（计算机应用技术专业论文）面向普适计算的嵌入式车载系统研究与设计.pdf

摘要 随着社会的发展，汽车制造业的完善，人民的生活水平提高，私家车的数量 也越来越多，因此人们与车相伴的时间也随之增多。同时人们消费心理的转变， 生活节奏的变化，安全意识的增强，使得如何能够在有限的与车相伴的时间内享 受到更高质量的生活，更加便捷的工作方式，更加牢靠的生命保障便成为了一个 迫切需要解决的问题。因此，车载系统作为解决这一问题的关键，自然受到了各 国研究人员的关注。 本文通过对目前市面上流行着的各种车载系统进行分析，发现其中的许多车 载系统都侧重于单一功能，而且普遍将汽车作为一个单独的个体看待，并没有将 其与环境紧密的结合在一起。人类已经处于网络计算时代，将来也势必会进入“随 时随地根据需要获取信息”的普适计算时代，仅仅面向汽车单体的车载系统已经 不能满足人们的需要和适应时代的发展。综合一般车载系统和普适计算理论的要 求，本文所设计的车载系统具备如下的特点：性能稳定、噪音小、发热量低：适 应大容量、大范围要求；具备全天候工作能力；定位精度尽可能高；具备高可靠 性、准实时的通信能力；具备丰富的接口；具备强大的信息处理能力；低成本、 能够迅速实现产业化。基于上述要求，本文分别从系统结构和软、硬件角度出发， 提出并设计了一个面向普适计算理论的基于嵌入式技术的车载系统。整个系统的 底层硬件以i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 为核心，操作系统为嵌入式l i n u x ，图形交互 层则采用了国产自由软件m i n i g u i 来实现。 本文所设计的系统是在新的理论背景下将嵌入式技术与汽车产业相结合的 产物。系统的实现有利于整个汽车产业的发展，促使跨学科领域研究得到进一步 的完善。整个系统的设计完全以人们的需求出发，辅以普适计算理论的思想，以 嵌入式技术为支撑而完成的。同时，系统具有较高的自由度，丰富的扩展能力和 很好的兼容性。 关键词：嵌入式l m u x ，m i n i g u i ，普适计算，车载系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , t h ep e r f e c t i n go fm o t o r i n d u s t r y 粕dt h e i m p r o v e m e n to ft h el e v e lo fp e o p l e l i f e ，t h ea m o u n to fs e d a n si s b e c o m i n gg r e a t e r a n dg r e a t e r t h e r e f o r e ，p e o p l es p e n dm o r ea n dm o r et i m ea c c o m p a n y i n g w i t hs e d a n s a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ec h a n g eo fc o n s u m i n gp s y c h o l o g y , t h e 仃a n s f 0 1 1 i l a t i o no f l i v i n gr h y t h ma n dt h er e i n f o r c e m e n to fs e c u r i t yc o n s c i o u s n e s s ，i ti su r g e n t l ye x p e c t e d t os o l v et h ep r o b l e m sh o wt oe n j o yh i g h e rq u a l i t yo f l i v i n g ，m o r ec o n v e n i e n tw a y 。f w o r ka n dm o r er e l i a b l es a f e g u a r do fl i f e a sa r e s u l t ，b e i n gt h ek e yt ot h e s ep r o b l e m s ， c a s y s t e mr e c e i v e sm u c hr e c o g n i t i o nb yr e s e a r c h e r sa i lo v e rt h ew o d d t h i sp a p e rd e s c r i b e dac o m m o np h e n o m e n o nt h a tm o s to fc u r r e n tc a rs v s t e m s p a ym o r ea t t e n t i o nt ou n i l a t e r a lf u n c t i o na n dt r e a tt h es y s t e ma n de n v i r o i l 】m e n t r e s p e c t i v e l y p e r v a s i v ec o m p u t i n gi st h ek e yt h e o r yt ot h en e x tg e n e r a t i o no fw e b c o m p u t i n gw h i c h1 sp o p u l a rn o wa n dt h es i n g l ec a ro r i e n t e dc a rs y s t e mw i l ln o ta d a p t t op e o p l e 。d e m a n da n dd e v e l o p i n go f s o c i e t y b yc o m b i n i n gg e n e r a lc a rs y s t e ma n d p e r v a s l v ec o m p u t i n g ，t h es y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rs h o u l db ep r o v i d e dw i t ht h e s e c h a r a c t e r sa sb e l l o w s ：s t a b l ef u n c t i o n ，l o wn o i s e a n dh e a t ，h i g h c a p a c i t ya n db i g r a n g e w o r k , a l l - w e a t h e rw o r k ，h i g ha l l o c a t i o na c c u r a c y , h i g hr e l i a b i l i t ya n d q u a s ir e a l t 油e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，r i c hi n t e r f a c e s t r o n gi n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga b i l i t y , l o wc o s t a n df a s ti n d u s t r i a l i z a t i o n t o s a t i s f yt h ed e m a n d sa sa b o v e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa p e r v a s w ec o m p u t i n go r i e n t e dc a rs y s t e mb a s e de m b e d d e dt e c h n o l o g y t h ec o r eo f h a r d w a r ei si n t e lx s c a l ep x a 2 5 5a n dt h eo p e r a t i o ns y s t e mi se m b e d d e dl i i l u xa n d t h eg u ii sm i n i g u lw h i c hi sal o c a lf r e es o f t w a r em i n i g u i t h es y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e ri sa ni n t e g r a t i o no fe m b e d d e d t e c h n o l o g ya n d m o t o ri n d u s t r ymt h en e wt h e o r e t i cb a c k g r o u n d t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h i ss y s t e m m a p r o v e st h ee n t i r em o t o ri n d u s t r ya n di n t e r d i s c i p l i n a r yr e s e a r c h p e o p l e sd e m a n di s t o t a l l yc o n s i d e r e di nt h i ss y s t e m t h es y s t e mh a sl o o s es t r u c t u r e ，g o o dc a p a c i t yo f e x p a n s i b l ea n dc o m p a t i b l e k e y w o r d s ：e m b e d d e d l i n u x ，m i n i g u i ，p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，c a rs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或其他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。 学位论文作者躲弘峭签郑期：枷7 年) 月伸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学叁j 文的规定。 特授权苤鲞基雯可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 严丧嵋 一一卜 导师签名： 签字醐：7 铷月日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 文化生活背景 第一章绪论 自改革开放以来，我国轿车工业迅速发展，2 0 0 2 年中国汽车产量3 2 5 4 万辆， 轿车产量1 0 9 3 万辆；2 0 0 3 年，汽车产量突破4 0 0 万辆，轿车产量首次突破2 0 0 万辆，达到2 0 6 8 9 万辆；2 0 0 4 年汽车产量达5 0 7 5 万辆，轿车产量2 3 8 3 万辆， 中国汽车产量跃居世界第四位，并成为世界第三大汽车消费市场，个人汽车保有 量已占全社会汽车保有量的一半【l 】。 私家车越来越多，人们与车相伴的时间也随之增多。现今人们的消费心理也 在不断转变，在生理满足的前提下，都会去想追求更高质量的生活。不仅如此， 人们的生活节奏也发生了变化，时间就是金钱的概念也已深入人心，而且人们的 安全意识的也在增强，生命的价值又远远大于金钱。那么，如何能够在有限的与 车相伴的时间内享受到更高质量的生活，更加便捷的工作方式，更加牢靠的生命 保障也就成为人们需要解决的问题。 1 1 2 汽车嵌入式系统发展历程 嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路【2 】。嵌入 式系统的核心是嵌入式微处理器。与嵌入式微处理器的发展类似，汽车嵌入式系 统也可以分为三个发展阶段【3 】： 第一阶段：s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 系统。以4 位和低档8 位微处理器 为核心，将c p u 和外围电路集成到一个芯片上，配置了外部并行总线、串行通讯接 口、s f r 模块和布尔指令系统。硬件结构和功能相对单一、处理效率低、存储容 量小、软件结构也比较简单，不需要嵌入操作系统。这种底层的汽车s c m 系统主 要用于任务相对简单、数据处理量小和实时性要求不高的控制场合，如雨刷、车 灯系统、仪表盘以及电动门窗等。 第二阶段：m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 系统。以高档的8 位和1 6 位处理器为 核心，集成了较多外部接e l 功能单元，如a d 转换、p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， 脉冲宽度调整) 、p c a 、w a t c h d o g 、高速i o 口等，配置了芯片间的串行总线；软件 第一章绪论 结构比较复杂，程序数据量有明显增加。第二代汽车嵌入式系统能够完成简单的 实时任务，目前在汽车电控系统中得到了最广泛的应用，如a b s 系统、智能安全气 囊、主动悬架以及发动机管理系统等。 第三阶段：s o c ( s y s t c mo f c h i p s ) 系统。以性能极高的3 2 位甚至“位嵌入式处 理器为核心，在对海量离散时间信号要求快速处理的场合使用d s p 作为协处理 器。为满足汽车系统不断扩展的嵌入式应用需求，不断提高处理速度，增加存储容 量与集成度。在嵌入式操作系统的支持下具有实时多任务处理能力，同时与网络 的耦合更为紧密】。图1 - i 是一辆装有嵌入式导航系统的汽车正在行驶对的画面。 矿叼 图卜1 装有嵌入式导航系统的行使中的汽车 1 1 3 车载系统现状 车载系统是伴随着汽车工业的崛起，人们文化生活需要的增强，电子技术的 提高而诞生的。从上一节的内容中也可以看到车载系统的发展走过了一段坎坷的 旅程，纵观整个车载系统的市场，目前的车载系统主要可进行以下的分类：】、 娱乐类，以音视频播放为主：2 、导航类，以卫星定位，路面情况报到为主：3 、 办公娄，以简单文件处理，收发信息为主；4 、辅助类，为汽车增添了一些简单 的辅助功能。5 、综合类，拥有相对优秀的设计和相对完善的功能，但主要面向 高端汽车，价格昂贵。 上述各类车载系统都有相应的用户群存在，而彼此之间的差别也非常大。主 要原园有以下几点：i 、时间因素，上述各功能所涉及的技术先后成熟的时间差 较大，造成了系统功能的分割。2 、平台园素，娱乐类的车载系统太多选用p c 作为系统平台，运行w i n d o w s 操作系统，而辅助类则是以单片机或嵌入式为系 第一章绪论 统平台，运行嵌入式l i n u x 或一些实时操作系统。3 、成本因素，在嵌入式s o c 技术成熟以前，要做到将上述各功能集成到一起并顺利运行在汽车内这个特殊的 环境，所需成本是相当高的。 上述各类车载系统各有优劣，但都有一个统一的特点：并没有将车与环境视 为一体，环境对与车来说仅仅是一个场所而不是交互的对象。 1 1 4 普适计算理论 随着计算技术的发展，我们已经由p c 时代进入网络时代，进而进入后p c 时代。m m 在1 9 9 9 年创造了一个名词j 普适计算”( 又叫“普及计算”，p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 。“普适计算”指的就是，“无论何时何地，只要您需要，就可以通过 某种设备访问到所需的信息”【5 】。 从软件系统的角度来讲，普适计算是指使用小型计算设备、在位置不断移动 的过程中或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下实现联机事务 处理和企业核心数据访问。这些小型计算设备，具有多种通信手段，如移动通信 网络、卫星等，能与互联网或企业内部网相连，但这种连接不是固定的连接，而 是间断的连接。普适计算的软件技术使用户可以使用这些设备进行复杂的联机事 务处理和信息访问，因为用户所使用的设备体积小，可用的计算资源( 内存、存 储设备和c p u ) 都相当有限，大部分处理工作由计算中心的数据服务器和应用 服务器完成。 从计算技术的角度来看，人类已经由网络计算逐步延伸到了普适计算【6 】。 1 1 5 结论 基于上述分析，我们决定开发这样的一个车载系统。其目的是使汽车不仅仅 是一个移动的单个信息平台的拼合体，而是一个以人为中心、凸现人一汽车一环 境的整体关系，并融合计算机技术、普适计算理论的基本思想，为汽车用户提供 一个安全、舒适、方便的现代化移动办公娱乐空间。提高汽车的整体使用价值， 降低其整体拥有成本。此项解决方案和相关核心技术在国际市场应具有很强的竞 争力，经过对国际国内市场的分析，此领域尚属起步阶段，在国内市场基本处于 空白，有非常广阔的发展空间。 第一章绪论 1 2 应用前景 在不久的将来，人们完全可以开着一辆装有基于嵌入式的车载操作系统的车 去郊游。在路上，一家人享受着车内音响带来的愉悦，或者是欣赏最新格式的影 片，甚至可以随时查看自己的电子信箱来与公司保持联系。路过一个加油站、停 车场等地时，车主只需在车上按动几个按钮或简单的输入一些命令，就可以享受 到完善的服务，甚至即使事先没有与该类服务设施打过交道，他只需要通过车载 系统中的无线上网功能去下载一个相应的程序，一切就全都可以了。这将是一幅 多么美妙的画面1 1 3 本文主要工作 社会在发展，技术在进步。随着私家车越来越多，人与车相伴的时间也越来 越多，拥有完善功能的车载系统也就成为了汽车的必备“伴侣”。而从技术角度上 讲，车载系统的发展经历了一系列的阶段，从最初的单一功能到现在的综合性系 统，需求推动发展，技术的进步提供了发展的空间。以目前的嵌入式技术发展程 度和特性，使得它完全可以作为车载系统的主体。从功能上讲，目前有很多高端 车载系统的功能已经相当完善，但也有其不足之处。这就是并没有将未来社会的 发展与车载系统发展联系在一起。普适计算理论的出台，使得人类将由网络计算 逐步延伸到普适计算，那么，毫无疑问，面向普适计算的车载系统将是车载系统 未来发展的一个主要方向。 车载系统的设计必须有针对性，考虑到普适计算理论的基本要求，需考虑以 下几点要求：1 、体积要求。车内环境不同于普通的家庭、办公室等，不仅仅要 求体积小，发热量低，同时要有很低的噪音和很高的稳定性。2 、车辆信息采集 要求。3 、信息数据能够进行必要的处理。4 、必须具备可靠的通信能力。5 、车 载系统要具备一定的通用性和开放性。6 、支持显示与操作功能。7 、支持多任务。 基于上述分析，得出系统所必须具备的特点：适应大容量、大范围要求；具 备全天候工作能力；定位精度尽可能高；具备高可靠性、准实时的通信能力；具 备丰富的接口；具备强大的信息处理能力；低成本；能够迅速实现产业化。 本文正是从上述需求出发，以普适计算理论为依据，嵌入式技术为支撑，综 合无线通信、信息采集、g p s 定位等技术设计了一个开放性的车载系统。主要研 究工作如下： l 、从文化生活和技术理论两个角度分别进行系统分析，得出面向普适计算 理论的嵌入式车载系统不仅符合人们的要求也顺应了时代的发展。 第一章绪论 现。 2 、从系统结构和软、硬件角度分别对整个系统进行了详细设计。 3 、描绘了一系列场景，这些场景充分的体现了本系统的开放性和前瞻性。 4 、搭建系统运行平台，裁减并移植嵌入式l i n u x ，对系统关键模块进行了实 5 、对系统导航模块进行了分析和设计。 第二章系统解决方案设计 第二章系统解决方案设计 2 1 系统的功能和需求分析 车载终端是整个车载系统中最为重要的一环，不仅要采集车辆所有的内外部 信息，而且还必须具备相当的处理能力，以便对搜集到的信息进行必要的处理。 而且终端还应该有显示与操作的功能，以便给用户提供直观的指示和便捷的交互 方式。因此，对以上需求进行了详尽的分析，我们得出了车载系统所必需的以下 功能： 1 、体积要求。车内环境不同于普通的家庭、办公室等，不仅仅要求体积小， 发热量低，同时要有很低的噪音和很高的稳定性，这些要求是普通p c 机和传统 的嵌入式芯片所无法满足的，因此，硬件平台应选择以嵌入式s o c 为中心进行 搭建。 2 、车辆信息采集。车辆的信息采集分以下几种：l 、位置信息：2 、静态环 境监视，包括车内环境、车底环境等；3 、行驶环境监视，主要针对路面情况等。 采集方法可通过g p s 进行位置信息采集，但这主要针对空旷无遮挡物的环境， 而惯性导航设备( i m u ) 则针对短时间、小范围内的导航，它的误差会随着时间 的推移而逐渐积累，但是不受环境的影响。所以为了获得很高的位置精确度，需 要使用g p s i m u 联合导航【7 】。环境信息的采集主要通过视频采集来实现，可分 为普通视频设备和特殊视频设备，视频采集的数据可通过视频解析卡来进行解析 并发送至控制中心进行处理。 3 、信息数据能够进行必要的处理。汽车静态或行驶中会产生大量的数据信 息，那么在这样的一个中央控制系统中，重心的软硬件要求都非常高，所以，车 载系统需要具备很强运算和处理能力。 4 、必须具备可靠的通信能力。车载系统的应用环境决定它必须采用无线通 信的方式。目前有许多无线通信方式，考虑到具体的应用范围和前期的研究难度 与资金投入，我们认为：采用蓝牙技术用于车内设备通信，g s m 短信息与车主 通信，8 0 2 1 1 用于车载系统与外界环境进行通信是最佳的通信方式。 5 、车载系统要具备一定的通用性和开放性。虽然研究对象为车载系统，但 是其专业目的不仅限于车载系统，更希望以车载系统为普适计算理论的一个具体 实例，来将普适计算应用到生活中的每个部分。那么，考虑如此，本平台就应该 有非常丰富且典型的外围接口，如u s b ，串口等【8 l 。 第二章系统解决方案设计 6 、支持显示与操作功能。车载系统平台无疑需要与车主进行交互，考虑到 车内的特殊环境，同时具备显示与操作功能的触摸屏是最佳的选择。 由以上可得出，此车载系统还必须支持多任务，所以一定要有操作系统存在。 所选用的操作系统由于是运行在嵌入式硬件平台上，所以要求这个操作系统具备 可裁剪性，内核足够小，可靠性高，具备一定的实时性，支持多任务等。除了考 虑操作系统本身应具备的嵌入式应用特性之外，还要考虑到系统开发的简易性、 方便性、资源丰富性，而且从经济角度考虑，还必须适应低成本的要求。而且， 作为一个通用的平台系统，不应该只限定某一特定的汽车，而即使同一类型汽车， 根据用户不同的需求也需要划分出不同的档次，因此就需要平台设计具备很好的 扩展性和可移植性。 于是得出下述结论，车载终端必须是：适应大容量、大范围要求；具备全天 候工作能力；定位精度尽可能高；具备高可靠性、准实时的通信能力；具备丰富 的接口；具备强大的信息处理能力；低成本；能够迅速实现产业化。 基于上述的功能和需求分析，我们提出了车载系统的设计方案，下面两节将 分别介绍终端的硬件平台和软件平台。 2 2 系统总体方案的选择 在上面关于车载终端的需求分析以及开篇对嵌入式技术的介绍中，可以看到 车载台因其特殊的应用场合，决定了它的实现只能采用嵌入式系统。只有嵌入式 系统能满足车载台的高移动性，极低功耗，轻便性，以及某些场合的隐蔽性要求。 嵌入式系统是后p c 时代的一个发展趋势。简单的说，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、适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【9 】。嵌入式技术是后p c 时代的基 础技术，无论是工业自动化、手持设备、数据通信、信息家电等领域，都必须以 嵌入式技术为基础，才能实现无时不在，无处不在的移动计算和移动互联n 们。 本文不对嵌入式系统进行展开论述，仅就本研究中所考虑使用的硬件和软件平台 作比较，并确定合适的方案。 2 2 1 嵌入式微处理器的选择 选择嵌入式处理器时有以下几个基本原则1 11 ： 技术因素：低功耗，功能的最佳匹配，运行速度，外围接口设备的丰富程度。 第二章系统解决方案设计 非技术因素的考虑：供货稳定，系列化、家族化。 目前在嵌入式领域有以下几种主流的处理器【1 2 l ： l 、n i p s 微处理器 特点：高速，6 4 位，多核，有实时检测与阻断功能。 应用领域：高端路由器，局域网交换机等通信领域。 2 、删微处理器 特点：低功耗，为j a v a 技术提供了j a v a b y t e 支持，数据处理能力强。 应用领域：无线局域网，3 g ，手机终端，手持车载终端等。 i n t e l 公司s t r o n g a r m x s e a l e 微处理器作为立足于a r mc o r e 的两个系列处 理器除了具有a r m 的低功耗特性外，还集成了多媒体指令特性，乃至网络处理 器特性，并且速度也有很大提升。同时因a r m 其低功耗的突出优点以及快速发 展的内核和非常丰富的接口特性等，取得了在手持设备领域的绝对领导地位。 s t r o n g a r m x s c a l e 更是取得了巨大的成功f 1 3 】。 3 、p o w e r p c 处理器 特点：伸缩性好，方便灵活，集成了极其丰富的外围接口。 应用领域：通信领域应用最广泛的处理器内核。该内核被m o t o r o l a 公司设计 到s o c 芯片中形成了一个巨大的嵌入式处理器家族。 4 、6 8 k c o l d f i r ec o r e 处理器 特点：低成本，外围接口丰富。 应用领域：工业控制、机器人、家电控制等领域。 对比以上几种处理器系列，并且考虑到车载或者手持应用的需要，我们选择 了s t r o n g a r m x s c a l e 系列( 模拟实验环境采用i n t e lx s c a l e 2 5 5 ) 。 2 2 2 嵌入式操作系统的选择 在选择操作系统时，主要考虑到操作系统的目标和功能】。 目标： 方便操作系统要能够使计算机更易于使用。 有效操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源。 扩展能力在构造操作系统时，应该允许在不妨碍服务的前提下有效地开 发、测试和引进新的系统功能。 功能： 操作系统是用户和计算机的接口能够提供程序开发、程序运行、访问i o 设备、控制访问文件、系统访问、错误检测以及响应和统计功能【i 副。 第二章系统解决方案设计 操作系统是资源管理器操作系统要管理一个计算机系统的各种资源，包括内 存管理，输入输出管理，外部设各管理，文件系统管理和处理器资源的分配 1 6 1 。 嵌入式操作系统是一类特殊的操作系统，它有不同于通用操作系统的特点， 以适应于嵌入式系统硬件的要求。嵌入式处理器的迅速发展对软件提出了更高的 要求，需要运行一定的操作系统才能管理这些丰富的接口和应用；也只有嵌入式 处理器的功能增强，操作系统才能很好的运行起来【1 7 1 。 嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软硬件资源的分配、调度工作，控制、 协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系 统所要求的功能。嵌入系统具备一般操作系统的基本功能，如任务调度，同步机 制，中断处理，文件管理，内存管理等。此外，嵌入式操作系统必须具备强稳定 性，良好的移植性”引。 所以，在选择嵌入式操作系统时，需要注意以下几点【1 9 】： 内核大小、可裁剪性、实时性、网络连接能力、支持设备的丰富性、开发工 具的易用性、开发资源的丰富性、技术支持的力度、可移植性、开发成本 针对目前几种主流的嵌入式操作系统介绍如下： w i n c e ：开放的，可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是基于掌上设备的操作 系统。w i n c e 最值得称道的是它出色的图形用户界面。对于习惯了微软w i n d o w s 界面的消费者来说，操作一个w i n d o w s 风格的设备是非常亲切的，因此，w i n c e 在手持设备领域应用最广泛。对于开发人员来说，w m c e 具备模块化、结构化 和基于w i n 3 2 应用程序接口、与处理器无关等特点。能够花费较小代价将 w i n d o w s 平台上的应用程序移植到w i n c e 上，并且能够使用己有的微软开发工 具 2 0 1 。 微软在w i n c e 中加入实时特性，如嵌套中断支持。w i n c e 可以在x 8 6 和非 x 8 6 处理器上工作。w i n c e 可以小到4 0 0 k b ，可以放到一个r o m 芯片中。微软 为p d a 等手持设备和智能手机定制了两种不同的w i n c e ，分别称为p o c k e t p c 和s m a r t p h o l i e 。 l i n u x ：这是一个类u n i x 的操作系统，l i n u x 爱好者和一些有眼光的厂商将 通用的l i n u x 移植到了嵌入式系统上。它的突出优点就是免费，并且是源码公开 的。这一点是任何其它商用操作系统都无法比拟的优势。目前嵌入式l i n u x 己经 成功的应用于p d a 、手机、机顶盒等领域，逐渐形成了与w i n c e 等相抗衡的局 面。据报道，目前正在开发的嵌入式系统中，4 9 的项目选择了l i n u x 作为嵌入 式操作系统。 l i n u x 具有以下特点：内核精简，高性能，高稳定性，多任务，可裁剪；支 持多种体系结构，如x 8 6 ，a r m ，m i p s ，a l p h a 等；提供嵌入式g u - i ，嵌入式浏览器、 第二章系统解决方案设计 m p 3 播放器等应用程序：高性能的网络协议栈；开发工具丰富；支持大量的周 边硬件设备，驱动程序丰富；源码开放，资源丰富，最广泛的软件开发者的支持， 几乎免费【2 1 1 。 p a l m o s ：专门为掌上电脑开发的操作系统，内核占用内存小。具有操作系统 的节能功能，合理的内存管理，支持的外围硬件丰富。在手持设备领域，p a l m o s 具有统治地位，但是这种地位正在日益受到w m c e 、l i n u x 以及手机操作系统 s y m b i a n 等的挑战，并且在国内它的应用也不是很广泛【2 2 1 。 v x w o r k s ：实时性很强的一种操作系统，在通信、控制等的高端设备领域应 用广泛。内核可裁剪，支持网络功能，- 支持较多的处理器平台，能得到较多的技 术支持，但是费用较高。 v x w o r k s 是一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。 它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等 高精尖技术及实时性要求极高的领域中。它支持多种处理器，如x 8 6 、 m o t o r o l a m c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w e rp c 等等。大多数的v x w o r k sa p i 是专有的。采用g n u 的编译和调试器1 2 3 。 综合比较上述各种操作系统，l i n u x 对于本课题的研究方案来说是最合适的。 首先，它是免费的，适合于我们的低成本要求。其次，它是源码开发的，适合于 研究。再次，对于l i n u x ，我们有一定的应用基础，熟悉开发过程，能较快的进 入角色，可以快速的开发出产品。 2 3 场景描述 本小节包括了车载系统所包含的主要的车内场景、车外场景以及其他可进行 扩展的相应场景。 2 3 1 车内场景 场景l 、车门未关严 车载控制中心可以实时监控边门的开关情况，如果边门没有关闭而车正在行 驶或即将启动，控制中心将发送示警信号给车内相应设备来提醒车主。具体示意 如图2 1 所示： 第二章系统解决方案设计 车内设备，信号兰送 0 接口扳信号编码和 f 码 图2 - l 车内场景1 控制中心信号芨送 日接收 场景2 、车主离开车，进入保护状态 车主离开车后控制中心将自动切换为保护状态。此状态将开启接收安装在 车内的震动传感器信号的功能，一旦有异常发生将引擎断电，锁定所有门窗 同时发出警报通知车主或停车场，并启动录像功能将车内情况录制下来。保护状 态只能由车主通过输入密码来解锁解锁之后将自动提示车主停车时发生的情 况。具体示意如图2 - 2 所示： 轴、- - - - 、 辜南设备信号雌和接嘘 控制中心信 接口扳信号编码和# 码 图2 - 2 车内场景2 第二章系统解决方案设计 场景3 、阻止盗窃 如果在控制中心处于保护状态下，有人侵入汽车，并且在一段时间内没有正 确输入密码，控制中心将引擎断电，发出强烈报警，记录下车内情况，如系统中 集成了s m s 短信模块，则可以及时发送短信通知车主。具体示意如图2 - 3 所示： 憾i i ：黧l l 、测要隋 嗝入遗 f 毳飘聂净 l 知道了引鼙断i车内设鲁信号j 聋! i 崮 l 电，车灯闲烁- 【o t 送和接收1 r _ 二 1 m 畴叫! -彳丁 譬錾 者够 控制中心詹号垃进和接嵫接口拉，信号编码和解码 图2 - 3 车内场景3 场景4 、车内娱乐 当车主全家出游时，在乡间小路上，一家人享受着旅途乐趣的同时也可以 打开车内的卡拉o k 或者视频播放功能甚至可以利用电台接受功能关注电视节 目让欢声关语伴随着整个旅途。具体示意如图2 4 所示： p 7 7 、 一看e 视悬 卜十拉o k 呢7 、。 豁 e 游 ；自# m 屏 喃 = 、笨一一 图2 _ 4 车内场景4 譬 第二章系统解决方案设计 2 3 2 车外场景 车外场景主要描绘了汽车与外界环境之间智能化交互。 名词简写：c s ：c a rs y s t e m p s ：p a r ks y s t e m 场景1 ：汽车驶向停车场 当汽车已经驶入停车场的无线局域网范围之内，c s 通过8 0 21 1 无线协议与 p s 进行连接。连接成功之后，p s 通知c s 该停车场是否有空闲车位。如果有， c s 则将车主信息通过加密形式发送给p s 请求确认身份，身份确认以后，p s 记 录该信息并允许该车辆驶入停车区域。具体示意如图2 - 5 所示： 一 f 有但你 l 位? - j 辱车瓢 秘囤1轴介与夕 i 是【嘶来。 图2 - 5 车外场景 场景2 ：汽车进入停车场 汽车己经驶入了停车场p s 首先发送停车场地图版本给汽车进行核实，如果 版本匹配，则将发给该车的车位信息否则将车位信息与停车场地图同时发送给 c s ，启动对该车的监控，车主则可根据显示信息将车开到停车位。具体示意如 图2 - 6 所示： 第二章系统解决方案设计 图2 - 6 车外场景2 场景3 ：汽车在车位上停稳 汽车安全驶到停车位停好以后，p s 开始计费，同时启动安全防护。具体示 意如图2 7 所示： 图2 7 车外场景3 场景4 ：车主离开 如果在车在停车场停着的时候，c s 检测到车辆有异常，将发送相关信息给 p s ，p s 发送短信给车主，同时通知停车场保安人员。具体示意如图2 - 8 所示： 第二章系统解决方案设计 图2 - 8 车外场景4 场景5 ：车主取车 车主取车时，c s 发送给p s 相关信息，p s 停止计费，允许车辆驶出。具体 示意如图2 - 9 所示： 2 3 3 其他场景 图2 - 9 车外场景5 作为一个开放的系统平台，它的功能不仅仅局限于上面所描绘的几个场景， 随着系统复杂程度的不同，以下的各种场景都可以完美的融入系统中去。 场景l ：智能“钥匙” 车主无须使用钥匙就可以开车。当车主手握住车门把手时，车载系统将自动 发送信号给车主随身携带的“钥匙”( 此“钥匙”就是车载系统与车主进行智能交互 第二章系统解决方案设计 的控制终端，目前可以单独做成一个大约p d a 大小的独立的设备，相信随着技术 的进步，将来甚至可以将此功能集成到手机上) ，“钥匙”在接到信号后则会输出 遥控系统的识别码。如果识别码准确无误，车主可将车门打开。随着车门开启， “钥匙”和汽车之间的双向通信系统也同时开始工作。而后，汽车的各项设置便会 自动调整，以符合该车主的预设要求。 比如一个家庭共同拥有一辆小轿车，那么女主人和男主人对车辆内部的设备 要求肯定是不同的，例如座椅的高低、音响的音量大小、后视镜的角度等等。车 辆与“钥匙”的智能交互中就会加入对车主身份的识别，以实现个性化的驾驶。 场景2 ：个性辅助 车主进入车内之后，可以通过设置在车主视野范围之内的触摸屏或按钮对车 内的音响、后视镜等进行设置，并且保存设置，这样在下次驾驶时系统将自动根 据用户身份载入这些已经定制好的参数，无须重新设置。 场景3 ：车内环境监测 当车内有人时，车内的温度传感器会自动检测到车内温度，如果系统发现此 时车内温度已经偏离预设的温度，将自动启动或调整车内空调对温度进行调整。 当然，系统也可以在车内温度稳定时将空调自动关闭。另外，车内传感器也可以 监视车内是否有入吸烟，系统将自动打开排风口等及时将烟味排出。 场景4 ：车外环境监测 当车辆行驶速度大于某一特定值时，系统将自动闭锁所有车门，以免发生意 外。如果车辆在行驶时下雨，那么安置在车外的传感器会将数据传给系统，系统 由会自动根据雨量大小来调整和启动雨刷等等。 场景5 ：碰撞监测 当车辆在行驶时，系统将根据本车当前的行驶速度和本车与前后车辆( 障碍 物) 距离以及车与车之间的距离缩短快慢等数值进行综合判断，判断结果可以进 行等级区分。 比如：1 级设定为安全：2 级设定为危险，系统发出警告：3 级设定为极其危 险( 此时如果以人的反应速度进行刹车已经来不及了) ，系统将自动进行刹车。 场景6 ：周围环境监测 系统也可以通过安装在车辆上的摄像头对环境进行监视，比如车底和车后 等。当车启动时，系统画面将自动切换到车底，以便车主方便看到车底是否有人， 比如小孩子可能就因为玩游戏而躲入车底。当车进入到车状态时，系统画面将自 动切换到后面的摄像头，此时车主将方便的看到车后的情况，而不用再担心挂车 等情况发生了。 场景7 ：智能防盗和意外事故 第二章系统解决方案设计 如果车辆发生异常，比如车窗遭到破坏或者前盖被撬，车辆中的防盗模块将 发送信号给车载系统，系统将通过无线信号发送给停车场或者是周围的监测中 心，监测中心就可以发短信通知车主并同时采取行动。 场景8 ：夜间行驶 当车辆在夜间行驶时，车上安装的传感器将自动根据外面环境的光线强弱开 启红外监测设备。比如将前方1 0 0 米范围内的人或动物在屏幕上显示出来，这样 就大大减少了事故出现的可能。 场景9 ：卫星定位和电子地图 目前很多轿车以及有特殊应用的汽车上都装上了卫星定位系统。除此以外， 车辆上还可以装入电子地图，不仅仅可以知道当前处在什么街区，甚至可以通过 第三方提供的信息可以知道前方的道路情况，比如堵车、施工等。 2 4 系统详细设计 2 4 1 系统基本原理 整个系统的关键部分就是车载系统与车内、外环境的交互。 一、车载系统与车内设备交互 车内交互共分两个方面： 1 、汽车的各设备发送信号给车载系统 首先车内设备以高电平或低电平触发的形式传递信号给接口板，接口板负责 将这些信号进行电平转换，然后依据编码表进行编码，最后通过符合r s 2 3 2 标 准的串口发送给控制中心( 嵌入式车载系统) 。 2 、车载系统发送信号控制车内设备 控制中心将控制信号以8 位字长的形式通过串口发送给接口板，接口板首先 对信号进行电平转换，然后对此依据编码表进行解码，发送给车内各部分设备。 我们对夏利2 0 0 0 的车内信号进行了详细分析，表2 1 是该车的部分信号列表【2 4 】： 第二章系统解决方案设计 表2 1 夏利2 0 0 0 信号列表 信号类别触发类别信号源信号目的地信号说明 控制信号高电平控制中心行李箱控制产生一个高电平，行李 回路箱控制回路的电磁线 圈有电流通过，产生磁 力，马达锁接通 高电平 控制中心汽车喇叭 产生高电平，汽车喇叭 有电流流过，喇叭呜叫 低电平控制中心引擎断电回持续高电平，如果产生 路了低电平，引擎线路断 开 高、低电平控制中心门锁开关两个信号，根据不 同的锁来确定为高电 平还是低电平 高电平控制中心方向灯产生高电平，方向灯接 通 指示信号高电平触发双震动高级控制中心传感器检测到车有异 传感器动，发出高电平信号 低电平边门开关线控制中心边门开，持续高电平； 路 边门关，低电平 低电平引擎盖线路控制中心引擎盖开，持续高电 平；引擎盖关，低电平 高电平脚刹线路控制中心踩动脚刹，脚刹灯亮， 产生高电平 电源车内标准电平1 2 v 将上述的信号列表进行编码整理，车内每个信号对应编码中的一位，目前设 置为8 位编码，第一位标示为控制信号或者指示信号，其他各位对应关系如表 2 2 所示。( 目前只做了部分信号的编码，表2 2 会在下一次的版本进行扩展，r 表明r e s e r v e ，预留信号位) 第二章系统解决方案设计 表2 - 2 车内部分信号编码表 编码位数指示信号 控制信号 l ( 信号类型位) n an a 2双震动高级传感器行李箱控制回路 3边门开关线路汽车喇叭 4引擎盖线路引擎断电回路 5 脚刹线路 门锁 6r方向灯 7rr 8rr 表2 2 说明： 若串口接收信号0 1 0 0 0 0 0 0 ，表明该信号为指示信号，由双震动传感器所发出 到控制中心。意义：可能是由于在安全状态下汽车遭受意外情况等。 若串口接收信号0 0 1 1 0 0 0 0 ，表明该信号为指示信号，由边门开关和引擎盖 所发出到控制中心。意义：边门未关严并且引擎盖打开。 若串口发送信号1 1 1 0 0 0 0 0 ，表明该信号为控制信号，由控制中心发出到行 李箱控制回路和汽车喇叭。意义：行李箱打开，汽车喇叭呜叫。 若串口发送信号1 0 0 1 0 0 0 0 ，表明该信号为控制信号，由控制中心发出到引 擎断电回路。意义：引擎断电。 下图是编码表的直观表示： 边门开关 0 0110 0 0 0 此信号尖指示信号引未盖 图2 1 0 信号编码 二、车载系统与外界进行交互 车载系统通过无线网卡以无线信号形式发送出去，同时也实时监听外界的无 线信号，调用系统内部的程序进行处理。 第二章系统解决方案设计 如，汽车驶向停车场时，系统将接收到来自停车场的信号，相应的