（车辆工程专业论文）基于arm的车载信息系统开发平台的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o i f l l l l l l l l l l l l l l f l l li i ij l l r ii iiiiip y 18113 0 6 保密# r 2 年 t o n g f iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y t h er e s e a r c ho fd e v e l o pp l a t f o r mf o r v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do n a r m m i c r o p r o c e s s o r s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f a u t o m o t i v es t u d i e s d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：c h e n g h a ol v s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f y o n gs h e n m a r c h ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： ? 眵科澎 泸g 年弓月ye t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 眵蝌 劲翅年弓月歹e l 摘要 摘要 随着社会的发展，车辆技术得到了空前的革新，车载信息系统越来越受到 人们的关注。传统车辆的信息显示随着车辆电子产品的增多已经不能满足要求 了。尤其对于类似于燃料电池汽车等新能源车辆，各类控制器在车辆上的应用 已达到相当大的数量，如何使得车辆信息有效显示以及智能处理是目前车载信 息系统发展必须考虑的问题。随着类似车内语音控制、远程t e l e m a t i e s 服务等车 辆网络化管理的实现，原先相互独立的车辆模块必须进行进一步的集成，使车 辆信息能有效、准确、及时得到处理。 本文论述了基于a r m 的车载信息系统的开发平台的研究。针对新能源车辆 的特殊性，目前国内外对于此类车载信息系统还没有一个理想的开发平台，笔 者经过比较，选用了a r m 内核的控制器，并在此基础上，设计车辆信息所需要 的外部硬件接口。在此硬件平台上，本文研究的开发平台包括两个操作系统， w i n c e 和u c o s i i ，分别研究了这两个操作系统在本硬件平台上的移植，运行 以及性能，从而讨论分别由这两个操作系统构成的车载信息系统开发平台的特 点。 在本文的最后一部分，笔者讨论了关于建立车载信息系统自动化编程的方 法。讨论在现有的开发平台上，如何实现应用软件的自动化编程，从而能够加 快开发的正确性和有效性。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：车载信息系统，开发平台，w i n c e ，u c o s i i ，自动化编程 a b s t r a c t w i 廿i l er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ns o c i e t y , t h ev e h i c l et e c h n o l o g yh a sm a d e ag r e a tp r o g r e s s 啊他v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mh a sb e e np a i dm u c hm o r ea t t e n t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ee l e c t r i cp r o d u c t s ，t h ec o n v e n t i o n a ld a s h b o a r dc a nn o tm e e t h i g h e rd e m a n d sf o ri n f o r m a t i o nd i s p o s a la n ym o r e a sf 0 rt h en o we n e r g yv e h i c l e s u c ha st h ef u e lc e l lv ；e h i c l e , t h en u m b e ro ft h ec o n t r o lu n i t sh a sr e a c h e dan c w s t a g e h e n c e , t h ev a l i dd i s p o s a lo ft h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns h o u l db et a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o n w i t ht h er e a l i z a t i o no fv e h i c l em a n a g e m e n tb a s e do nn e t w o r ks u c ha s v o i c ec o n t r o la n dt e l e m a t i c s s e r v i c e s ，t h ei s o l a t e dm o d u l e ss h o u l db ef u r t h e r i n t e g r a t e ds ot h a tt h ev e h i c l ei n f o r m a t i o nc o u l db eh a n d l e de f f e c t i v e l ya n dd u l y t h i st h e s i sd i s c u s s e st h er e s e a r c ho fd e v e l o pp l a t f o r mf o rv e h i c l ei n f o r m a t i o n s y s t e mb a s e do na r mm i c r o p r o c e s s o r c u r r e n t l ya sf a ra st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e n e we n e r g yv e h i c l ei sc o n c e r n e d , t h e r ei sn oi d e a ld e v e l o pp l a t f o r mf o rv e h i c l e i n f o r m a t i o ns y s t e mh o m ea n da b r o a d a f t e rc o m p a r e d ，id e s i g nt h eh a r d w a r e p l a t f o r m b a s e do na r m m i c r o p r o c e s s o ra n di n t e r f a c ec i r c u i tr e l a t e dt ot h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n d i s p o s a l t h e r e a f t e r , t w ok i n & o fo p e r a t i o ns y s t e m , w i n c ea n du c o s - i ia r e d i s c u s s e di nt h i st h e s i s ir e a l i z et h e i rt r a n s p l a n ta n dr u ni nm yh a r d w a r ep l a t f o r m r e s p e c t i v e l ya n ds t u d yt h e i rp e r f o r m a n c e s a tt h el a s tp a r to ft h i st h e s i s ，id i s c u s st h em e t h o dt or e a l i z ea u t o m a t i cp r o g r a m f o rv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e ma n dh o wt or e a l i z ea u t o m a t i cp r o g r a mo fa p p l i c a t i o n b a s e do nt h ed e v e l o pp l a t f o r m i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i t i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d 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 a n ，d e v e l o pp l a t f o r m ，w i n c e ，u c o s i i ， a u t o m a t i cp r o g r a m 目录 目录 第1 章引言1 1 1 车载信息系统概述1 1 2 车载信息系统发展趋势2 1 3 课题研究内容3 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案4 2 1 硬件的选择4 2 1 1 处理器的选择4 2 1 2c a n 总线接口的选择5 2 1 3 短程无线网络接口的选择7 2 1 4 远程无线网络接口的选择8 2 1 5 总线扩展接口1 0 2 2 软件的选择1 1 2 3 总体设计方案1 2 第3 章基于w i n c e 的车载信息系统开发平台1 5 3 1 基于w i n c e 平台的车载信息系统构架1 6 3 i i 多媒体车载信息显示系统1 6 3 1 2 远程车辆管理1 8 3 1 3 车辆内外网络交互1 9 3 2w i n c e 下m c p 2 5 1 5c a n 控制器驱动的实现2 0 3 2 1w i n c e 驱动程序的结构2 0 3 2 2w i n c e 设备驱动的中断处理和i s t 模型2 2 3 2 3m c p 2 5 1 5c a n 控制器流接口驱动的实现2 3 3 3 本章小结2 7 i i i 目录 第4 章基于u c o s - i i 和u c g u i 的车载信息系统开发平台2 9 4 1u c o s i i 在a r m 平台上的移植与实现2 9 4 1 1u c o s - i i 移植要点3 l 4 1 2u c o s - i i 移植的具体函数的实现3 2 4 1 3u c 0 s i i 下任务的管理3 4 4 2u c g u i 在a r m 平台上的移植与实现3 6 4 2 1u c g u i 的移植与实现3 7 4 2 2u c g u i 下图像显示无闪烁的实现3 9 4 3 基于u c o s i i 和u c g u i 开发平台的建立4 0 4 3 1 开发平台的特点4 0 4 3 2 图形a p i 函数4 2 4 4 本章小结5 0 第5 章车载信息系统自动化编程理论研究5 3 5 1i e c 6 11 3 1 - 3 标准5 3 5 2i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的软件模型5 4 5 3i e c 6 11 3 1 3 标准的编程语言5 7 5 4 车载信息系统自动化编程5 9 5 4 1i e c 6 1 1 3 1 - 3 软件模型与现有开发平台软件结构的比较5 9 5 4 2 车载信息系统自动化编程语言的选择6 0 5 4 3 车载信息系统自动化编程图形化软件模型的建立6 1 5 5 本章小结7 0 第6 章结论与展望。7 2 6 1 结论7 2 6 2 进一步工作的方向7 2 致谢7 3 i v 目录 参考文献7 4 附录am c p 2 5 1 5 流接口函数7 7 附录bo s _ c p u _ a s 源代码8 1 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 5 v 第1 章引言 1 1 车载信息系统概述 第1 章引言 近几年，中国汽车产业迅速发展。从1 9 9 9 年开始，中国汽车产业进入加速 增长时期，至2 0 0 7 年，中国汽车产量一直保持较高的增长速度。汽车产业的发 展为汽车电子产品提供了广阔的应用市场，这也大大刺激了中国汽车电子产业 的发展。在中国生产的汽车电子产品，基本可以分为汽车核心控制和安全系统、 汽车辅助控制系统以及车载信息娱乐系统。其中汽车核心控制和安全系统主要 包括e m s 、a b s 、e s p 、a i r b a g 等；而辅助控制系统包括汽车空调控制系统、 车门控制系统、车灯控制系统、座椅控制系统、车窗控制系统等；车载信息娱 乐系统包括车载d v d 、车载m p 3 、车载g p s 、车载网络通信系统、车载短距离 无线通信系统以及c a rp c 等。 在车载信息系统领域，目前运用于传统车辆上的成熟产品主要是车载娱乐 系统，这些娱乐系统虽然能够满足目前一般消费者的日常需求，但对于功能的 扩展性，相对比较有限，各个汽车制造商普遍将目前的车载娱乐系统集成到统 一的硬件平台上，d s p 、a r m 、x 8 6 平台成为许多系统的硬件基础，而对于软 件平台，汽车制造商大多采用目前比较成熟的软件开发平台，例如w i n c e 、l i n u x 、 q n x 等，由于所实现的娱乐功能与操作系统所提供的功能相接近，因此，对于 使用这样成熟的操作系统平台，应用软件的开发相对比较简单。 然而，对于类似燃料电池汽车、混合动力汽车以及纯电动汽车这样的新能 源车辆而言，除了需要传统车辆这样的娱乐系统外，传统的信息系统已经不能 满足新能源车辆的要求了。由于新能源车辆比传统汽车有更多的控制器，通过 总线连接相互通讯，与传统车辆相比，结构更加复杂，同时具有多种工况，因 此，所要显示及通过短程、远程网络通讯的信息量大大增加。传统车辆的信息 系统，由于受到结构、功能的限制，已经无法有效地对必要的信息进行处理了。 为此，开发适用于新能源车辆的新一代车载信息系统成为当前车载信息娱乐系 统的主流。 对于传统车领域，车辆信息的远程管理已经越来越受到各大汽车制造商的 第1 章引言 重视。t e l e m a t i c s 是以无线语音、数字通信和人造卫星的g p s 系统为基础，通过 汽车交换信息的技术。通过定位系统和无线通信网，向驾驶员和乘客提供交通 信息、应付紧急情况的对策、远距离车辆诊断和互联网( 金融交易、新闻、电 子邮件等) 服务。通用公司的o n s t a r 系统，丰田公司的m c n e t 系统都已经 将车辆信息、道路交通信息、远程车辆管理等集于一身，车辆信息与外部网络 信息的融合必将成为车载信息系统的发展趋势。 目前，国内对于新能源车辆的研究以及车载远程信息管理系统的研究都刚 刚起步，对车载计算机的软硬件的研究成为了车载信息系统研究的基础。车载 计算机不同于普通计算机，车辆在运行过程中所受到的力的冲击，电磁干扰， 噪声干扰，热辐射等一系列特性决定了车载计算机硬件的特殊要求：抗振，抗 干扰。此外，车辆运行状态关系到司机的安全性，因此，车载计算机对于稳定 性也有很高的要求，必须保证车辆无论处于怎么样的工况条件下，都能稳定， 可靠的工作。在软件方面，合适的操作系统为发挥硬件的功能提供了平台。目 前，嵌入式操作系统主要分为实时嵌入式操作系统和分时嵌入式操作系统，对 于系统实时性要求高的场合，例如一些主要部件的实时控制，可以选用l ac o s i i 、v x w o r k s 等实时操作系统；而对于非实时控制的场合，例如媒体播放，数 据存储，互联网娱乐等，则可以选用w i n c e ，l i n u x 等非硬实时的操作系统。 1 2 车载信息系统发展趋势 在这个信息时代，人们对于信息的渴望已远远超出所能想象的程度。一般 来说，融合当前在通信技术、定位技术、信息采集、故障诊断技术及数字化显 示等多领域的最新科技，立足于信息技术与车辆技术的结合，根据智能车辆运 输系统的需求，所要研发的车载信息系统不仅具有无线网络通信和g p s 定位功 能，而且还应具有车辆内部动态信息的诊断、显示、无线语音控制等诸多功能。 车载信息系统将成为所有信息在车辆上的融合中心。在远程无线信息领域， 有目前成熟的g p r s 和c d m a ，随着技术的发展，3 g 和车辆信息专用网络将为 车辆基于远程无线网络的信息通讯提供更加宽广的发展空间。在短程无线领域， 随着蓝牙，v 2 v ，v 2 i 等短程无线技术的发展，乘员与车辆、车辆与车辆、车辆 与周边环境将融合为一体，共享信息。在车内网络方面，f l e x r a y 将进一步取 代c a n 成为车辆网络总线，为车辆信息的交换提供更加优越的性能保障。 2 第1 章引言 相信未来的汽车上，车载计算机随着蓝牙，无线，语音控制等先进技术的 成熟，将实现诸如自动导航、自动巡航、车辆综合信息处理、影音娱乐、车载 通信等等便捷、先进的功能，也会留给驾驶者更开放的操作系统构架，以实现 更加人性化的需求、满足更多汽车消费人群的需要，推动汽车i t 科技的不断发 展。而车辆也必将成为这个信息化时代的一台移动计算机。 1 3 课题研究内容 经过一段时间的调研，笔者认为，研究车载信息系统的开发平台以满足新 能源车辆的发展需求是有必要的。本课题的研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 第二章：讨论了车载信息系统的总体方案设计。研究了车载信息系统的 硬件平台和操作系统的选择。针对车载电子产品的特殊要求，选择合适的微处 理器以及用于获取车辆信息的外部设备接口。在硬件平台上，选择合适的操作 系统以达到课题研究的目标。 2 ) 第三章：讨论了基于w i n c e 的车载信息系统开发平台。w i n c e 的应用 已越来越广泛，将其引入车载信息系统也是基于其在汽车领域的应用，其完善 的网络功能以及强大的多媒体功能。笔者研究了基于w i n c e 的已实现的车载信 息系统构架，并且对w i n c e 下外围设备c a n 控制器的底层驱动做了研究。分 析如何在w i n c e 平台下开发其流驱动程序，目的是为以后开发w i n c e 下其他设 备的驱动程序提供必要的理论和实践基础。 3 ) 第四章：讨论了基于u c o s i i 和u c g u i 的车载信息系统开发平台。研 究u c o s i i 和u c g u i 在本硬件平台上的移植与实现，并对其性能进行了进一 步分析和优化。笔者将u c o s i i 和u c g u i 引入车载信息系统的用意是看重了 其具有实时性的内核以及图形化用户界面，这两者的结合正是车载信息系统所 要求的。在该平台上，笔者完善了基于所选择硬件平台所需要的所有驱动，并 且在这基础上，完善了信息显示所需要的图形a p i 函数 4 ) 第五章：笔者讨论了车载信息系统的自动化编程理论，基于图形化的编 程方法将有利于程序的稳定性和扩展性。 5 ) 第六章：在本文的最后一章中，笔者对所做的工作进行了总结并提出了 进一步的工作方向。 3 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 2 1 硬件的选择 车载嵌入式计算机，目前在国内还处于启始阶段，还没有成熟的产品，更 没有相应的技术规范。由于要在汽车上运用，除了要满足一般嵌入式计算机的 要求外，更要达到汽车电子产品的特殊要求。所以，车载嵌入式计算机必须根 据具体工作环境和功能要求，作专门设计制作。 2 1 1 处理器的选择 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计， 全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个 系列。但与全球p c 市场不同的是没有一种微处理器和微处理器公司可以主导嵌 入式系统，仅以3 2 位的c p u 而言，就有1 0 0 种以上嵌入式微处理器。由于嵌入 式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。本次设计在设计处理器方面 主要考虑了以下方面l l j ： ( 1 ) 处理器的处理速度。一个处理器的性能取决于多个方面的因素：时钟 频率，内部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用 处理器的嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在 于选取能够完成作业的处理器和i o 子系统。本次设计选用了三星公司的 $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器，它的外频是1 0 m h z ，内部通过p l l 倍频电路倍频至 2 0 3 m h z ，足以满足此次设计的处理速度要求。 ( 2 ) 技术指标。考虑微处理器应尽可能集成诸多的外围设备的功能，从而 减少芯片的数量，进而降低了整个系统的开发费用。三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 微处 理器在片上集成了m m u ，d m a ，l c d 控制器，n a n df l a s h 引导单元，8 通 道1 0 位a d 转换器，i i c 总线接口，i i s 总线接口，u s b 主机单元，u s b 设备接 口，2 通道s p i 等一系列外围设备的功能，从而大大方便了对外围电路的要求。 ( 3 ) 处理器的低工耗。嵌入式微处理器的应用都要求高性能、低工耗。从 而能满足设计中的要求。三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器就是以其高性能、低功 4 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 耗为嵌入式系统提供了良好的解决方案。此外，考虑到车载计算机的特殊要求， 对微处理器的特性也有重要的要求，a r m 处理器是一款工业级的芯片，它能 满足车辆在不同工况下的抗干扰、振动、噪声、热辐射等要求，因此，对车辆 运行的可靠性有一定的保障，无论车辆处于什么样的工况，都能稳定地工作。 ( 4 ) 处理器的软件支持及市场应用。a r m 微处理器一直以来都有良好的 处理器开发调试软件以支持用户进行二次开发。编译器a d s 和仿真器m u l t i i c e 对芯片的开发有良好的帮助。此外，最外a r m 系列一款比较成熟的芯片， $ 3 c 2 4 1 0 x 在市场上的应用也比较广泛，相对于自己的开发工作也有不少的帮助 与借鉴。在这个信息时代，人们对于信息的渴望已远远超出所能想象的程度。 一般来说，融合当前在通信技术、定位技术、信息采集、故障诊断技术及数字 化显示等多领域的最新科技，立足于信息技术与车辆技术的结合，根据智能车 辆运输系统的需求，所要研发的车载信息系统不仅具有无线网络通信和g p s 定 位功能，而且还应具有车辆内部动态信息的诊断、显示、无线语音控制等诸多 功能。 2 1 2c a n 总线接口的选择 由于本设计所采用的$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器本身不带c a n 控制器，所以针对实 际使用，必须在现有的处理器平台上扩展c a n 总线接口。总线扩展的方式可以 分为串行扩展和并行扩展，下面对两种总线扩展形式做一比较以决定所选用的 c a n 总线扩展接口。 1 ) 并行总线扩展：s j a l 0 0 0 独立的c a n 控制器 s j a l 0 0 0 是一个独立的c a n 控制器，它在汽车和普通的工业应用上有先 进的特征。由于它和p c a 8 2 c 2 0 0 在硬件和软件都兼容，因此它将会替代 p c a 8 2 c 2 0 0 。s j a l 0 0 0 有一系列先进的功能，适合于多种应用，特别在系统优 化、诊断和维护方面非常重要。s j a l 0 0 0 独立的c a n 控制器有2 个不同的操作 模式。b a s i c c a n 模式是上电后默认的操作模式。p e l i c a n 模式是新的操作模式， 它能够处理所有c a n 2 0 b 规范的帧类型，而且它还提供一些增强功能是 s j a l o o o 能应用于更宽的领域。 5 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 l i n e h 嘣 & a - 1 0 0 0 t r a n s c e i v e r ( o n t r t f l l e r 叫! 卜 c m - h n b a a , r o m m t 湎m a t t _ _ l o o t a 盹_- 卜叫 q - _ _ 唰臀卜 _ 一 _ _ - 一 _ - 图2 1s j a l 0 0 0 独立的c a n 控制器系统结构 s j a l 0 0 0 采用并行方式与控制器相连接，8 位数据与地址线共用，与 c a n 2 0 b 协议兼容，同时支持1 1 位和2 9 位识别码，位速率可达到l m b i t s s 。 由于s 3 c 2 4 1 0 微处理器数据、地址总线的驱动能力有限，采用传统的并行方式 扩展处理器总线就必须采用总线驱动芯片以增强微处理器的驱动能力，为此， 采用并行扩展总线的方式必将增加系统的硬件开销。 2 ) 串行总线扩展：m c p 2 5 1 5 独立的c a n 控制器 m i c r o c h i p 的m c p 2 5 1 5 是一款独立控制器局域网络( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ，c a n ) 协议控制器，完全支持c a nv 2 0 b 技术规范。该器件能发送 和接收标准和扩展数据帧以及远程帧。m c p 2 5 1 5 自带的两个验收屏蔽寄存器和 六个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文，因此减少了主单片机( m c u ) 的开销。m c p 2 5 1 5 与m c u 的连接是通过业界标准串行外设接口 ( s e a r i a l p e r i p h c r a li n t c r f a c e ，s p i ) 来实现的。 c a 奠日一i c n 咽 图2 2i i c p 2 5 1 5 独立的c a n 控制器系统结构 6 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 由于m c p 2 5 1 5 采用串行s p i 方式与微处理器连接，因此大大节省了系统的 硬件开销，m c p 2 5 1 5 完全支持c a n 2 0 b 技术规范，通讯速率为l m b s 。控制器 内部带有两个接收缓冲器，高速s p i 接口支持0 ，0 和1 ，1 方式的s p i 模式，速 率可以达到1 0 m h z 。 比较两种总线扩展方式可以看出，采用并行扩展方式时，c a n 控制器与微 处理器的通讯速率可以达到微处理器的外部总线速率5 0 m h z ，这是s p i 串行通 讯速率的5 倍；s j a l 0 0 0 内部带有“个字节接收f i f o ，可以存储高达2 1 个报 文，这延长了最大中断服务时间，避免了数据超载。m c p 2 5 1 5 内部只有两个接 收缓冲器，与s j a l 0 0 0 相比，发生数据超载的可能性较大。在实际应用中，由 于$ 3 c 2 4 1 0 微处理器高速的处理性能，在一定程度上能够避免发生数据丢失的 现象，此外，采用并行总线扩展而产生的硬件开销是必须考虑的问题，综合两 种总线扩展方式，笔者根据实际应用，最终选用串行s p i 总线扩展方式，扩展 c a n 控制器。 2 1 3 短程无线网络接口的选择 车辆短程无线接口主要用于实现v 2 v 和v 2 i 数据通讯。实现车辆与车辆、 车辆与周边环境之间的信息交换，使信息通过短程无线网络在车辆间相互传递， 与远程无线通讯相比，短程无线具有速度快，交换信息量大等特点。本文采用 的短程无线接口选择工作于2 4 g h zi s m 频段的射频收发芯片n r f 2 4 0 1 。该芯片 是单片射频收发芯片，工作于2 4 - - 2 5 g h zi s m 频段，芯片内置频率合成器、 功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程 序进行配置。芯片能耗非常低，以5 d b m 的功率发射时，工作电流只有1 0 5 m a ， 接收时工作电流只有1 8 m a ，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其 d u o c e i v e r t m 技术使n r f 2 4 0 1 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数 据。n r f 2 4 0 1 内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、 g f s k 滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很 少的外围元件，因此使用起来非常方便。q f n 2 4 引脚封装，外形尺寸只有5 x 5 m m 。n r f 2 4 0 1 的功能模块如图所示。 7 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 图2 3n r f 2 4 0 1 功能模块 2 1 4 远程无线网络接口的选择 远程无线网络主要包括g p r s c d m a 模块以及g p s 模块，由于现在市场上 都有比较成熟的该类模块产品，为此，笔者直接选用该类成熟的模块。由于 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器内有三个串行u a r t 接口，所以在选取模块时主要考虑模块 的接口为r s 2 3 2 串口。 1 ) g p r s 模块：g p r s 模块选用周立功公司的z w g 2 3 a ，z w g 2 3 a 是一 款基于g p r s 网络的无线数据传输终端设备，提供全透明数据通道，可以方便 的实现远程、无线、网络化的通信方式。z w g 2 3 a 具有网络覆盖范围广( 移动 网络覆盖范围，能使用移动电话的地方就可以使用) 、组网灵活快捷( 安装即可 使用) 、运行成本低( 按流量计费) 等诸多优点。可应用于电力系统、工业监控、 交通管理、气象、水处理、环 图2 4g p 醛模块 8 煤矿、石油等行业。 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 z w g 2 3 a 产品的特点主要包括：支持数据透明传输与协议转换；支持备用 数据中心；支持点对点互连功能；支持a p n 虚拟专网业务；支持数据中心动态 域名或m 地址访问：支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式：支持 短信和电话唤醒功能：支持断线自动重连功能；具有连接时机可控功能，节约 流量；支持本地和远程图形化界面配置与维护；支持短信配置与维护；支持本 地和远程固件升级；r s 2 3 2d b 9 串口，具有流控制信号线和上线指示信号线； 支持数据中心虚拟串口功能，无缝衔接现有上位机软件；支持5 v - - 2 6 v 宽范围 供电；工作电流最大3 0 0 m a 、在线待机电流3 1m a 、休眠时1 4 m a ；多重软 硬件可靠设计，复合式看门狗技术，使设备安全运行。 2 ) g p s 模块tg p s 模块选用台湾g a r m i n 公司的g p s1 5 l 产品。 图2 5g p s 模块 g a r m l n 的g p so e m 产品均为1 2 通道的g p s 接收机，也就是同时可以 跟踪多达1 2 颗g p s 卫星，从而能够快速的定位。g a r m i n 的g p s 接收机功 耗非常小，数据更新率为每秒一次。其优良的性能既能够满足陆地导航的灵敏 度需求，也能够满足飞行器的动态需求。在设计上，这些g p s 接收机使用了最 新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积和功耗。 其中全部的重要元器件，包括r f i f 接收机硬件和数字基带部分，都是由 g a r m i n 来设计和生产的以保证其质量和性能。g a r m i n 的g p s 接收机 o e m 板从硬件和软件上都十分易于使用，非常适合做系统集成。最简单的系统， 除g p s 外还要包括外部电源和g p s 天线。与g p s 系统的通讯可以通过r s 2 3 2 或c m o s 电平的串行口来实现。g p s 接收机o e m 板中可以将卫星轨道参数、 上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器，接收机内部有备用电池 来为存储器供电。 9 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 2 1 5 总线扩展接口 总线扩展接口是将芯片的i o 口进行扩展，以提高系统的扩展性。鉴于外围 设备的多样化，总线扩展接口采用可编程逻辑器件叫p l d 。本文采用的c p l d 是a l t e r a 公司的m 3 0 0 0 a 系列的e p m 3 1 2 8 。e m p 3 1 2 8 是一款基于c m o s e e p r o m 的高性能、低功耗可编程逻辑器件。3 3 v 供电，通过i e e e l l 4 9 1 规定 的j t a g 接口可实现在线编程。内嵌兼容i e e e l l 4 9 1 1 9 0 0 标准的边界扫描测试 电路。高密度p l d s ，有2 5 0 0 个可用门电路。4 5 n s 针脚延迟，最大频率可达 1 9 2 3 m h z 。用户可用i o 引脚有9 6 个。 图2 6e p _ t 3 1 2 8 结构框图 总线扩展接口主要用于： 1 ) 车辆总线接1 2 1 的扩展：c a n 总线、l i n 总线、k 总线、j 1 8 5 0 等车辆总 线的扩展，由于目前的没有用到后几类总线进行数据交换，所以本硬件平台没 有直接对其进行扩展，而是采用总线保留对其的扩展。 2 ) 存储设备的扩展：通过c p l d 可编程逻辑器件，可以实现在本硬件平台 上扩展各类存储单元，如c f 卡、i d e 硬盘、n a n df l a s h 、n o rf l a s h 等， 从而提供系统的存储能力。 3 ) 其他外围设备：对于不是标准总线接口的外设，通过c p l d 可实现对外 设的扩展。 1 0 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 2 2 软件的选择 尽管嵌入式系统有着无比广阔的市场需求和发展前景，但嵌入式系统的发 展多年来却经历了一个曲折和痛苦的历程。随着微处理器的产生，价格低廉、 结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统 发展的瓶颈就突出表现在了软件方面。从八十年代末开始，陆续出现了一些嵌 入式操作系统，比较著名的有t o m a d o v x w o r k x 、p s o s y s t e m 、n e c u l e u s 和 w i n d o w s sc e 、q n x 、v r t x ，以及沸沸扬扬的“女娲计划”，中国人自己的嵌 入式操作系统h o p e n 和现在谈论最多的嵌入式l i n u x 操作系统等等。可用于嵌 入式系统软件开发的操作系统很多，关键就是要选择针对自己的硬件相适应以 及与自己的最终目标相匹配的嵌入式操作系统。本次设计在嵌入式操作系统的 选择方面主要考虑了以下几点【2 】： 1 ) 操作系统是否具有可剪裁性，即能否根据实际需要进行系统功能的剪 裁。因为嵌入式系统的关键所在就是能根据自身的要求对其软硬件进行裁减。 2 ) 操作系统的实时性。实时性是指系统能及时处理突发事件。 3 ) 操作系统提供的开发工具。对操作系统进行二次开发，必要的软件开发 工具是不能少的。 钔操作系统是否有提供硬件的驱动程序。 针对以上的嵌入式操作系统开发平台的要求，笔者选取了两个适合的操作 系统开发平台，w i n c e 平台和u c o s i i 平台。 1 ) w i n c e 平台：w i n d o w sc e 操作系统，它可以根据硬件的需求，对其进 行必要的系统裁减，方便了自己的二次开发：操作系统可分为实时操作系统和 分时操作系统。本次设计的嵌入式系统在某些应用中是处理非实时性的数据传 输和诊断等功能，而不是对车辆进行实时的管理与控制，因此选用了非实时性 操作系统w i n d o w 8c e ，它的分时管理足以能够满足本次设计的要求；w i n d o w s c e 的一个特点就是微软为其提供了强大的开发工具。主要有：用于系统裁减二 次开发的p l a t f o f i nb u i l d e r ，用于软件开发和调试的e m b e d d e dv i s u a lc + + 等，为 本次设计的操作系统二次开发提供了有力的帮助：作为市场上比较成熟的产品， w i n c e 操作系统结合$ 3 c 2 4 1 0 x ，已提供了标准的硬件驱动程序，本次设计利用 了三星公司提供的w i n c e 操作系统下的对$ 3 c 2 4 1 0 x 硬件的标准驱动程序，再 结合本次的硬件特殊设计，对标准驱动作相应的调试。 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 2 ) u c o s i i 平台：u c o s i i 是美国一个名为j e a nl a b r o s s e 的工程师开发的 实时操作系统。它以小内核、多任务、丰富的系统服务、容易使用等特点越来 越受欢迎。u c o s i i 是一款源码公开的实时操作系统。其商业应用非常广泛，具 有非常稳定、可靠的性能，成功应用于生命科学、航天工程等重大科研项目中。 由于其极小的内核，特别适用于对程序代码存储空间要求极其敏感的嵌入式系 统开发。引入该平台的目的就是克服w i n c e 平台所暴露的缺点，实时性、启动 速度和内核大小。 2 3 总体设计方案 本次设计以三星公司的3 2 位微处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 为核心，开发的硬件总体 方案为：硬件电路板分为核心板与底板，主要考虑核心板集成了$ 3 c 2 4 1 0 x 微处 理器、s d r a m 、f l a s h 等基本模块，而且这些模块对线路板的制作也有较高的 要求，对高频布线的要去较高，所以核心板采用的是四层线路板结构；底板上 主要是一些外设的接插件和控制芯片，相对于核心板而言，底板的难度要小一 些，频率相对较低，布线难度可以接受，因此底板采用了两层线路板结构。 在2 4 1 0 的硬件平台上，操作系统采用了w i n c e 和u c o s i i 两个平台，其 根据硬件可裁减的特点对于此次设计的二次开发有利，此次设计将根据具体硬 件资源和要实现的功能，专门对操作系统进行编辑、裁减，以提高其运行效率。 图2 7 系统硬件平台 1 2 第2 章车载信息系统开发平台的总体设计方案 如图2 7 ，针对嵌入式系统的特点和所要实现的功能，在系统硬件平台上， 所要实现的功能为： 1 ) g p r s ( c d m 1 x ) 模块：采用串口接入方式，以实现车辆的网络管理， 同时为车载娱乐系统提供w e b 浏览的功能； 2 ) g p s 模块：采用串口接入方式，配合g p s 电子地图，实现对车辆的全球 定位和电子地图导航功能； 3 ) 系统操纵杆：采用u s b 方式接入，分为上、下、确定功能，实现对车载 信息系统的操作； 4 ) u s bd v d - 采用u s b 方式接入，提供外接媒体娱乐设备，同时作为系 统软件更新的主要输入设备； 5 ) 车载免提系统：音频部分采用了系统自带的i i s 总线接入，通讯部分由 g p r s 模块接入，实现车辆移动设备的免提功能； 6 ) 电子后视镜：视频摄像头采用网络接口接入系统，实现汽车后栅侧视电 子系统，可避免视觉死角； 7 ) 系