（信号与信息处理专业论文）汽车信息服务系统设计与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着中国汽车工业的发展，汽车保有量的直线上升以及导航与安全等信息 服务需求的增加正推动着汽车电子迅速成长为一个新兴的产业，融合先进的电 子，计算机，通信技术的智能交通系统i t s 也成为各方研究的热点。 本文介绍的汽车信息服务系统作为智能交通的重要组成部分，对基于目前 的全球卫星定位系统( g p s ) 、全球数字移动通信网( g s m ) 及基于g s m 网络 的g p r s 通用分组无线业务、地理信息系统( g i s ) 以及车载总线网络，图象压 缩等相关技术在基于嵌入式操作系统上进行整合开发，为各类汽车用户提供车 辆定位、路况信息、汽车防盗、故障检测、生活资讯、车辆远程监控等服务项 目，最终构建一种u v - s ( u s e r - v e h i c l e s e r v e r ) 三位一体的智能化汽车服务系统， 成为智能交通系统中的重要一环。 设计的主要工作包括g p s ，g p r s ，g i s 技术的研究与应用；p x a 2 5 5 架构 a r m 处理器技术的研究与学习，系统电路硬件设计；基于w i nc e 系统的方案 开发和实现；车载装置电磁兼容性设计；服务中心软件设计和系统整体应用测 试，最后对该汽车信息服务系统中车载终端基于嵌入式l i n u x 系统的软件内核 移植，驱动开发作了进一步研究与探讨，在此基础上重点研究了基于u s b 驱动 的图象采集，压缩，传输方法，并对该课题的工作进行了总结与展望。 关键词：汽车，信息服务，p x a 2 5 5 ，w i nc e ，l i n u x v t 海大学硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l ei n d u s t r yi nc h m aa n dt h er i s i n gn u m b e ro f p e r s o n a lk e e p i n gv e h i c l e s ，t h ev e h i c l ee l e c t r o n i c si sb e c o m i n gab u r g e o n i n gi n d u s t r y e s p e c i a l l ya st h er e a l t i m er o a di n f o r m a t i o nb e i n ga v a i l a b l ei ns o m el a 唱ec i t i e sa n d t h en e e do fi n f o r m a t i o ns e r v i c ef o rd r i v e r sa s c e n d i n gr a p i d l y , t h ei n t e l l e c t u a lt r a f f i c s y s t e m w h i c hi n t e g r a t es u c ha sa d v a n c e de l e c t r o n i c s ，c o m p n t e rs c i e n c ea n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r eb e i n gar e s e a r c hh o t s p o t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o s i t i o ni nt h ei t s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa v e h i c l ei n f o r m a t i o ns e r v i c es y s t e mw h i c hc a ns u p p o r tt h es e r v i c ep r o j e c t sl i k e o r i e n t a t i o n & n a v i g a t i o n ，r o a di n f o r m a t i o n ，a n t i t h e f t & a l a r m ，t r o u b l ed i a g n o s i sa n d r a c ei m a g es t a k e o u t i ts y n t h e s i z et h et e c h n o l o g i e ss u c ha sg p s ，g p r s ，g i s ， n e t w o r ko nv e h i c l e ，i m a g ec a p t u r ea n dc o m p r e s sb a s e do ni n t e l sp x a 2 5 5p r o c e s s o r a n de m b e d d e ds y s t e mt oe s t a b l i s hai n t e l l i g e n tv e h i c l es e r v i c es y s t e m ，w h i c h e m p h a s i z e sau - v s ( u s e r - v e h i c l e s e r v e r ) i n t e r a c t i o nm o d e l t h er e s e a r c hd o n ei n t h i sd e s i g nf o c u so nt h ef o l l o w i n g s ：a p p l i c a t i o no ft h e g p s ，g p r s ，g i st e c h n o l o g i e s ；s t u d yo fp x a 2 5 5p r o c e s s o rf o ra r mt e c h n o l o g y ； h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ；d e v e l o p m e n to fw i nc es y s t e ma n dt h ef u l lr e a l i z a t i o nf o r w i nc e ；e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g n ；s o f t w a r ed c s i g no fs e r v i c ec e n t e r a n dw h o l ea p p l i c a t i o nf u n c t i o n ss y s t e mt e s t f i n a l l y , m o r es t u d yo ft h ei m a g e c a p t u r e ，c o m p r e s s ，t r a n s f e r , m s u m ef u n c t i o n sb a s e do nt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m a r ec a r r i e do u t ；t h ep r o j e c tn o t e sa n ds o m ef u t u r er e s e a r c ht o p i c sa r ea l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：v e h i c l e ，i n f o r m a t i o ns e r v i c e ，p x a 2 5 5 ，w i nc e ，l i n u x 原创性声明 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。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：! 豹差：鱼日期：丝笸：兰12 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：址聊签名：矬慨趔丛。 上海人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 随着经济建设的发展和人民生活的不断提高，汽车以前所未有的速度普及 到家庭，为中国汽车电子市场提供了巨大的发展空间。_ 而汽车保有量的直线上 升使汽车信息服务领域越来越受人们的重视，通过车载信息设备向客户提供综 合信息服务将是社会信息化的一个重要组成部分。 针对目前汽车服务市场的巨大空间，融合当前在计算机技术，远程数据通 信技术、定位技术、汽车数据总线技术、故障诊断技术及平面显示技术等多领 域的最新科技，立足于信息技术与车辆技术的结合，根据汽车信息化的需求， 所要发展的服务系统不仅具有一般的娱乐和g p s 定位导航功能，而且还应具有 无线数据通信，车辆内部动态数据的采集、故障实时记录和远程诊断等诸多功 能。汽车信息服务将大大提高汽车的智能化水平，为各类汽车用户提供车辆定 位、路况信息、汽车防盗、故障检测、生活资讯、紧急求助等服务项目，成为智 能交通系统产业化的重点之一。 1 2 国内外发展现状 现在市场上的车载装置主要集中在两个主要领域：一个是车载导航系统 ( g p s 装置) ，另一个就是车载娱乐系统如车载c d 、车载d v d 等等。经过多年 发展，美国，欧洲，日本已成为车载导航的三大基地，与此相关的产品已全面 运用到个人生活，发达国家已经形成了成熟稳定的车载导航仪市场。我国与美 国、日本相比，在汽车导航方面有明显的差别，一是发达国家电子地图可以自 由购买，而且地图内容变化不大、不需要频繁更新。而我国每年地图内容可能 要更新3 0 4 0 ，电子地图的解密问题又十分复杂。二是发达国家有先进的 探测技术，可自动监测路况，己形成堵车信息向导航电子地图的自动反馈，从 而保证了导航的有效性，而我国的路况信息建立工作还刚刚起步。在国外运行 成熟的系统在中国由于政策的限制及电子地图等信息的匮乏无用武之地。近几 年国内理论研究与技术产品的开发也取得了相当进步，关于汽车定位导航，汽 车安防等方面的产品很多，但大多功能单一，只是作为汽车的辅助装置，没有 上海大学硕士学位论文 形成服务系统的概念。 本课题提出的汽车信息服务系统作为智能交通的重要组成部分，集成了汽 车定位导航，防盗报警，故障渗断，车内远程监控等服务内容，其核心思想是 建立一个综合服务的系统概念，其最大特点是它不仅仅是单一的车载，更重要 的是它有一个远程服务中心。只有有了服务中心的支持，车载装置各种服务功 能才能发挥出来。与服务紧密相关，也只有通过服务使整个系统更具生命力。 可以说汽车信息服务系统是由设备制造和服务提供两个行业共同支撑起来的， 从应用的观点来看，汽车信息服务系统实际上是车辆监控与自主导航的结合， 并在此基础上拓宽出各项服务。今天的汽车服务系统只是信息服务的冰山一角， 今后l o 年类似的系统将是人们生活的信息源与重要的娱乐平台。 1 3 主要研究内容 对于汽车信息服务系统的研究，主要包括总体方案制定、车载终端的软硬 件设计，远程服务中心的设计，各部分功能划分、结构设计、器件选择、硬件 实现、软件解决方案，系统综合调试等。涉及了全球卫星定位( g p s ) 、移动通 讯( g p r s ) 、地理信息系统( g i s ) ，嵌入式系统、汽车总线，视频图像处理技 术、数字硬件电路设计、可编程器件设计、基于精简指令集的微处理器编程技 术，数据库，v c + + 编程等。 g p s 定位技术是一种直接、成熟的技术，随着卫星定位系统技术的发展和 各种政策推进，使得民用定位、测速、时间精度得到改善。借助于g p s 不但可 准确获得车辆的准确位置，还可得到车辆的速度、运动方向等数据，为交通运 输管理提供了动态监测和导航的工具。g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的 承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。因为它是一个混合 体，采用t d m a 方式传输语音，采用分组的方式传输数据。g i s 是采集、处理、 分析、表现和存储管理与空间地理信息有关的空间信息系统，以电子地图作为 主要支撑平台，为智能交通，车辆导航提供了技术支持。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机 上海大学硕士学位论文 系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的 应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式操作系统是嵌入式产品的核心，车载终端的”灵魂”，也是本课题研究的 重点内容，现在比较理想的车载嵌入式操作系统有w i n c e 、l i n u x 等。嵌入式系 统下又涉及了如大容量数据的存储和传输，压缩与解压缩，图形图象显示处理 等相关数字处理技术。 关于数据通讯，主要可分两种：汽车内部的数据通讯总线c a n ( 控制器局 域网) 。c a n 总线接口可以是服务系统实时调取汽车内部计算机通过传感装置 检测到的故障码等汽车行驶状态的有关资料，以供分析和诊断故障之用，成熟 的运用如o b d i i 故障检测系统等。汽车与外部的联系主要是靠无线通信网络， 遵循如g p r s 等无线信号传输协议，不远的将来同样要遵循3 g 标准。无线通 信网络和汽车电子部件的电磁兼容问题，也是需要研究的内容之一。 1 4 论文内容安排 第一章绪论，首先介绍了汽车信息服务系统的研究背景与意义，国内外相关 行业的发展现状，从而阐明了本课题具有的巨大运用前景和市场潜力。同时简要 叙述课题的研究内容，为下文的详细叙述作铺垫。 第二章介绍了汽车信息服务系统的总体设计方案，构造系统整体框架，并 对需要实现的技术要求作了简单的叙述。 第三章、第四章分别详细介绍了该汽车信息服务系统车载终端硬件和软件 设计。其中，硬件部分包括主芯片设计，各模块的功能、结构框图、器件工作原 理，接口电路设计等；软件设计部分基于w i n c e 嵌入式操作系统，根据系统功能 实现要求，完成w i n c e 系统下应用程序代码编写，侧重阐述车载终端软件界面、 控制、软件内部通信的程序编写原理及过程，详细分析g p s 数据截取、g p r s 的状态切换、汽车布防、撤防、即时状态信息的处理等 第五章详细介绍了远程服务中心的设计，重点介绍服务中心与车载终端之 间通过g p r s 无线网络相连的软件基础，整个中心服务程序的流程，包括g p r s 端硬件及a t 控制指令、t c p i p 网络协议、网络编程接口套接字s o c k e t 的剖析 及程序编写，v i s u a l c + + 通过a c t i v e x 控件m s c o n m l 控制串口的程序设计等。 l 海大学硕士学位论文 最后对通过m a p i n f o 软件进行g p s 信号跟踪的软件g e o g r a p h i ct r a c k e r 进行了 介绍。 第六章介绍了车载终端在w i n c e 嵌入式系统下的整个汽车信息服务系统 的整体测试，包括测试环境与测试结果。 第二、三、四、五、六章描述了一个从系统设计、硬件设计、软件设计、 服务器端设计以及调试与测试为一体的完整系统。 第七章详细论述了在车载终端中，对基于l i n u x 系统的车载终端图像采集、 压缩的提高性内容来研究探讨。包括建立嵌入式l i n u x 开发环境；修改和编译 l i n u x 内核，定制嵌入式l i n u x 操作系统；编写、调试和加载设备驱动程序； 重点研究了u s b 图象采集设备在整个系统的设计和实现过程，尤其是u s b 控 制器的驱动实现是此章节的重点研究部分。 第八章对全文工作进行总结，指出了基于w i n c e 和l i n u x 的指导性建议。 第二章汽车信息服务系统总体方案设计 2 1 系统总体框架 整个系统按空间划分由远程服务中心，车载终端，用户三个部分组成。远 程服务中心由数据交互，g i s 电子地图，数据库子系统组成，对车辆和用户提 供服务。车载终端由嵌入式微处理器控制单元，电源时钟管理，g p s 模块， c d m a g p r s 模块( 本系统实现采用g p r s 模块) ，l c d 图象显示，车辆状态 信息采集模块等组成，它是整个系统的关键，承担所有数据的分析处理，显示， 通信等任务。汽车用户可以用手机分别和服务中心，车载终端进行通信联系。 系统以时间划分则分为两个状态，分别是用户在车状态( 图2 1 左) 与用 户离车状态( 图2 1 右) 。在车状态主要指用户正在驾驶汽车，此时远程服务中 心可以为用户提供实时的卫星定位导航，车辆运行状态监测，故障检测等服务。 离车状态主要指用户把汽车停靠下来并离开汽车后，服务中心以及用户本人可 以实时监控汽车当前状态，汽车在用户控制下自动防盗报警的状态。 4 上海大学硕二| = 学位论文 图2 1 系统工作状态幽 2 2 总体功能概述 用户在车服务状态下，车载终端通过g p s 接收卫星的定位信号，把数据传 输到处理器p x a 2 5 5 ，并解算出汽车当前的地理位置，调用系统在终端内嵌的 匹配电子地图显示位置地点；车辆状态信息采集模块通过c a n 总线实时记录汽 车运行状态，在发生故障时与服务中心建立远程故障联检。通过g p r s 无限接 入i n t e m e t 与远程服务中心建立透明的数据双向传输通道，实时将经编码后的移 动车辆的经度、纬度、速度、运动方向、时间、车辆状态以及报警等信息上传 至r s c ( 远程服务中心) ，并将r s c 对移动端的控制命令下发至移动端；r s c 将 接收到的车辆位置和状态信息进行适当的数据处理后将车辆的位置及其轨迹在 远程控制中心的大屏幕电子地图上显示出来。 在用户离车后车载终端进入防盗报警状态，通过g p r s 与用户建立短信收 发机制进行交互，用户可根据服务中心与终端反馈的信息对汽车进行布防和撤 防，在汽车处于布防状态时启用汽车实时图象监控，必要时可将摄像头拍摄到 的图像以j p e g 图片形式定时发送到远程服务中心。 系统主要功能为：接收g p s 数据，并通过g i s 对车辆进行定位与导航；能 通过g p r s 与i n t e m e t 相连；可以自由地将车辆定位信息、状态信息发给中心台； 能够从中心台获得用户预定的服务，如：天气预报、股市行情等；使用c a n 总 线接口对车辆进行远程故障检测；用户可使用手机短消息对车辆进行远程监控； 能对被盗车辆进行实时跟踪等服务功能。 l 海大学硕士学位论文 2 3 车载终端设计思路 车载终端作为整个系统的中心控制部分，是开发的重点。硬件部分分为 p x a 2 5 5 核心控制单元与各外围模块( 见图2 2 ) 。前者主要由微处理器p x a 2 5 5 及f l a s h s r a m 加上处理器外围接口芯片组成。后者由负责无线通信的s o n y e r i c s s o n 公司的g r 4 7 模块，接收卫星定位信号用的g p s 模块d j r l 0 ，p h i l i p s 公司的u s bh o s t 控制芯片i s p l l 6 1 及u s b 摄像头组成的图象采集电路，以 及l c d 显示和触摸屏等人机交互电路，c a n 总线转换器组成的汽车接口电路， c f 卡大容量存储，j t a g 和e t h e r n e t 程序下载调试电路等部分组成。系统电源 采用汽车电源加蓄电池供电方式，蓄电池平时处于充电状态，系统启动后直接 由蓄电池供电。 图2 2 车载终端硬件设计框图 具体各电路模块的功能、构成、工作原理及设计等内容将在下一章作具体 介绍。 2 4 远程服务中心设计思路 远程服务中心主要对汽车进行信息综合服务，如跟踪定位与实时监视，在 g p r s 网络覆盖范围内，实时跟踪定位车辆的位置以及监视车内情况，在电子 地图上同时显示监控多辆车的运行轨迹，在控制中心的显示屏的电子地图上， 可以清晰直观地显示受监视车辆的位置及运动信息。电子地图可任意放大、缩 小、平移，并具有距离显示、导航等多功能。在用户请求服务的情况下提供各 6 上海大学硕士学位论文 种定制的道路，天气，娱乐等信息。也通过车载单元提供的报警信息以及监视 信息，实现防盗反劫及报警等服务。在被劫持等紧急情况下，可通过中心对被 劫持车辆实施报警甚至断电断油等紧急情况处理。远程服务中心具体设计将在 第五章详细论述。 上海大学硕士学位论文 第三章车载终端硬件设计 3 1 基于p x a 2 5 5 的控制单元设计 p x a 2 5 5 微处理器是i n t e l 公司生产的第一代基于x s c a l e 微架构的集成系统 芯片，内核工作频率1 0 0 4 0 0 m h z ，内部集成了r a m 、l c d 控制、u s b ( c l i e n t ) 和p c m c i a 等大量的功能模块，p x a 2 5 5 支持j t a g 调试，这样不需要i c e 而大 大降低了开发成本。其主要特点是高性能、低功耗、接口资源丰富，适合运行 嵌入式操作系统，这些特点正好符合车载终端主控制器的要求，其结构框图如 图3 1 所示。 图3 1p x a 2 5 5 内部结构框图 3 1 1 控制单元时钟管理 p x a 2 5 5 控制单元时钟系统包括以下5 个主要时钟源：3 2 7 6 8 k h z 振荡器； 3 6 8 6 4 m h z 振荡器：可控频率的核p l l ；9 5 8 5 m h z 固定频率的外设p l l ； 1 4 7 4 6 m h z 固定频率的p l l ；图3 2 为p x a 2 5 5 时钟管理框图。 上海大学硕士学位论文 图3 2p x a 2 5 5 时钟管理框图 时钟管理为各个外围模块提供时钟。在不使用某个单元时，可关闭其时钟 以降低功耗。p x a 2 5 5 控制单元共有两个外部时钟源，如图3 3 所示，3 2 7 6 8 k h z 振荡器时钟可驱动实时时钟、电源管理器和中断控制器，3 6 8 6 4 m h z 振荡器时 钟驱动核p l l 和外围p l l ，产生各工作频率。为编程p l l 频率，应按以下步骤 进行： 选用同步存储器( s d r a m ) ，决定s d r a m 的频率 如果s d r a m 频率 佩巨q g p l 0 嘲c 。1 n c d l g p l o 蛐2 忙d 2 1 1 p l 饼s 娟憎o 喀t 6 n p w a i tw t t q f p s i 玎e s l 1 ：一 8 e g 图3 1 4c f 卡硬件接口图 在图3 1 4 中，d 1 5 ：0 为数据总线。r d n w r 信号用来控制数据总线的方向 ( 系统处于读状态时，r d n w r = i ；系统处于写状态时，r d n w r = 0 ) 。n p s k t s e l 信号用作数据总线的传输使能。s a _ a 1 0 ：o ( c f a 1 0 ：0 ) 为地址总线。在t r u ei d e 模式下，c f 卡的p s k t s e l 引脚是主从( m a s t e r s l a v e ) 选择信号：当p s k t s e l 悬空时，c f 卡是s l a v e 设备；当p s k t s e l = 0 时，c f 卡是m a s t e r 设备。设计 上海人学硕上学位论文 仅采用一个c f 卡插槽，所以将p s k t s e l 接地。在t r u ei d e 模式下，r e g 信号没有用处，应该接电源v c c 。也q 是中断请求信号。利用j 卫q 信号， p x a 2 5 5 处理器可以判断c f 卡是否处于读写忙状态，对c f 卡进行读写之前利 用此引脚判断c f 卡是否空闲。n w a i t 信号用于指示读写操作正在进行，请求 处理器等待。 3 6 车载终端电磁兼容性设计 在复杂的汽车内部电磁环境中，如何有效地减少相互间的电磁影响，使各 种设备正常运转，需要在项目设计开始时就考虑电磁兼容性的问题。车载终端 的g p s 天线和g p r s 天线由磁性底座安装在车顶，显示、控制及驱动单元在仪 表板前方，都是杂波较强的位置。车载干扰源主要由两种，一是汽车内部的自 生骚扰发射干扰源，主要是汽车电器中的各种瞬变电脉冲、分电器的触头之间 和火花塞间隙之间的火花以及车轮与地面、车身与空气高速磨擦产生的静电放 电。这些自身产生的骚扰即可能通过电磁骚扰发射对环境中的其它电器造成干 扰。二是车载无线通信设备的干扰源，在本系统中，g p s 天线为接收天线，而 g p r s 天线则兼接收和发射；除此之外还有其它车载设备如调频广播天线等。 天线问的相互干扰引起接收机减敏，影响收发机的同时工作。p c b 板的各个环 路，在高频条件下均会感应出不同程序的噪声电压，这影响了时钟信号及其它 重要信号的正常工作。通过示波器对时钟信号观察表明，在没有任何屏蔽措施 时，信号有o 5 v 0 8 v 的毛刺，这给系统正常工作埋下隐患。 为了保证设备的正常运行，设计中对位于工作频带之外的信号都采用各种 措施加以抑制，从而保证工作频带上的信号都具有良好的接收能力。依据防护 措施在实现电磁兼容时的重要性可行性，进行电磁兼容的分层次设计，最后对 各层次的设计结果进行