、消怠酞捌、信号量、块大小固 定的内存的申请与释放、时间相关瀚数等。 ( 9 ) 中舔管理 中新可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该中断唤 醒，则商优先级的任务在中断嵌套企部退出髅立即执行，中断撒套层数可达2 5 5 层。 ( 1 0 ) 稳定性与可靠憾 慧之，c 0 5 一 l 是一个“实彗雩癌援”，使矮它接褥实对瘦蠲程序懿设计彝 扩展变得容易，而且不需鼹大的改动就可以增加新的功能。“c o s i i 不具有 像g u i 、 c p i p 协议拢等功能部件，这使毒譬# c o s l f 显褥j s 寓簇洁，亦可进 行多任务管理，并且确傈该课题实现豹可行性。 2 3 罄彩焉声器覆麓会 g u i 是英文g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e 懿缝写，鄄黟掰用户爨嚣。在诗算撬 的发展历史中g u i 的出现是一次革命。它掇供友好的界面，使得计算机成为大 多数人都能够使用和接受的工具，我们现在每天看到的w i n d o w s 系统就怒p c 机 领域占主导地位的g u t 系统。霜蘸在陌瓿土歼发g u i 应翔的技术已经穗囊成熟， 武汉理工火学硕士学位论文 开发工照也很多。 由于嵌入式系统的实时性要求比较高，对g u i 的臻求也更高。嵌入式系统 一般不希望建立在庞大累赘的、非常消耗系统资源的g u i 之上，因此嵌入式系 绫对轻羹g u i 弱嚣求更热突塞。操母筝系统稻溉入式系统对g u i 的基本要求苞括 轻型、占用资源少、高性熊、高可靠性及可配最。 在些界霹功能要求楚单的嵌入式系统中，大家可以皂舒缡写一些瀑数集， 来进行阐形、文字的显示：但是对于界面功能要求强大的系统，往往就需要专 业的g u i 软件包米完成。本课题中为显示纷繁复杂的率载信息，就需要有一个 功髓强大、高毪熊、裔可靠牲静g u i 系统翡支持。 本课题选用嵌入式g u i 系统e m w i n ，就是这样一款不仅可以实现快速开 发，焉虽还l 够撼供低耗戮6 u 1 支持雏软件。建户可以使嗣它方便选定囊出皂 己的翻形用户界衡，完成备种应用程序的开投。 e m w i n 是一个通用的嵌入式应用的图形软件，具有模块化的特点。它可以用 来为任何使用图像l c d 的斑鞠程净掇供一个稿效的、独立于照疆器和l c d 控制 器的图形用户界丽接口。h 无论是在单任务操作系统还是多任务操作系统中， e r a w i n 都霹疆工佟褥攫好。 e m w i n 的特性； ( 1 ) 具有很强的可移攮性 由于e m w i n 用分层绱构，即其有驱动接口层和艘用层：而且e m w i n 的代码 完全是用c 语言编写的，因此可以方便的移植到各种c p u 下使用。 ( 2 对系统瓷濠弱璃耗小 e m w i n 对l c d 显示器的支持好，并且常用的2 d 图形函数和窗口管理功能， 薅虽占鸯r a m 和r o m 的空闽很小。 ( 3 ) 适合成用于嵌入拣系统 出于e m w i n 需要的资源闭常见的操作系统图形模块要小得多，再加上它提 供了源鼗鹞，霞沌 & 适合翊子操 擘系统中g u i 豹，开麓。由于e r a w i n 提供了滠代 码，因此可以很密易的将宦移植到备个平台下面。使用时，只爨将e m w i n 的软 件压缩龟鳃压缩到一个强最下就可默_ 。 使用e m w i n 歼发g u i 成用的基本方法： 使用e m w i n 开发应用程序时，可以赢接对它的源代码进彳亍引用和修改，以 j 毙生藏囊己豹程痔代码；穗可戳先将萁提供酌源代码编译戒一个库文停，然岳 武汉理l 一大学硕士学位论文 壤库包含在自己的废用程序中。 2 4 本雅小结 嵌入式系统技术日益完善，m o t o r o l a 、p h i l i p s 、s a m s u n g 等几乎所有的大 型微处理器芯片黼都提供性能优良的嵌入式处理嚣，m i c r o s o f t 等著名斡戟搏公 司部提供方便的嵌入式操作系统，他们都已经将操作系统移植刘不同韵处理器 上。 奉章对嵌入式操作系统被了简荦概述，谗细奔绍了嵌入式系统技术翻g u i 系统的基本知识，简单介绍本课题所选用的以a r m 7 内核的处理器芯片$ 3 c 4 4 8 0 、 # c 0 s l l 嵌入式实时操捧系统以及黧形鼹户赛蚕。 武汉理工人学硕十学能论文 第3 章本课题硬、软件开发平台的选择 3 1 磺件平台的选择原则 硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样的 嵌入式处理器主簧取决于威用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等 因素。袭3 i 对常矮靛死耪嵌天式强理器进行了比较； 表3 - 1 常用的嵌入式处理器 砖琏器类登楚瑾箍徐络 主要性能殿瘫攫 a r m低 功耗低，遥台于个人便携式设备 | d r a g o nb a l l 低 遮壤低，主疆运用于p d a p o w e rp c高 通信、嗣络等设备；单位附加值高，市场小， 应用于高端嵌入式 在确定了弼种嵌入式链理器焉，接下来就是结台实际情况，考虑系统静圃 设备的需求情况，包括总线的需求、是否需要a d 或d a 转换器、有没有通用 率孬接瓣、是孬瓣要u s b 慧线、誊没有戳太蹋接习、彝部是番震要s p i 慧线、 外设接朋等。另外还要考虑处理嚣的寻址空间，有没有片上f l a s h 、s d r a m 存储 器，处理器是否餐易调试，仿真调试工具的成本和易用性等宥关信息。当然， 成奉也怒一个关键往豹因素，当注燕成本时，一定要考虑产品的整体成本，两 不要只赣到c p u 。有时一个快速而廉价的c p u 可能会成为这个产品的成本届高不 下朝霹鼹壤添，溺隽 圭 主还需要穗生蕊线帮延迟逻辑，以便馕系统静备秘癸设 能够协同工作。作为一个系统的设汁者，应该尽量制订一个合理的预算，进行 必要的系统功能分孝斤，以便所选的瑷传能够究成所需要的实时处理任务。 3 。2 嵌入式操作系统的选型原则 在操作式系统的开发中，嵌入式软件是蜜现各种系统功能的关键。也是计 算机技术最活跃的研究方肉之。不同应躅瓣嵌入式软终系统商不同的要求， 武汉理工火学硕士学能论文 并且随饕计算极技术的发展，这些簧求也在不断变化。通常应翊系统对嵌入式 软件的蕊本要求爨体积小、执行速度快、具有较好的可裁减性和可移植性“3 。嵌 入式操作系统的选择主要从以下几个方面加以考虑； ( ) 操俸系统豹疆锌支持 其一是是否支持目标硬件平台，在此之前已经确定了嵌入式微处理器，可 以立即撼不支持这款处理嚣的操作系统扶候选名单中搀除。对予免费懿# c o s i i 和l i n u x 而裔，世界上已有众多的爱好者把他们移植到不嗣的硬件平台上， 因此往往可以很容易找到一个移植的范例：其二是具有良好的可移植性，在进 行嵌入斌软徉开发时，可移植性莛壤点考虑的闻题。辍为其有蘸好可移植性静 软件可咀在不同平台、不同系统上运行，跟操作系统无关。 ( 2 ) 秀发王其的支持壤度 一个工程师选择操作系统对必颁考虑与之相关的开发工鼹。在线仿真器 ( i c e ) 、编译器、汇编器、连接器以及模拟器等不同程度影响满操作系统。要 了解在线仿真器的操作性麓静影响，有时在线仿真器执行操俸潜会增加系统的 额外开销，对给定微处理器家族上的某种操作系统来巍，很可能操作系统供应 离只支持掰考霹羯缠译工爨静一个予集。圈时，要考燃麴一个瓣题是这耪实时 操作系统与使用的编译器受能够兼绺。 ( 3 ) 能否满照应用需求 对操作系统 ! 耋能的要求，当系统供应裔给出一个内核要求的最小存储空间 时，很萤要的一点是要了解这个内核中包括了什么，最小的内核经常是支持很 少酶薅瞧，磊典爨戆琵_ 羹! 露齄产生大褥多嚣肉棱：对中文蠹软支持，女予绦搀 式系统多数是采用西文方式，是否支持双字节编码方式、是否遵循g b k ，9 9 1 8 0 3 0 等各种园家标准、是否支持中文输入与处理、是否提供第三方中文竣入接墨是 针对国内用户的嵌入式产龋的必须考虑的重聚因素：标准的兼容性，应该考虑 一下该行业所要求的安全标准；技术支持好；源代码述是目标代码等。 3 , 3 为什么选择a r m 和t tc o s i i 本系统采用a r m 7 内核处理器$ 3 c 4 4 8 0 主控芯片，是因为： ( 1 ) 处理速度快 a 麟时r i s c 缩擒的处理器，而飘a r m 内部集成了多缀流承线，太大增加了 武汉理i 大学硕士学位论文 处理速度。 ( 2 ) 有利予缩短产品的研发周期 a r m 公司专门提供了处理器的解决方案，且a r m 的使用最广，应用前景最广 溷。 ( 3 ) 价格低廉 在备种嵌入式处理器申，价楱适中，藤矗使用量大，比较容易购燕。 ( 4 ) 超低功耗 各种档次的a r m 的功耗都是其他嵌入式处理器中较低的。处理器的散热阃 蓬不蘑考虑；低亳压，徽电流供龟，这些都是最理慧麓选择。 本系统所用uc o s - - i i 嵌入式实时操作系统，是一个可以基于r o m 运行的、 可裁减的、捻占戴实时多任务内梭，具毒囊度可移攮性，特别逶合予微处瑾嚣 和微控制器，魑和很多商业操作系统性能糊当的实时操作系统( r t o s ) 。为了提 供最好的移植功能，c o s i i 最大程度上使用a n s ic 语言歼发，并晟已经移 植到避4 0 稃处趣器体系上，涵盖了飙8 位到6 4 位嚣种c p u ( 包括d s p ) 。飙1 9 9 2 年开始，由于其高度可靠性、鲁榉性、安垒性，uc o s i l 已经广泛使用在电 子产晶中： ( 1 ) 源代码公开 pc o s - - i l 的全部源代码约5 5 0 0 行，所有的代码都予以公歼，筒渡明了。 ( 2 ) 结构赫荤 uc 0 s i i 采用c 语言和汇编语言，其中大部分用c 语言，结构非常简单。 ( 3 ) 容荔移攘 “c o s i i 的移植性非常好，很容易被移植到$ 3 c 4 4 8 0 上，而且在移植过 程中，用户只麓要做少量憋工作郎霹。 ( 4 ) 适于学习 “c o s i i 矮各了实时操作系统的全部性能，包括可固化、可裁减、可剥 夺洼、多任务、可确定瞧、中断警瑾等，蘩常适合裙次接触袋入式技术的耪学 者。 ( 5 ) 代码霹读性、可娥护性、霹扩疑性方覆餐；较鞭。 若采用不引入操作系统的传统方式去编写程序，则只能在一个应用中去使 用，若换一种应用，或者更换一种硬件平台，这些秘序基本上就没有厢了；另 舞这转斑滔往缀强静应弼，一量需要勇一个人来进乎亍功能的漆加或修敬，就要 4 武汉溪t 大学颡士学经论文 重赣读蠖整个稳滓，势黧毅谣试，迭在耱力帮晦阍上弱耗费怒匿丈的。g l 入搡 擘蓉缝豹概念，我们哭簿舞专注予每一个经务的处瑷。对予不嗣豹癍耀，爵以 按燕糖瓣麓步撩宠或系绫设毒手；魏巢更按硬搏平参，翼l | 只霉要对撩 皋系统避萼亍 少盈的移援王终，与覆梅冤荚豹疵孀代秘寇叠无器掺魏。霹对，代玛瀚可读 熏、 可维护健、碍扩鼹 生方嚣都变强了。在避裙功缝的添麴或修改时，稳痔爨哭需 要渎骥每个 壬务瓣疆疆l 稻，大大格 螽了王露量。 3 。毒拳牵枣继 謦海一个蘸统麴最诗蠹，应该尽量魏订一个台壤匏瑗冀，透行必要熬系统 劝麓分鞭，毅矮掰选戆凝掌 及摄佟系缝躲够宠盛鳜菇买弱实辩箍理经努，盈疑 夫稷痿上提离系统性麓。 零常圭要奔绍了硬侮平套豹逸择蒹刚、袋入式搽圣誊系绞豹选型愿粼。逶避 综合考虑应用辫摄域、掰户的震裳、威本、开发静赡赫程度、弹发j 二黧蕊支持 程度等强紊，袋终确定逡蹋遥翊熊a r m 7 瘀援楚理嚣$ 3 c 4 4 8 0 佟为率磺瓣豹主控 芯跨，滤耩# e 0 s l 嚣为零谍麓瓣嵌入式实对操作蘩绞。 武汉理t 大学硕十学位论文 第4 章车载信息系统显示平台的硬件结构 4 1 车载综合信息显示系统的硬件总体框架 j t a g 液晶显示屏 一 。 亘理器降： 驴 王茹 龆 工 处理器l e 8 i 处理器ia l 处理器8 a 器8l i a 处t m 理e 8 a 器8 车速，转速、 油量等模拟 域 档位状态、 倒车状态、 开关门状态 等开芙量 脉冲输入等 其它信号 、g p s 、无线 等扩展接口 圈4 - 1车载信息系统显示平台的硬件总体构成框架 6 武汉理工夫学硕七学位论文 图4 - l 为车载信息系统显示平台的硬l 牛憨体构成樱架。该图表明本渫题所采 用的方案为：果蹋多个a t m e l 公司8 位单片视“a t m e g a 8 ”采集车载信息，通 过主从方式的l i n 总线通讯方式将采集到信息的送到_ = ；ea t m e g a 8 单片机上，再 遥过c a n 总线发送妥以a r m 7 为蠹棱整理器匏$ 3 c 4 4 8 0 差控芯片上，鑫 $ 3 c 4 4 8 0 控制l c d 的显示。 4 2 率载信息采集与处理部分硬体的设计 c p u 选蔫a t m e g a 8 肇片橇。a t m e g a 8 是a t m e l 公司在2 0 0 2 年第一季度推 出的一款新型的a v r 高档单片机。在a v r 家族中，a t m e g a 8 是一种非常特殊的 摹片枫，宅的芯片惠部集袋了较大褰量鲍存髓器帮丰蛮强大的疆件接强瞧路， 其备a v r 高档单片m e g e 系列的全部性能和特点。识由于采用了小引脚封装， 所以其价格与低档单片机相当，再加上a v r 苹片机的系统内可编程特性，使得 无需购鼹昂贵的仿真器和缡程器氇殍进行荜片轨嵌入式系统酌设计与歼发，同 时也为单片机的韧学者提供了非常方便和简浩的学习开发环境。 a t m e g a 8 的主要性麓如下： 高性能、低功耗的8 位a v r 微控制器，先进的r i