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(shè)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(jié)合CAN現(xiàn)場總線技術(shù),，并采用開放源代碼的圖形界面庫QT開發(fā)儀表終端應(yīng)用程序,。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)性能得到了改善,。
關(guān)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(zhuǎn)換成電信號顯示,；經(jīng)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(zhuǎn)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(fù)性好,、線性度好,、可靠性高,，適合現(xiàn)代生活對產(chǎn)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(yīng)用界面庫Qt開發(fā)終端應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(nèi)核，ARM V7指令集,主頻高達1 GHz,，64/32 bit內(nèi)部總線結(jié)構(gòu),，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(nèi)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(zhì)量的圖像和視頻[2],。采用外置CAN控制器承擔(dān)CAN節(jié)點控制器的任務(wù),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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)顯示效果,。中心控制器處理信息,，當信息不符合設(shè)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(shù)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(yīng)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(shè)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(jīng)過系統(tǒng)裁剪,，以適合本系統(tǒng)的嵌入式和實時的應(yīng)用,，同時在Linux系統(tǒng)平臺下編寫各模塊的驅(qū)動程序和應(yīng)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(jié)合的圖形界面。傳感器采集各種數(shù)據(jù),，經(jīng)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(yīng)用模塊的驅(qū)動程序設(shè)計和Qt圖形界面設(shè)計,。

3.1 驅(qū)動程序設(shè)計
　外部和內(nèi)置設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計如下[6]：
    (１)8英寸的TFT-LCD屏驅(qū)動設(shè)計。在驅(qū)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(shè)備方式加以訪問和管理，采用“文件層-驅(qū)動層”的接口方式,。文件層定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為file_operation結(jié)構(gòu)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(qū)動程序模塊化,，將編寫好的LCD驅(qū)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(qū)動。
    (２)CAN模塊驅(qū)動設(shè)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(shè)備注冊與驅(qū)動注冊兩部分,，分別由platform_device和device_driver兩個結(jié)構(gòu)體實現(xiàn),。成功注冊SPI總線后，將CAN總線驅(qū)動作為SPI子設(shè)備掛載到SPI總線上,，與主控芯片傳遞數(shù)據(jù),。
    (３)A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動程序設(shè)計,。S5PV210帶有10路12 bit的模擬輸入通道，A/D轉(zhuǎn)換的驅(qū)動程序流程為：打開A/D轉(zhuǎn)換器→采集模擬信號→進行A/D轉(zhuǎn)換→輸出數(shù)字信號→關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換器,。A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動程序也是一個字符設(shè)備驅(qū)動,，將編譯好的A/D轉(zhuǎn)換程序燒入內(nèi)核。
    (４)5×5鍵盤驅(qū)動程序,。鍵盤驅(qū)動程序采用層次型體系結(jié)構(gòu),，分上下兩層實現(xiàn)。上層為通用鍵盤抽象層,，為底層服務(wù);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(diào)用handle_scancode（），識別按鍵在鍵盤的位置,，實現(xiàn)按鍵驅(qū)動,。
    (５)網(wǎng)口驅(qū)動程序、USB協(xié)議,、控制信號輸出驅(qū)動程序等驅(qū)動程序在Linux2.6.30中由官方給出,，可直接調(diào)用。所有的驅(qū)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(yīng)用程序設(shè)計

    本系統(tǒng)的應(yīng)用程序包括管理任務(wù)、采集數(shù)據(jù)任務(wù),、CAN總線收發(fā)任務(wù),、LCD屏顯示任務(wù)、處理異常情況任務(wù)等多個任務(wù),，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(wù),，最后啟動操作系統(tǒng),，實現(xiàn)多任務(wù)操作,。
    在Linux系統(tǒng)中,，各任務(wù)被賦予不同的優(yōu)先級，擁有不同的任務(wù)棧,，不同任務(wù)之間通過消息隊列和信號量通信和共享數(shù)據(jù),。任務(wù)采用無限循環(huán)結(jié)構(gòu),，各任務(wù)通過延時或等待信號量和消息對決定CPU的使用權(quán)，通過產(chǎn)生中斷來切換任務(wù),。當?shù)玫较㈥犃谢蛘哐訒r時間時,，高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒狀態(tài)，任務(wù)獲得CPU使用權(quán),，最后處理相應(yīng)的消息隊列中的數(shù)據(jù)[7],。
3.3 Qt圖形界面設(shè)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(shè)計與布局,，界面設(shè)計完成后， 生成.ui文件,， 由.ui文件生成相應(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(shè)置mainwindow部件，最后調(diào)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(yīng)用程序資源
    Carsmarting.*mainwindow = new Carsmarting;
                                  //創(chuàng)建應(yīng)用程序窗口
    app.setMain Widget(&mainwindow);
                        //設(shè)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(yīng)用程序的控制權(quán)
    }
    (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(yīng)用CAN總線獲取顯示所需的數(shù)據(jù)，安全快捷；采用多任務(wù)設(shè)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(jīng)過實驗測試，本系統(tǒng)能夠正常運行,。該系統(tǒng)不但可應(yīng)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。
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