摘  要：為了優(yōu)化汽車儀表系統(tǒng)性能,，提高系統(tǒng)智能化、人車交互界面友好度,，以ARM微處理器S5PV210為控制核心設計了一款汽車智能儀表系統(tǒng),。該系統(tǒng)以嵌入式實時操作系統(tǒng)Linux為軟件平臺，結合CAN現(xiàn)場總線技術,，并采用開放源代碼的圖形界面庫QT開發(fā)儀表終端應用程序,。經實驗驗證，系統(tǒng)性能得到了改善,。
關鍵詞： 智能儀表,；ARM處理器；現(xiàn)場總線CAN,；嵌入式系統(tǒng),；Qt

    汽車的顯示儀器作為駕駛員與汽車信息交流的主要途徑，實時地將汽車的駕駛情況反饋給駕駛員,。作為人機交換信息的一個重要窗口,，汽車顯示儀器有了很大的發(fā)展：第一代基于器械作用力，用機械指針顯示,；第二代基于電測原理,，通過各類傳感器采集非電量數(shù)據(jù)并轉換成電信號顯示；經過第三代的模擬電路電子式的發(fā)展到第四代全數(shù)字儀表,，將各種輸入信號轉換成數(shù)字信號,，通過專用的中央處理器處理各種信號，在LCD屏,、VFD等顯示屏上顯示各種信息,，全數(shù)字儀表重復性好、線性度好,、可靠性高,，適合現(xiàn)代生活對產品的智能化、數(shù)字化的要求[1],。
   本文提出了一種虛擬智能儀表系統(tǒng),，S5PV210為中央處理器；通過CAN總線傳輸各種顯示所需要的數(shù)據(jù)；采用實時性嵌入式系統(tǒng)Linux為汽車的操作系統(tǒng),；圖形應用界面庫Qt開發(fā)終端應用程序。系統(tǒng)的性能得到提高,，同時可擴展性和可維護性都有了很大的改善,，具有很大的商業(yè)價值。
1 總體設計
    通過CAN總線實時地采集汽車的各種數(shù)據(jù),，包括汽車運行的轉速,、車速、水溫,、油量,、電壓、油壓,、里程等信息,，然后由嵌入式處理器S5PV210處理數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)在顯示屏上用圖形界面虛擬顯示,。同時,系統(tǒng)在汽車異常運行時語音報警,，顯示器顯示具體的異常原因。
2 硬件組成
    汽車智能儀表系統(tǒng)的硬件設計如圖1所示,，系統(tǒng)的控制核心采用SAMSUNG的S5PV210,采用ARM cortexTM-A8內核,，ARM V7指令集,主頻高達1 GHz，64/32 bit內部總線結構,，具有非常高的運算能力,。S5PV210包含很多強大的硬件編解碼功能，同時內建高性能PowerVR SGX540 3D圖形引擎和2D圖形引擎,支持2D/3D圖形加速,能更快地解碼更高質量的圖像和視頻[2],。采用外置CAN控制器承擔CAN節(jié)點控制器的任務,通過SPI接口與CAN控制器通信,，快速高效。S5PV210嵌入了許多外圍設備的功能,，減少了系統(tǒng)芯片的數(shù)量,。各種傳感器將采集到的轉速、車速,、水溫,、油量、電壓,、油壓,、里程等模擬信號通過CAN總線傳遞給控制器自帶的A/D輸入口轉換成數(shù)字信號，LCD屏實時顯示采集到的信息,，顯示的圖片信息存儲在SD卡中,，通過輔助小鍵盤調節(jié)顯示效果。中心控制器處理信息，當信息不符合設定的正常數(shù)值時顯示器顯示異常原因,，語音模塊[3]發(fā)出警報,。軟件采用嵌入式實時操作系統(tǒng)Linux2.6.30高效地管理整個系統(tǒng)。

    智能儀表采用網(wǎng)路化的集中管理,，通過CAN總線將汽車各部分的信息傳遞給控制器,，控制器通過CAN總線反饋實現(xiàn)汽車的有效操作。系統(tǒng)的CAN總線通信系統(tǒng)選用Microchip的MCP2515為控制核心,，MCP2515是一款獨立CAN協(xié)議的控制器[4-5],完全支持CAN V2.0B技術規(guī)范,，通過符合工業(yè)標準的SPI口與控制器連接。LCD顯示器選用CPT的8英寸工業(yè)屏CLAA080XA03BT,，分辨率高達1 024×768,，可視角度大、亮度高,、對比度好,、反應時間快，滿足儀表系統(tǒng)對顯示屏顯示的各種要求,。
3 軟件設計
    汽車智能儀表系統(tǒng)采用嵌入式Linux為操作系統(tǒng),，Linux源代碼開放并遵循GPL規(guī)則，選擇Linux2.6.30版本,，經過系統(tǒng)裁剪,，以適合本系統(tǒng)的嵌入式和實時的應用，同時在Linux系統(tǒng)平臺下編寫各模塊的驅動程序和應用程序,?？刂泼姘宀捎肣t/Embedded圖形界面，外觀顯示的是傳統(tǒng)機械儀表圖形和數(shù)字圖形結合的圖形界面,。傳感器采集各種數(shù)據(jù),，經過CAN總線傳輸，控制器對各種數(shù)據(jù)處理,，同時通過儀表圖形界面顯示各種數(shù)據(jù),，當出現(xiàn)異常時，界面顯示原因并且語音提示報警,。整個系統(tǒng)軟件如圖2所示,。系統(tǒng)主要分為兩個部分：Linux系統(tǒng)下各個應用模塊的驅動程序設計和Qt圖形界面設計。

3.1 驅動程序設計
　外部和內置設備驅動程序設計如下[6]：
    (１)8英寸的TFT-LCD屏驅動設計,。在驅動LCD中首要配置LCD控制器,，尤其是幀緩沖區(qū)(FrameBuffer)的指定，LCD是以字符設備方式加以訪問和管理,，采用“文件層-驅動層”的接口方式,。文件層定義的數(shù)據(jù)結構為file_operation結構體中的接口函數(shù),，如讀/寫的read/write函數(shù)和用于控制的ioctl等。將LCD驅動程序模塊化,，將編寫好的LCD驅動程序lcd.c放到arm/linux/drivers/char目錄下,，進行make menuconfig選擇靜態(tài)加載LCD驅動。
    (２)CAN模塊驅動設計,。系統(tǒng)中采用MCP2515獨立控制器和TJA1050高速CAN總線收發(fā)器為一體的外接模塊,。MCP2515與主控芯片使用SPI數(shù)據(jù)總線進行交互，將SPI封裝成SPI設備注冊與驅動注冊兩部分,，分別由platform_device和device_driver兩個結構體實現(xiàn)。成功注冊SPI總線后,，將CAN總線驅動作為SPI子設備掛載到SPI總線上,，與主控芯片傳遞數(shù)據(jù)。
    (３)A/D轉換器驅動程序設計,。S5PV210帶有10路12 bit的模擬輸入通道,，A/D轉換的驅動程序流程為：打開A/D轉換器→采集模擬信號→進行A/D轉換→輸出數(shù)字信號→關閉A/D轉換器。A/D轉換驅動程序也是一個字符設備驅動,，將編譯好的A/D轉換程序燒入內核,。
    (４)5×5鍵盤驅動程序。鍵盤驅動程序采用層次型體系結構,，分上下兩層實現(xiàn),。上層為通用鍵盤抽象層，為底層服務;下層為硬件處理,，對硬件直接操作,。主要的工作在于編寫底層處理函數(shù)，鍵盤中斷處理獲取按鍵的掃描碼,，調用handle_scancode（）,，識別按鍵在鍵盤的位置，實現(xiàn)按鍵驅動,。
    (５)網(wǎng)口驅動程序,、USB協(xié)議、控制信號輸出驅動程序等驅動程序在Linux2.6.30中由官方給出,，可直接調用,。所有的驅動程序在系統(tǒng)中均采用靜態(tài)編譯方式，不需要模塊加載,。
3.2 應用程序設計

    本系統(tǒng)的應用程序包括管理任務,、采集數(shù)據(jù)任務、CAN總線收發(fā)任務,、LCD屏顯示任務,、處理異常情況任務等多個任務,，采用信號量、郵箱,、消息隊列等多種常用進程間通信機制,。系統(tǒng)采用C語言入口函數(shù)Main()的編寫完成各種初始化操作，建立信號量和消息隊列,，依次創(chuàng)建各任務,，最后啟動操作系統(tǒng)，實現(xiàn)多任務操作,。
    在Linux系統(tǒng)中,，各任務被賦予不同的優(yōu)先級，擁有不同的任務棧,，不同任務之間通過消息隊列和信號量通信和共享數(shù)據(jù),。任務采用無限循環(huán)結構，各任務通過延時或等待信號量和消息對決定CPU的使用權,，通過產生中斷來切換任務,。當?shù)玫较㈥犃谢蛘哐訒r時間時，高優(yōu)先級的任務進入就緒狀態(tài),，任務獲得CPU使用權,，最后處理相應的消息隊列中的數(shù)據(jù)[7]。
3.3 Qt圖形界面設計[8-10]
    Qt/Embedded用于嵌入式系統(tǒng),，具有高效,、穩(wěn)定、美觀等特點,，能夠為用戶提供可靠的交互功能,。用Qt/Embedded下的集成開發(fā)工具Qt Designer實現(xiàn)嵌入式GUI的設計與布局，界面設計完成后,， 生成.ui文件,， 由.ui文件生成相應的頭文件，在頭文件中用一個類實現(xiàn)對界面的搭建,。具體的界面編寫過程如下：
    (1)使用Qt Designer提供的uic工具通過界面文件Carsmarting.ui生成Carsmarting.h文件和Carsmarting.cpp文件,。命令為uic-o Carsmarting.h Carsmarting.uiuic-o和Carsmarting.cpp-impl Carsmarting.h Carsmarting.ui。
    (２) 系統(tǒng)中實現(xiàn)顯示功能,，在Carsmarting.cpp文件中添加相應的功能實現(xiàn)代碼,。編寫main主函數(shù)文件，主函數(shù)所在文件名為main.cpp,，首先產生一個QApplication類的實例,，然后定義窗口類實現(xiàn)并把它作為程序的主窗口，接著設置mainwindow部件,，最后調用show()和exec()方法,，使用庫管理界面作為主界面,，程序進入消息循環(huán)。以下是Carsmarting.的主函數(shù)文件main.cpp的主要代碼：
    int main(int argc,char **argv)
    {
    QApplication Carsmarting(argc,argv);
                      //創(chuàng)建對象,，管理整個應用程序資源
    Carsmarting.*mainwindow = new Carsmarting;
                                  //創(chuàng)建應用程序窗口
    app.setMain Widget(&mainwindow);
                        //設置程序的主部件mainwinow
    mainwindow—>how();  //使mainwindow的窗口部件可見
    return Carsmarting.exec();
                         //傳遞給Qt應用程序的控制權
    }
    (３)編譯,。使用progen命令生成工程文件（.pro文件），根據(jù)工程文件使用tmake命令生成Makefile文件,，最后使用make命令編譯鏈接整個工程,。
    本文介紹的基于嵌入式Linux和CAN總線的汽車智能儀表系統(tǒng)具有非常優(yōu)良的性能。通過裁剪優(yōu)化嵌入式系統(tǒng),，提高了整個系統(tǒng)性能,；系統(tǒng)應用CAN總線獲取顯示所需的數(shù)據(jù)，安全快捷,；采用多任務設計方式,，提高了系統(tǒng)的實時性和靈敏度；采用Qt/Embedded圖形界面,，豐富了桌面系統(tǒng)，界面顯示友好,。經過實驗測試,，本系統(tǒng)能夠正常運行。該系統(tǒng)不但可應用在汽車儀表系統(tǒng),，同時對于機載艦載儀表系統(tǒng)有重要的參考意義,。
參考文獻
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