嵌入式系统与汽车电子领域的具体应用与实现.doc

嵌入式系统与汽车电子领域的具体应用与实现周海洋 仪器科学与光电工程学院 003班 091101030122摘要：嵌入式系统是计算领域的重要组成部分，是嵌入式对象宿主体系中完成某种特定功能的专用计算机系统。随着汽车技术的发展以及微处理器技术的不断进步，嵌入式技术在汽车电子技术中得到了广泛应用,使开发出高性能、低成本的智能车载终端成为可能。关键字：CAN；SoC系统；车载GPS终端系统；语音识别Abstract： Embedded systems are an important part of computing, embedded object host system to complete a specific function dedicated computer system. With the development of automobile technology and advances in microprocessor technology, embedded technology is widely used in the automotive electronics technology and make high-performance, low-cost smart car terminal possible.Key words： Controller Area Network；System of Chips；Global Position System；Speech Recognition嵌入式系统是计算领域的重要组成部分，是嵌入式对象宿主体系中完成某种特定功能的专用计算机系统。嵌入式系统有体积小、低功耗、集成度高、子系统间能通信融合的优点。随着汽车技术的发展以及微处理器技术的不断进步，嵌入式技术在汽车电子技术中得到了广泛应用,使开发出高性能、低成本的智能车载终端成为可能。目前，从车身控制、底盘控制、发动机管理、主被动安全系统到车载娱乐、信息系统都离不开嵌入式技术的支持。一、 背景及国内外技术状况1.1 背景目前，国内汽车行业发展迅速，汽车的产销量日益增长，中国己经成为继美国和日本之后的第三大汽车消费国。与此同时，随着微电子技术的迅猛发展，嵌入式处理器性能达到了一个前所未有的高度。嵌入式系统的开发已经进入了犯位的时代，各种高性能、高集成度、低价格的嵌入式处理器如雨后春笋般出现。特别是基于ARM内核的微处理器在嵌入式领域占着主导地位。高性能的ARM处理器速度已经达到400MHz以上，并且集成了丰富的控制接口，外围电路简单，有效的降低了成本，可以 满足各种高端应用的需要，而且价格低廉。将高性能ARM处理器应用于车载电子设备是一个很好的解决方案。汽车智能化是汽车行业的发展方向，它是建立在电子技术、信息技术、计算机技术等高技术基础上的。智能化汽车除了汽车电子控制系统，还包括车载计算机及网络系统、综合显示系统、信息提示系统、卫星定位系统、无线通信系统等。在这些设备的帮助下，驾驶员可以更加安全、快捷、高效的驾驶汽车，同时在无线数据通讯技术和计算机网络技术的支持下，驾驶员和乘客可以在安防、救助和交通事故勘查等领域中得到更有效的服务。1.2 国内外智能车载终端技术研究现状国外在汽车信息化技术的研究上起步较早，并且借助自 身在半导体、微电子领域的领先优势，智能化车载电子设备的发展已经达到相当高的水平。很多高科技车载电子设备己经逐步普及。车辆导航系统为驾驶员提供快速的路线查询，使驾驶员实时掌握自己的位置，可以在更短的时间内达到目的地。在日本的一些豪华轿车上，电子导航装备已经成为标准配备。2005年日本安装导航系统的汽车达到了350/6-40%。网络通信系统在驾驶员眼睛不离前进方向、手不离开转向盘的情况下，通过车载信息中心接受网络新闻、电子邮件、电话和其他信息。移动多媒体系统综合了DVD播放机、游戏设备、MP3播放器、收音机、电视等多种功能为一体，使驾驶员和乘客在车上就可以享受到丰富的多媒体服务。世界各大汽车制造商都在信息技术的应用上加大开发力度。如日本先锋公司推出的车载系统 AVIC-HD1BT、索尼公司的多媒体导航系统NVXYZ、松下电器推出的CN-HDX730车载系统等。国外的车载智能终端功能十分强大，技术也十分先进，由于其具有相当大的技术领先优势，其售价也十分昂贵，一般只装备在高档轿车上，普通汽车用户难以接受。相对于国外汽车电子行业的发展情况，国内的汽车电子行业存在很多问题。汽车电子企业的研发投入不足，生产规模较小。国内七成以上的汽车电子市场都由国外厂商占据着。国内市场上，可视倒车装置、车载音响、车载电话等车载电子设备随处可见。但是，国内车载电子设备普遍存在功能单一、科技含量的低的问题，与国外产品比缺乏竞争力。虽然国内的一些大型汽车电子厂商也推出了自主研发的车载导航设备等高端电子设备，但在功能和性能上仍存在很多不足。国内在车载电子的研发上还要进一步加大投入。二、 二、嵌入式系统与汽车电子领域的具体应用2.1 CAN在汽车电子中的应用CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以 CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。近年来，随着汽车电子技术的不断发展，现代汽车中所使用的电子控制系统和通讯系统越来越多，如发动机电控系统、 自动变速器控制系统、防抱死制动系统(ABS)、自动巡航系统(ACC)和车载多媒体系统等，这些系统之间，系统和汽车的显示仪表之间，系统和汽车故障诊断系统之间均需要进行数据交换，如此巨大的数据交换量，如仍然采用传统数据交换的方法，即用导线进行点对点的连接的传输方式将是难以想象的。CAN作为汽车环境中的微控制器通讯总线解决了这一问题，它在车载各电子控制装置 ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络，作为一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN总线仍可提供高达5Kbps的数据传输速率。CAN用作汽车中的数据和控制通信的网络，具有不可比拟的优越性。据统计，目前 CAN总线在汽车动力总成中占了85%的市场份额，2008年全球主要汽车生产厂商生产欧/欧排放标准以上的汽车后，采用CAN总线的汽车将超过 95%。 CAN总线的特点包括： 快速访问尽管总线访问取决于数据传输速率，CAN却支持1Mbps的数据传输速率。这对于控制局域网比较适度。 错误检测能力 CAN提升了错误检测能力：它可以在传输过程中检测到2个错误，在接收过程中可以检测到3个错误。 短消息 因为消息比较短(从0到8个字节), 重复传输的时间也就相应地缩短了。 多主配置 使用多主设备进行的通信被用于数据传输。 设置总线访问优先级 在总线访问中，给予最低ID No的总线最高的优先级。无论是工业系统还是自动化系统，一直以来，大多数 CAN总线网络系统都要求有操作系统。在众多普遍使用的操作系统中，OSEK作为使用 CAN通信的系统的操作系统，近来获得了广泛的认可。CAN总线以其组网自由，扩展性强；自动错误界定，简化了电控单元对通信的操作；可根据数据内容确定优先权，解决通信的实时性问题等优点，不仅在汽车控制和通信网络中被广泛采用，在工业控制中也将有广阔的应用前景。2.2 汽车嵌入式SoC系统的应用与发展SoC(System of Chips)系统。以性能极高的32位甚至64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DSP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，不断提高处理程度，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何处理能力，同时与网络的耦合更为紧密。汽车SoC系统是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用，满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统间通信频率不断提高的要求，代表着汽车电子技术的发展趋势。汽车嵌入式SoC系统主要应用在混合动力总成、底盘综合控制、汽车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。 2.2.1SoC系统技术特点 汽车嵌入式SoC系统是嵌入式系统向实时多任务管理、网络耦合与通信的高端应用过渡的产物，大大提高了汽车电子系统的实时性、可靠性和智能化程度。除了具备普通嵌入式系统的共有特性之外，它还具有以下几个优点： 对实时多任务管理有很强的支持能力，中断响应时间12s； 具有很强的存储区保护功能； 在嵌入式实时操作系统的支持下能合理进行任务调度，充分利用系统资源； 硬件结构和软件功能都有很强的扩展能力，系统集成度大大提高，降低了成本； 超低功耗，汽车静态功耗为豪瓦级； 系统硬件抗干扰能力增强，适应高温、潮湿、振动和电磁辐射等各种工作环境； 实时操作系统支持软件多线程结构，增强了系统的软件抗干扰性； 提供强大的网络通信功能，具备地IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，支持相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件，提供容错数据传输能力和更大通信带宽。2.2.2 SoC系统结构 汽车嵌入式SoC系统由硬件和软件两大部分组成。硬件包括嵌入式处理和外围设备，软件包括应用软件和操作系统。软件通过数据结构、算法和通讯协议实现汽车电子控制策略，硬件则为软件提供了运行平台，执行具体控制。 嵌入式SoC硬件系统集成度越来越高，一般为模块化结构。在高性能CPU核心外通过IP总线扩展实时时钟模块、SRAM（静态随机存储器）及大容量FLASH，配置CAN总线与USB通信模块，无缝集成PWM输出、多通道串口、A/D转换接口与统一的高速缓冲存储器，支持RISC技术、多级流水线技术与在片调试技术。系统的实时处理能力、可靠性和网络通信能力大大增强。汽车嵌入式SoC系统软件的典型结构采用基于标准化接口和通讯协议的模块化软件设计，系统内部通讯由交互层直接完成，保障应用程序间的信息传送。网络层拥有数据流处理能力，是不同系统层面间信息交换的中间接口，能最大程度地整合系统资源。嵌入式实时操作系统摒弃了传统操作系统的前后台模式，使用总线驱动层和硬件抽象层管理I/O端口，合理分配CPU资源，采用基于优先级的事件管理策略，通过API（应用程序接口）调用应用程序，根据邮箱、消息队列和信号量机制综合管理中断、系统行为和任务。 2.2.3 常用的SoC系统平台 为适应汽车电子系统的发展潮流，各国的半异体和软件制造商纷纷推出相应的嵌入式SoC产品。著名的SoC硬件平台包括：Intel公司的StrongArm核心处理器、Motorola公司的Dragonball核心处理器、NEC公司的VR核心处理器等。著名的SoC软件平台即实时操作系统包括QNX公司的QNX、Wind River公司的Vxworks和Integrated System公司的PSOSystem。它们都是实时、微核、基于优先级、消息传递、抢占式多任务、多用户分布式网络操作系统，拥有模块化结构，内核运行高速稳定，通信能力和扩展裁剪能力很强。2.2.4 SoC系统的发展趋势 汽车嵌入式SoC系统具有卓越的性能，其优越性逐渐被汽车界所认可。今后汽车嵌入式SoC系统将呈现出以下几个发展趋势： 汽车嵌入式SoC系统将会向FPGA/CPLD（在线可编程门阵列）方向发展，系统由分式可编程互连逻辑单元构成，单元之间可以交换信息，大量运算由硬件直接完成，体系结构更加灵活，集成度更高； 在系统开发上遵循通用的汽车电子系统开放平台和统一的标准。为了提高软硬件通用性，加快开发速度，降低成本，SoC系统迫切需要构建统一的标准与开发平台，欧洲颁布的基于OSEK/VDX标准的MODISTARC规范将是汽车嵌入式系统开发平台的发展趋； 随着汽车局域网技术和智能交通技术的发展，嵌入式SoC系统将会形成以C级或D级网络为基础的整车分布式控制系统和以无线通信为基础的远程高频网络通信系统； 嵌入式SoC系统的应用范围将逐步从高档车和进口车扩展到低档车和国产车。汽车嵌入式系统近年来发展非常迅速，随着后PC时代的来临，基于网络通信和实时多任务并行处理的嵌入式高端应用将会越来广泛。汽车嵌入式SoC系统在硬件上采用32位或64位高性能处理器，在软件上嵌入实时操作系统，具有功能多样、集成度高、通信网络化、开发快捷及成本低廉的特点，在汽车电子控制和车载网络通信系统方面有着广泛的应用，是未来汽车电子的最佳解决方案。2.3 车载GPS终端系统GPS是指全球定位系统（Global Position System）。车载GPS终端是置于机动车内的实时定位装置，它的应用对象是需要定位、调度的车队。车辆可以通过终端和GPS卫星进行实时、准确的定位，并能够通过无线通讯网络上报远程的车辆控制中心系统。 车载GPS终端系统的设计分为两个部分：硬件设计和软件设计。使UML的协作图（Collaboration Diagram）和组件图（Component Diagram）对系统的硬、软件分别进行系统设计。图 2.3.1车载GPS终端系统的硬件结构图 2.3.2 车载GPS终端系统的软件设计程序框图2.4特定人语音识别技术在汽车控制上的应用从20世纪50年代开始对语音识别的研究开始，经过几十年的发展已经达到一定的高度，有的已经从实验室走向市场，如一些玩具、某些部门密码语音输入等，随着DSP和专用集成电路技术的发展，快速傅立叶变换以及近来嵌入式操作系统的研究，使得特定人识别尤其是计算量小的特定人识别成为可能。因此，对特定人语音识别技术在汽车控制上的应用的研究是很有前途的。目前，常用的说话人识别方法有模板匹配法、统计建模法、联接主义法(即人工神经网络实现)。考虑到数据量、实时性以及识别率的问题，笔者采用基于矢量量化和隐马尔可夫模型(HMM)相结合的方法。 说话人识别的系统主要由语音特征矢量提取单元(前端处理)、训练单元、识别单元和后处理单元组成，其系统构成如图2.4.1所示。图2.4.1语音识别系统构成由上图也可以看出，每个司机在购买车后必须将自己的语音输入系统，也就是训练过程，当然最好是在安静、次数达到一定的数目。从此在以后驾驶过程中就可以利用这