（电路与系统专业论文）基于BF561的汽车智能仪表系统的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着汽车电子技术的飞速发展，汽车将变得越来越智能化和信息化。利用嵌 入式平台和嵌入式操作系统开发的车载系统，具有信息处理、通讯、导航、防盗、 语言识别、图像显示和娱乐等功能。针对于目前汽车电子技术的发展和社会需求 的现状，构建一套仪表和黑匣子相结合的汽车嵌入式系统是本论文论证的具体问 题。 本文以吉普2 5 0 0 汽车车载信息为依据，在分析了现有仪表板的优缺点的基 础上，提出、设计并实现了一整套以a d i 公司b l a c k f m 系列最高端的双核架构 b f 5 6 1 为核心的汽车仪表、汽车黑匣子和加速计辅助驾驶相结合的智能安全系 统。其中，汽车仪表完全取代现有仪表板的所有功能；汽车黑匣子不仅具有汽车 行驶记录仪的功能，还可以记录视频信息并压缩存储至c f 卡中，同时对于异常 的信息状态进行语音报警；加速计辅助驾驶是与汽车黑匣子功能相结合，进一步 判定汽车的行驶状态。系统充分利用b f 5 6 1 强大的运算能力和外设的特点成功 地实现了从底层多路数据采集到上层分析、运算、显示和存储的实时处理的功能， 并且在吉普2 5 0 0 汽车上路测，所有功能均正常稳定工作。本文不仅提出了将汽 车仪表、汽车黑匣子和加速计辅助驾驶相结合的方案，还提出了加速计的判定算 法，解决了加速计安装和测试的问题。 关键词：b f 5 6 1 ；汽车仪表板； 黑匣子；加速计 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , c r r sw i l l b e c o m em o r ei n t e l l i g e n t b a s e do nt h ee m b e d d e dp r o c e s s o ra n d e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m ，t h es y s t e mw i uh a v em o r ef u n c t i o n s ，w h i c hi n c l u d ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t , c o m m u n i c a t i o n , n a v i g a t i o n ，g u a r d i n ga g a i n s tt h e f t , i d e n t i l y i n gv o i c e ，i m a g e d i s p l a y i n g ，e n t e r t a i n m e n ts y s t e ma n ds oo n b a s e do nt h ea c t u a l i t yo ft e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n ds o c i a lr e q u i r e m e n t ，t h ea u t h o r h a sd e s i g n e da l la n t o m o t i v e e m b e d d e ds y s t e m t h em a i np u r p o s eo f t h ep a p e ri sb o wt oa c h i e v et h ed a s h b o a r da n d t h eb l a c kb o xf u n c t i o n si na s i n g l es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea u t o m o t i v ei n f o r m a t i o no ft h ej e e p2 5 0 0 ，a n da f t e ra n a l y z i n gt h e o r i g i n a ia n a l o gd a s h b o a r d ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e das y s t e m ，w h i c hi sb a s e d0 1 1t h e d u a l c o r ed s p b f 5 6 1o fa d i ，a n di n t e g r a t e st h ed a s h b o a r d ，t h eb l a c kb o xa n dt h e d r i v e ra s s i s t a n ts y s t e mb a s e do na na c c e l e r o m e t e ri n t oa ni n t e l l i g e n ts a f 移s y s t e m t h e d a s h b o a r dc a nr e p l a c et h eo r i g i n a lo n eo ft h ej e e p2 5 0 0c o m p l e t e l y t h eb l a c kb o x c a l ln o to n l yr e p l a c et h ea u t o m o t i v et r a v e l l i n gd a t ar e c o r d e r , b u ta l s oc a p t u r et h e v i d e o s s a v et h e mi n t oac fc a r da n ds u p p o r tv o i c ea l a r m r 1 1 1 ea s s i s t a n ts y s t e mb a s e d o na l la c c e l e r o m e t e rc a l li n d e n t i f yt h ed r i v e r i n gs t a t u so f a c a l t a k i n gf u l l ya d v a n t a g e o f t h ep o w e r f u le a l c u l a t i o n a lc a p a b i l i t ya n da b u n d a n te x t e m a li n t e r f a c eo f b f 5 6 1 ，t h e s y s t e mh a dw o r k e ds u c c e s s f u l l yo nt h ej e e p2 5 0 0 a n da l lt h ef u n c t i o n sh a db e e n a c h i e v e d 1 1 1 ef u n c t i o n si n c l u d es a m p l i n g ，o p e r a t i n g ，a n a l y z i n ga n dd i s p l a y i n g t h e s y s t e mc a nr u nn o r m a l l ya n ds t e a d i l y d u r i n gd e s i g n i n gt h es y s t e m ，t h ea u t h o rn o t o n l yh a db r o u g h tf o r w a r das c h e m ew h i c hi n t e g r a t e st h ed a s h b o a r d ，t h eb l a c kb o xa n d t h ed r i v e ra s s i s t a n ts y s t e mb a s e do na l la c c e l e r o m e t e ri n t oas i n g l es y s t e m ，b u ta l s o h a db r o u g h tf o r w a r dt h e a l g o r i t h m o fi d e n t i l y i n ga c c i d e n t s ，a n dh a ds o l v e dt h e p r o b l e mo ni n s t a l l a t i o na n dt e s t i n go f t h ea c c e l e r o m e t e r k e y w o r d s ：b f 5 6 1 ；d a s h b o a r d ； b l a c kb o x ；a e c e l e r o m e t e r 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲衄吼缱： 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) 日期：垫! ：! ：! ! 第1 章绪沦 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着经济的发展，汽车价格逐渐下降，将会有越来越多的人购买汽车。2 0 0 3 年汽车产销量达到3 8 0 4 1 0 万辆，其中轿车1 3 0 1 4 0 万辆，客车1 1 0 1 2 0 万 辆，载货车1 4 0 1 5 0 万辆。2 0 0 5 年，全国规划汽车生产能力不会低于6 2 2 万辆。 预计到2 0 1 0 年，中国的轿车拥有量将高达1 亿辆。车辆的增多，导致交通事故 的增加，交通安全形势十分严峻。如何能够保障车辆的运行安全，就成为关注的 热点。 目前车辆广泛采用了电子技术1 1 1 【2 】。据介绍，目前发达国家的高级轿车电子 产品装备量已超过整车价值3 0 以上，我国只占不到2 0 。国外每辆汽车采用 汽车电子产品的平均费用1 9 9 0 年为6 7 2 美元，2 0 0 0 年已达到2 0 0 0 美元。专家 预测，汽车电子产品占汽车成本的比例将达到5 0 ，全球市场销售额在近一、二 年将超过1 0 0 0 亿美元。摩托罗拉公司高级副总裁、汽车通信及电子系统集团总 经理m a r i o s 说：“中国的汽车电子市场的容量将有5 0 6 0 亿美元。中国的汽车 产值正以每年3 0 的速度增长；中国是汽车销量和产量双增长的国家。这是在欧 美市场很难达到的，也是吸引摩托罗拉来到中国的原因。”他认为，小轿车内的 平均电子设备含量将从现在的2 2 增加到2 0 1 0 年的3 5 。随着中国汽车制造业 的进一步扩大，汽车电子产业将成为支持制造业发展的独立产业。中国已经成为 全球第四大汽车制造国。 在汽车零部件产业的发展中，汽车电子产业将扮演重要的角色。一是为汽车 产业的升级提供技术支撑。现在的汽车已经开始抛弃了机械的概念，今后取而代 之的将是集成化的电子模块，汽车将变成电子装置。二是提高整车的性能价格比。 随着越来越多的电子信息技术和产品在整车上的应用，汽车的制造成本将大幅度 降低，同时整车的稳定性、安全性、舒适性将得到大幅度的提高。三是汽车产业 的综合竞争力将得到整体的提升。四是为相关的配套产业提供更大的发展空间。 在汽车电子产业发展方面，我国己形成了较好的产业基础，特别是在一些基础的 配套产品方面，例如，汽车音响、g p s 、传感器、通信设备等方面，具有较强的 竞争力。 目前，上海市己正式启动“汽车电子关键技术研究”项目，旨在提高上海轿车 的智能化水平。该研究将致力于从三方面进行攻关：第一是信息化：时速表、发 动机转速表和油量表，已远远不能对目前汽车数百个故障码予以正确及时的反 映，反光镜和后视镜看起来也不方便，为此，传统的“三表”可能集体“退休”，取 北京工业大学工学硕士学位论文 而代之的是全方位后视和侧视摄像头，以及块集网络、诊断和数字显示功能于 一体的触摸式液晶屏幕，司机一瞥屏幕即知周围车况。一旦发生故障，车载动态 信息系统内不见面的“专家智囊团”立即进行诊断，须臾即可将故障方位用图象等 方法显示于液晶屏幕上，并通过智能问答系统告诉司机附近维修点方位。信息化 的另一个应用是车载动态信息系统，将集成已有的道路自主导航、电子地图、车 辆定位动态显示和轨迹回放等技术，出门在外，哪条路更捷近、更畅通，电子指 路系统随时指点迷津。如图1 1 所示。而无线上网、视频点播、遇险报警等技术 的研发，使新型汽车更加“耳聪目明”。第二是节能化：开车的人都知道，高速行 时，方向盘转向很容易，而缓速转弯时，打方向盘很吃力。这种发动机带动助力 装置的工作方法，会增加2 左右的油耗。新研发的电动助力转向系统有望反其 道而行之，让行车省力又安全。该系统只在转弯时启动，直线行使就“稍息”，节 省能源。第三是舒适化。现在的车用空调是由发动机一机多用带动的，温度全靠 司机手动控制，不仅不舒服，还特别耗能。自动空调系统和智能化空调系统的研 发将为发动机减负，它们自成一体独立运行，将根据乘员设定的温度，自动搜集 车内外温度、湿度、阳光及车速等一系列信号，按一定的数学模型计算，获得最 佳空调运行模式，并随时自动调节。 图1 1 车载电子地图 f i g 1 1a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cm 印 按照对汽车行驶性能作用的影晌划分，可以把汽车电子产品归纳为两类；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进行配合使用，即 所谓“机电结合”的汽车电子装置；它们包括发动机、底盘、车身电子控制。例如 电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、 电子控制自动变速器、电子动力转向等，另一类是车载汽车电子装置，车载汽车 电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直 第1 章绪论 接关系。它们包括汽车信息系统( 行车电脑) 、导航系统、汽车音响及电视娱乐 系统、车载通信系统、上网设备等。 1 2 课题的国内外研究现状 虽然对于目前的技术方展，汽车上广泛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，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。 集汽车黑匣子、汽车运行、驾驶状态监视、电子导航与通信以及媒体娱乐等 功能于一身的车辆运行安全管理系统，目前国内外尚无商业化的产品。 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 n s 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，且前还处在研发中。 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。 图1 - 2 汽车行驶记录仪系统构成框图 f i e , 1 - 2t h ed i a g r a mo f a u t o m o t i v et r a v e l l i n gd a t a r e c o r d e r 国内广东必达实业公司开发了一套汽车行驶记录仪，如图l - 2 所示。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 北京工业大学工学硕士学位论文 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。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。 车载导航方面，目前国际上已经形成了日术、欧洲和北美三大市场，日本是 汽车导航产品概念的提出者和市场的推广者，经过数年的技术发展和市场推广， 产品的技术和工艺日趋成熟，并在产品的技术先进性方面在市场中处于领先地 位。中国汽车通讯与导航尚处于市场培育阶段，整体规模较小。相关的基础配套 设施与资源不完善，实时交通信息发布和完善的导航电子地图的提供与更新机制 均缺乏实际的解决方案和途径，因而市场推进困难重重。但面对庞大的汽车市场， 汽车导航的潜力不可估量，其发展前景比较乐观。 安全、节能、环保以及智能化和信息化是未来汽车的发展趋势。中国汽车市 场的高速增长促成了中国车载娱乐系统市场规模的成倍增长，市场研究表明在 2 0 0 3 2 0 0 6 年间，中国轿车产量合计应在1 2 0 0 1 6 0 0 万辆左右，汽车娱乐系统市 场的规模在5 0 0 8 0 0 万套左右，主要提供o e m 配套服务。采用车载计算机作为 平台，将车载通信、导航、视听娱乐、网络控制等集成为一体化多媒体信息系统 是该领域的市场发展趋势。 1 3 课题研究的意义 本研究拟开发一套集汽车运行、驾驶状态监视、电子导航与通信以及媒体娱 乐等功能于一身的车辆运行安全管理系统，即智能数字仪表系统。该系统不但具 有汽车黑匣子的功能，还能实时显示车辆的运行状态，如冷却水温度、机油温度、 燃油量、电量、发动机转速、车速等汽车运行状态信息以及以上参数的变化曲线， 此外还可显示车辆的三滤更换时间和保养维修提示等，从而使驾驶员做到对所驾 驶的车辆状态一t j , d e 有数，以便随时根据需要进行技术维护，不但提高了车辆寿命， 更重要的是保障了行车安全。此外，该系统还可对驾驶员的驾驶状态进行监视， 通过分析方向盘转角的角速度和紧急制动时的踏板力等参数，判定驾驶员的疲劳 状态和是否处于不正常驾驶状态，同时还可通过指纹识别系统确定驾驶者的身份 及限制驾驶员的驾驶时间，防止长时间疲劳驾驶，对于以上参数超过设定限值的 驾驶者，系统迅速发出声光警示，令其减速或停车，如驾驶者不与理睬，则系统 通过控制总线向发动机电控单元发出减油指令，强行降低车速，对于装备电子油 门和电子刹车的车辆，可关小油门及实施刹车。本系统采用g p s 技术测量车速、 行驶距离及跟踪行车轨迹，可与基于g p s 、g i s 和g s m 的车辆监控、调度和管 第1 章绪论 理系统集成。 该系统能完整、准确地记录汽车行驶状态下的有关情况，能将汽车行驶轨迹 完整记录，除了具有传统的黑匣子所拥有的事故分析功能，还能在驾驶员超速行 驶时发出超速报警声以提醒驾驶员减速行驶，并详细记录车辆每次的起动时间、 行驶里程、行驶时间、最高车速以及每次最高车速的持续时间。 同时，车载自主导航系统由车载g p s ( 全球卫星定位系统) 接收机监测车辆当 前位置，并将其存储在光盘或内置存储器( 如硬盘冲，同时用户还可以自定义目 的地，用电子地图数据做比较，计算行驶路线，并实时将定位和路线信息提供给 驾车者。 另外，随着媒体娱乐与蓝牙技术的发展，其相对低廉的成本和简便的使用方 法得到汽车业界的认同。移动电话与车内媒体之间的信息交互成为蓝牙技术进入 汽车的突破点。蓝牙免提电话系统与车内媒体之间进行信息交互的手段，能够使 驾驶员通过安装在挡风玻璃上的麦克风和车内音响系统的扬声器与他人通话，将 驾驶员的双手从操作移动电话中解脱出来，从而保证了行车安全。 图1 - 3 车辆运行安全管理系统功能图 f i g 1 - 3t h ed i a g r a mo f a u t o m o t i v es a f i ym a n a g e m e n ts y s t e m 如图1 3 所示，电子系统在汽车上的应用。 车辆运行及驾驶状态监视系统将取代现有的功能单调的模拟仪表板，成为集 车辆运行和驾驶状态监测及汽车黑匣子于一体的车辆运行安全管理系统，必将大 大提高汽车的驾驶安全性和舒适性，为交通安全提供新手段。一旦原型系统开发 成功，即可与汽车生产厂家合作进行后续开发，力争推出具有自主知识产权的车 辆运行及驾驶状态监视系统。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 本章小结 本课题研究的主要内容先对a d i 公司的b l a e k f i n 系列的d s p 进行评估，充 分发挥其优势，在此基础上设计了一整套低成本，性能和功能强大的汽车智能仪 表系统，并在吉普2 5 0 0 汽车上作了大量的实验，通过实验数据去证明系统的可 行性。 论文共分为五章，第一章介绍了研究课题的背景，对相关领域的研究进展、 成果作了简单介绍，说明了课题来源和主要研究内容，为研究课题作了充分的准 备。第二章介绍了整个系统的设计方案。在提出了整个系统的功能需求，分析了 系统的难易程度，将整个系统的设计过程分成了三部分，然后针对每一个部分的 难点、缺陷提出更好的解决方案，并在最后全部解决和实现。第三章具体介绍了 系统重要功能部件的硬件电路设计，包括设计的思路、芯片的选择、电路的设计 和调试的过程等。第四章详细阐述了系统软件部分的实现，包括驱动程序、上层 应用程序、算法的移植和优化等。第五章介绍了系统仪表和加速计部分的测试流 程，数据分析和测试结论。 第2 章系统的方案殴训 第2 章系统的方案设计 综合分析了国内外的发展现状下，提出将汽车仪表板、黑匣子和加速计辅助 系统集成于一体的智能安全管理系统，并进行原型系统的设计。系统功能结构框 图如图2 1 所示。 图2 - 1 系统整体功能框图 f 皓2 1t h ef u n c t i o nd i a g r a mo f t h es y s t e m 如图2 - 1 所示，嵌入式系统通过a d 转换器采集所有传感器通过调理电路发 出的模拟信号。然后对采集进来的信号分析处理，将其送到液晶显示器中显示。 当采集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显示， 同时发出语音报警的提示，以使驾驶者及时控制车内设备进行有效的防范。当驾 驶者需要观看车载参数的变化曲线时，可以通过键盘对系统进行控制。通过车载 北京工业大学工学硕士学位论文 参数的分析，系统能够预测车辆故障，以方便汽车及时有效地被维修和保养。同 时系统提供黑匣子的功能，能够将多路不同角度的摄像头采集的视频信息分别通 过彩色液晶屏显示出来，给驾驶者可靠舒适的驾车保障。当出现异常状态时，系 统能够将当时的车载数据及时有效地记录并存储到c f 中，以便事后分析。另外， 系统提供了c a n 和u a r t 接口，可外接通信和导航系统，显示电子地图。音频 c o d e c 能够外接m p 3 播放器，以给驾驶者提供悠闲的驾车环境。下面根据系统 的需求，提出系统的功能与指标，然后根据各部分功能提出系统的方案设计。 2 1 系统功能与指标 根据图2 1 所示，具体细分系统为三部分数字仪表板、黑匣子和加速计 辅助系统。根据目前汽车电子市场的行情分析，提出了本系统的性能指标。 在数字仪表板部分，系统通过a d 转换器能够接收并显示车辆传感器的模拟 和数字信号，并能对信号进行分析、处理、显示变化趋势并语音报警。 车辆行驶性能监视：车速、里程、转速、百公里油耗、水温、机油压力、 燃油量和蓄电池电压。 状态性能显示：右拐弯、远光、部分时间、安全气囊、发动机检查、洗 涤器、制动器故障、手制动、自动防抱死、安全带、左转向等状态的显 示。 报警显示：对于车载所有的状态信息进行监视。当出现异常时，液晶屏 显示出报警信息 键盘操作。用户交互式界面设计。 在黑匣子和加速计辅助部分，系统通过3 轴加速计以及所有状态信息的采集， 对汽车姿态，行驶状态，汽车安全与保养进行分析判断，保证驾驶者的行车安全。 驾驶室内状态参数监视和故障诊断：显示并通过车速曲线、转速曲线、 水温曲线、机油压力曲线、燃油量曲线和蓄电池曲线的变化状态预测车 辆故障。 车辆行驶状态监视：对3 轴加速计的输出参数标定、初始校准，然后通 过加速计的输出的变化判定车辆行驶状态。 事故诊断：通过加速计的变化阀值，判定事故。同时可以根据需要设定 不同的报警阀值。 最多接6 路摄像头，其中每一路通过加速计的判断，自动地切换或者人 为地手动切换显示。 当判定出异常甚至事故后，语音报警，并存储车载所有的状态信息。 汽车行驶记录仪。 第2 章系统的方案设计 2 2 系统的方案设计 汽车智能仪表系统分为数字仪表、黑匣子和加速计辅助驾驶系统三部分。每 部分系统分别在完成各自的功能的前提下，又保持着密切的数据交互。考虑到整 个系统实现的难易程度，研发过程的实现成本、开发的周期的长短以及人数和资 源的限制前提，提出了本系统的实现方案。 2 2 1 系统平台的选择 本系统具体方案的实现采用a d i 公司的b l a c k f m 系列的d s p t 3 1 。 众所周知，美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) 是世界上最知名的d s p 芯片生产厂商，其产品应用也最广泛，t i 公司生产的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片广 泛应用于各个领域。目前，t i 公司在市场上主要有三大系列产品： 第一是面向数字控制、运动控制的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，主要包括 t m s 3 2 0 c 2 4 x 佰2 4 x 、t m s 3 2 0 l c 2 4 0 ) 【，l f 2 4 0 x 、t m s 3 2 0 c 2 4 x a ，i ，f 2 4 0 x a 、 t m s 3 2 0 c 2 8 x x 等。 第二是面向低功耗、手持设备、无线终端应用的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列，主要 包括1 m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 5 4 x x 、t m s 3 2 0 c 5 5 x 等。 第三是面向高性能、多功能、复杂应用领域的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，主要包 括t m s 3 2 0 c 6 2 x x 、t m s 3 2 0 c 6 4 x x 、t m s 3 2 0 c 6 7 x x 等。 a d i 公司在d s p 芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自身 特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、a d s p 2 1 1 1 2 1 1 5 、 a d s p 2 1 2 6 2 1 6 2 2 1 6 4 、a d s p 2 1 2 7 2 1 8 1 ，以及b l a c k f i n 系列d s p b f 5 3 5 5 3 x 5 6 1 ， 浮点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 ，以及虎鲨t s l 0 1 ， t s 2 0 1 s 。 一般情况下，浮点d s p 芯片的运算精度要高于定点d s p 芯片的运算精度， 但是功耗和价格也随之上升。一般定点d s p 芯片的字长为1 6 位、2 4 位或者3 2 位，浮点芯片的字长为3 2 位。累加器一般都为3 2 位或4 0 位。 定点d s p 的特点是主频高、速度快、成本低和功耗小，主要用于计算复杂度 不高的控制、通信、语音，图像、消费电子产品等领域。但是在编程时要关注信 号的动态范围，在代码中增加限制信号动态范围的定标运算，虽然可以通过改进 算法来提高运算精度，但是这样做会相应增加程序的复杂度和运算量。本系统基 于性价比和功耗的考虑，采用1 6 位定点的d s p 。 a d i 公司的d s p 内部存储器支持多总线结构刚，所以可以同时完成d m a 操 作，取指令，存取数据操作，真正体现了流水线结构的优势。a d i 公司的指令 北京工业大学工学硕士学位论文 c a c h e 的作用是t i 公司无法相比的。a d i 公司的d s p 的d m a 操作不会影响 内核的工作，而t i 公司的会影响。a d i 公司的d s p 外设接口丰富，t i m e r 接 口可以直接采集调理过的车速和转速信号，而p p i 接口在图像采集上又有不可比 拟的优势，而且支持d m a 传输。 a d i 公司的b l a c k f i n 系列d s p 从低端、中端到高端领域都各有优势。因此从 系统需求、性能和价格以及开发环境的考虑，采用a d i 公司的d s p 作为系统开 发的核心芯片。如表2 1 所示为a d i 公司b l a c f m 系列d s p 内核对比裂5 】【6 】。 表2 - 1a d i 公司b l a e k f m 处理器内核对比 1 h b l e 2 1t h e c o r e c o n t r a s t o f b l a c k f i n p r o c e s s o r s i n a d l a d i 公司d s pb f 5 3 lb f 5 3 2 b f 5 3 3 b f 5 6 l 最大频率4 0 0 z4 0 0 z6 0 0 瑚z 6 0 0 任i z 性能8 0 0 呲c s8 0 0m m a c s 1 2 0 0m m a c s2 4 0 0 皿1 c s 指令s r a m c a c h e1 6 k b y t e s 1 6 k b y t e s 1 6 k b y t e s1 6 1 0 3 y t e s 指令s r a m 1 6 k b y t e s3 2 k b y t e s 6 4 k b y t e s1 6 k b y t e s 数据s r a m c a c h e1 6 k b y t e s 3 2 k b y t e s 3 2 k b y t e s 3 2 k b y t e s 数据s r a m无 无 3 2 k b y t e s3 2 k b y t e s 中间存储器4 k b y t e s 4 k b y t e s4 k b y t e s4 k b y t e s b f 5 3 1 和b f 5 3 2 两款d s p 的外设相同，管脚兼容。唯一的区别在于其片内 s r a m 的容量。对于数字仪表板部分来说，关键问题在于车载信息的数据采集、 处理和显示，因此在软件方面需要作嵌入式操作系统和g u i 的移植，而这部分 又需要较大的代码量。因此对于设计初期，为了更有效地提高系统从采集到数据 显示的实时性能，应该选择片内容量较大的d s p 平台，发挥片内存储器访问的 优势，合理有效地分配片内资源。 针对于上面两款d s p ，b f 5 3 3 的优势在于主频提升至6 0 0 m h z ，因而性能最 高可以达到1 2 0 0 m m a c s ，并且进一步提升了片内s r a m 的容量。另添加了3 2 k b 数据s r a m 。可以看出，b f 5 3 3 增强了对于数据的运算处理能力。对于黑匣子和 加速计辅助系统需要对摄像头的视频信息进行实时地压缩存储，还需要文件系统 的支持。因此需要更高端的平台。 针对于以上三款d s p ，b f 5 6 1 的优势在于其内部有两颗b f 5 3 3 内核，即双核 d s p 。其性能可以达到2 4 0 0 m m a c s 的运算能力，是b f 5 3 3 的两倍。同时片内增 加了公共的1 2 8 k b 的l 2s r a m 存储区。在外设上，又增添了一路能够接视频的 高速p p i 接口。这样一来，对于整个汽车智能仪表系统来说，一个核做数字仪表 系统，另一个核做黑匣子和加速计辅助系统。同时利用两路p p i 接口还可以将摄 像头的视频信息显示至液晶屏中。因此采用b f 5 6 1 平台不仅能够保证数字仪表 第2 章系统的方案设计 板、黑匣子和加速计辅助系统有机地结合，充分发挥双核的优势，还可以为以后 功能的进一步扩展奠定基础。 2 2 2 系统整体方案的比较 设计本系统过程中，首先对b f 5 3 x 内核的资源作了一些评估。对于内核最高 可以运行在4 0 0 m h z 的b f 5 3 2 来说，由于g u i 图形库占用了大部分的代码量， 因此最耗尽资源。当系统运行在c a c h e 模式后1 7 j ，g u i 平均占用约1 5 m i p s ，而 其余的一些数据采集和处理以及操作系统之间的调度占用不到5 m i p s 。对于 4 0 0 m i p s ，秒的b f 5 3 2 来说，系统刷屏的时间为2 0 帧，秒，基本满足实时显示的要 求。而相比b f 5 3 2 ，b f 5 3 1 由于片内数据s r 枷c a c h e 的空间仅为b f 5 3 2 的一 半，所以性能逊色于b f 5 3 2 ，g u i 平均占用约在2 2 m i p s ，系统刷屏的时间变成 了1 5 帧秒。而对于5 0 0 m h z 的d s p 来说，刷屏的时间可以提高到2 5 帧，秒。 图2 - 2 系统整体方案设计l f i g2 - 2t h ef i r s td e s i g ns c h e m eo f t h es y s t e m 采用a d i 公司的b l a c k f m 系列的d s p i s l ，提出了系统整体设计方案： 第一，采用基于b l a c k f m 系列b f 5 3 2 平台的数字仪表系统和基于b l a c k f m 系 列b f 5 3 3 平台的黑匣子与加速计辅助系统相结合的方案。如图2 2 所示。本方案 设计非常灵活，易于修改。基于b f 5 3 2 的子系统完成实时仪表板的采集、分析 和显示。而基于b f 5 3 3 的子系统完全可以胜任任何复杂的压缩算法的处理，同 时，通过3 轴加速计的采集来分析汽车行驶的姿态，将异常信息存储至c f 卡中。 两个系统通过s p o r t 接口进行通讯。通过对两个d s p 性能和资源的分析，来适 当地分配内核资源和外设接口。当其中一个系统出现问题需要重新设计时，也可 以仅仅针对于一个系统进行修改。但是本系统的缺点在于视频传输的问题。视频 数据每一帧为1 7 1 6 5 2 5 个字节，由于p p i 外接2 7 m h z 晶振，8 位并行传输，能 够完成实时地采集或者播放。但是当系统外频运行在最高1 3 3 m h z 时，s p o r t 串行接口的时钟最高频率也才6 6 m h z 。因此传输的瓶颈导致了视频播放无法满 北京工业大学工学硕士学位论文 足系统实时的要求。另外，除了s p o r t 接口外，d s p 其它高速的外设接口都已 经根据需求被占用，因此排除这种方案。 第二，采用基于b l a c k f i n 系列b f 5 6 1 平台的方案【9 l 1 0 l 。如图2 3 所示。 图2 - 3 系统整体方案设计2 r i g 2 - 3t h es e c o n dd e s i g ns c h e m eo f t h es y s t e m 虚线按照功能将b f 5 6 1 双核分开。由于b f 5 6 1 内部相当于两个b f 5 3 3 ，因 此其中一个核( 左半区域) 用于仪表板、黑匣子部分功能和加速计辅助驾驶部分 的处理。除了数字仪表板系统的基本功能外，与行驶记录仪和加速计采集判定事 故算法结合在一起。通过车载信息和加速计组合采集，判定汽车行驶状态将变得 更加稳定可靠。而另外一个核( 右半区域) 主要用于对媒体( 音视频) 的处理。 本方案的特点在于硬件和软件设计的简单化，不用再去单独配制s p o r t 接e l 作 为通讯接口。b f 5 6 1 的优势在于任何的外设接口任何一个核都可以控制，因此可 以节省很多双核交互的问题。从成本考虑，两种方案基本持平，但是b f 5 6 1 相 当于两个b f 5 3 3 内核，因此采用第二种方案作为系统整体设计方案。 2 3 本章小结 本章具体介绍了系统对于d s p 的选择和整体方案的分析与论证。通过对 b f 5 3 x 性能的评估，选择了更适合系统的b f 5 6 1 的方案。在b f 5 6 1 架构的基础 上，提出了一套满足系统需求的解决方案。 第3 章系统的硬件设计 第3 章系统的硬件设计 整个系统研究重点和特点在于仅用一颗d s p 处理器【儿i 【1 2 1 ，将汽车仪表板、 黑匣子和加速计辅助驾驶功能有机地结合，真正做到低成本、高性能，并将智能 数字仪表系统真正推向实用。根据如图2 3 所示的系统结构框图，将系统分为电 源模块、采集模块、液晶显示模块、加速计模块、键盘模块、视频采集模块和接 口模块7 部分。 3 1 电源模块 蓄电池和发电机是汽车上的重要电源部件。发动机的起动以及停车后车上所 有的用电设备全靠蓄电池来供电。当发动机正常工作时，发电机成为车上的主要 供电设备，而蓄电池辅助发电机供电。由于发电机输出电压会随发动机转速增高 而升高，故要用电压调节器进行调节，使之符合使用需要。因此，它们的性能对 汽车的设备有着至关重要的影响。由于二者是并联关系，所以电压之间可以得到 互补。在正常工作状态下，二者的电压应在1 3 至1 4 5 v 之间，低于1 3 8 v 说明 充电系统输出容量不够，高于1 4 5 v 说明电压调节器失控。 对于嵌入式系统来说，设备的需求电压是5 v 、3 3 v 和内核电压。为了高效 地将蓄电池电压转换成需求电压，必须采用d c d c 转换器。而在选择d c d c 的方案时，由于单电源芯片相比多电源芯片设计方便且空间小，但是在能满足系 统需求的功率范围内，其价格非常昂贵，是普通单电压输出芯片价格的四倍之多。 因此考虑性价比，选择双d c d c 芯片。如图3 1 所示。 3 3 v 图3 - 1 电源电压方案 f i g 3 1t h e s c h e m eo f t h ep o w e rs u p p l y 如图2 - 6 所示，系统根据功能将使用b f 5 6 1 、车载调理电路、c p l d 、p v l 3 0 0 1 a 、 v i d e od e c o d e r 、a u d i oc o d e e 、s d r a m 、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 、c fc a r d 和液晶屏。通过芯片参考手册和实验测试得到表3 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表3 1 系统中大部分器件的功耗 t a b l e3 - 1t h ep o w e rd i s s i p a t i o no f m o s to f p a r t so f n l es y s t e m 芯片和电路需要供给的电压功耗 5 0 0 m h zb f 5 6 1 3 3 v 和内核电压至少2 w c p l d3 3 v1 w p v l 3 0 0 1 a5 v0 1 7 5 w v i d e od e c o d e r3 3 vo 5 5 w a u d i o c o d e c3 3 v0 2 6 4 w s d r a m3 3 v0 7 w n o rf l a s h 3 3 v0 0 0 5 w n a n df l a s h 3 3 v0 0 7 w c fc a r d3 3 vo 2 4 8 w 液晶屏 5 v3 5 w 调理电路5 v 和3 3 vl w 如表3 1 所示，5 v 电压功耗约在4 w ，因此输出电流至少在1 a ：而3 3 v 电 压功耗约在6 w ，因此输出电流至少在2 a 。 通过以上的结论，两种d c - d c 均采用n a t i o n a l 公司的l m 2 5 7 6 1 “。首先该 芯片单电压输出，输出电压可为3 3 v 、5 v 、1 2 v 或1 5 v ，输出电流最高3 a 。输 入电压范围很宽，峰值可达到4 0 v ，瞬态高压可承受6 0 v 。同时它在输出电流 3 a 时效率可达到7 7 。另外，它管脚少，外围只有4 个元器件，成本在1 美金 以内，完全符合本系统的需求。另外，绝大多数d c 。d c 芯片的市场价格均高于 该款芯片，而其l m 2 5 7 6 在市场上相比其它芯片易于购买。 除了5 v 和3 3 v 的供给电压外，还包括b f 5 6 1 的内核电压。由于b f 5 6 1 内 部相当于两颗b f 5 3 3 ，对于b f 5 3 3 功耗的计算公式f 1 4 j ： 脚= + k + 昂d r ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 中p d 。，。整个芯片的总功耗； 昂一整个芯片平均内核功耗； p d 。整个芯片外设的功耗； 。整个芯片内部r t c 的功耗 其中，运行在5 0 0 m h z 的b f 5 3 3 ，设内核电压为1 2 v ，易。，约在o t 3 o 6 w 之间。p d 一主要由输出引脚数量、触发时钟的引脚数量、外设运行的速 度、外设的运行时间、负载电容、外设电压以及芯片本身对于外设电压供给的效 率问题等因素决定。，i d d 。主要由工作温度、r t c 电压等因素决定。因此，最后 b f 5 3 3 的p d 嬲约在1 w 。而b f 5 6 1 由