車載感知與智能終端的硬件設(shè)計(jì)*

劉 軍，石存杰，余節(jié)發(fā)

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著汽車電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，作為汽車可選裝備的智能車載終端已經(jīng)逐漸普及起來(lái)，在一些高檔汽車上已經(jīng)作為必要部件。但是國(guó)內(nèi)車載終端的開發(fā)還處于實(shí)驗(yàn)性階段，相對(duì)滯后，目前還沒(méi)有一款真正集成的車載信息感知和智能車載終端相結(jié)合的設(shè)備。

本文設(shè)計(jì)了是車載感知和智能終端，擴(kuò)展了傳統(tǒng)的車載信息智能終端的功能。通過(guò)運(yùn)用當(dāng)前流行的控制器局域網(wǎng) CAN（Controller Area Network）總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式車載傳感器信息的采集以及與終端的通信，通過(guò)終端對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理可以對(duì)潛在危險(xiǎn)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在屏幕上顯示報(bào)警信息，可以對(duì)駕駛員起到預(yù)警作用。此外還設(shè)計(jì)了CAN控制器/收發(fā)器塊、GPRS無(wú)線通信、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航以及電源調(diào)節(jié)等模塊，擴(kuò)展了傳統(tǒng)智能車載終端的應(yīng)用，提高ARM板的利用效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

車載感知與智能終端硬件主要由中央處理器單元、GPS模塊、GPRS模塊、CAN控制器/收發(fā)器模塊、存儲(chǔ)器模塊、LED顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、傳感器模塊、電源調(diào)節(jié)模塊和報(bào)警模塊等組成，系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 中央處理器單元

在車載終端系統(tǒng)中，ARM作為中央處理單元對(duì)系統(tǒng)的整體性能起著至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)選用了Samsung公司基于ARM9內(nèi)核的S3C2440作為中央處理器，具有很高的性價(jià)比[1]。S3C2440可將系統(tǒng)組成縮減至最小，其集成了分開的16 KB指令/數(shù)據(jù)緩存、SDRAM控制器、LCD控制器、4通道 DMA、3通道 UART、I2C總線、I2S總線、SD主機(jī)接口、PWM定時(shí)器、看門狗、片上 PLL時(shí)鐘發(fā)生器、8通道10 bit A/D控制器和觸摸屏接口、攝像頭接口以及帶日歷函數(shù)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并且S3C2440最高頻率可達(dá)400 MHz，且功耗只有mW級(jí)。

1.2 GPS模塊

GPS接收模塊采用Motorola GPS M12接收模塊。M12模塊支持Motorola二進(jìn)制格式和NMEA0183格式兩種數(shù)據(jù)輸出模式[2]。它的特點(diǎn)是：超低功耗、高靈敏度，它的衛(wèi)星信號(hào)漂移小，通過(guò)天線接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的定位信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻、放大、濾波等一系列處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、鎖定、測(cè)量，產(chǎn)生計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息。該模塊通過(guò)串行口RS232與 S3C2410進(jìn)行通信。

1.3 GPRS模塊

GPRS無(wú)線通信模塊采用Motorola G24，該模塊是一款高速GSM/GPRS/EDGE模塊，支持4頻850/900/1 800/1 900 MHz，它以先進(jìn)的技術(shù)穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了M2M的高速無(wú)縫連接。G24內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，并能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。G24與S3C2440A之間通過(guò)串行口2進(jìn)行通信，通過(guò)在ARM嵌入式系統(tǒng)中建立TCP/IP以及PPP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的信息交互。

1.4 CAN控制器/收發(fā)器模塊

在S3C2440芯片上沒(méi)有CAN控制器，所以需要在芯片外部擴(kuò)展CAN控制器和收發(fā)器。SJA1000是一款獨(dú)立的CAN控制器，廣泛應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)。它是Philips公司PCA82C200控制器的替代產(chǎn)品，支持CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，與僅支持CAN2.0A的PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容，因此本設(shè)計(jì)選用SJA1000。

CAN收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，為總線提供差動(dòng)的發(fā)送和接收功能，是CAN系統(tǒng)中的必須設(shè)備。該智能終端選用常用的CAN收發(fā)器并具有PCA82C250作為CAN控制器SJA1000與CAN總線之間的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收，它最初為汽車高速通信（最高達(dá)1 Mb/s）應(yīng)用設(shè)計(jì)。PCA82C250與ISO/DISI1898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，具有抗瞬間干擾、降低射頻干擾、熱防護(hù)、防護(hù)電池與地之間發(fā)生短路等總線保護(hù)能力，最多可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)掉電也不會(huì)影響總線。為了加強(qiáng)CAN節(jié)點(diǎn)的抗干擾性能，本文在CAN控制器和收發(fā)器之間增加了光電隔離器6N137。CAN總線控制器和收發(fā)器的設(shè)計(jì)原理如圖2所示[3]。

1.5 A/D轉(zhuǎn)換器模塊

本設(shè)計(jì)選用的 MAXl224/MAXl225系列 12 bit模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）具有低功耗、高速、串行輸出等特點(diǎn)，其采樣速率最高可達(dá)1.5 Mb/s，在2.7 V～3.6 V的單電源下工作，需要1個(gè)外部基準(zhǔn)源；可進(jìn)行真差分輸入，比單端輸入提供更好的噪聲抑制、失真改善及更寬的動(dòng)態(tài)范圍；同時(shí)，具有標(biāo)準(zhǔn) SPITM、QSPITM、MI-CROWWIRETM，接口提供轉(zhuǎn)換所需的時(shí)鐘信號(hào)，可以方便地與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的同步串行接口連接。

1.6 LED顯示模塊

S3C2440內(nèi)部集成了LCD控制器，支持STN和TFT類型的液晶顯示器，可根據(jù)水平和垂直像素、數(shù)據(jù)線寬度和刷新率編程支持各種需求的屏幕。LCD控制器主要負(fù)責(zé)傳送在幀緩沖區(qū)中的視頻數(shù)據(jù)和產(chǎn)生必要的控制信號(hào)。視頻數(shù)據(jù)采用DMA方式，通過(guò)LCD數(shù)據(jù)總線vD[23：0]傳送。控制信號(hào)主要有垂直同步信號(hào) vSYNC、線結(jié)束信號(hào) LEND、水平同步信號(hào) HSYNC、像數(shù)時(shí)鐘信號(hào)vCLK和數(shù)據(jù)使能信號(hào)vDEN等。

1.7 傳感器模塊

MEMS（Micro Electronic Measurement System）傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高和易生產(chǎn)等特點(diǎn)，并具有低能耗、高功率、低成本等優(yōu)勢(shì)，特別適合在汽車上使用[4]。所用的微慣性測(cè)量單元MIMU由2個(gè)ADXL203型雙向微加速度計(jì)和3個(gè)ADXRS150型角速度陀螺組成，MEMS陀螺傳感器采用的物理現(xiàn)象是科里奧利效應(yīng)[5]，加速度計(jì)和角速度陀螺的布置如圖3所示。

立方塊代表雙向加速度計(jì)，圓柱體代表角速度陀螺。要求3個(gè)角速度陀螺安裝在3個(gè)正交平面上，它們敏感軸相互垂直，組成測(cè)量體的三維坐標(biāo)系。2個(gè)雙向加速度計(jì)安裝在另外兩個(gè)面上，為了保證加速度計(jì)的敏感軸也組成三維測(cè)量坐標(biāo)系，要求測(cè)量垂向加速度的兩個(gè)敏感軸相互平行，剩下的一個(gè)底面作為MIMU與汽車質(zhì)心處的安裝固定平面。

圍繞MEMS慣性加速和角速度傳感器，開展以駕駛員操控行為動(dòng)作和車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知為核心內(nèi)容的汽車分布式感知技術(shù)研究及其平臺(tái)開發(fā)，設(shè)計(jì)駕駛員手與腳對(duì)車輛操控行為的感知模塊、車身運(yùn)動(dòng)感知模塊。通過(guò)建立復(fù)雜的理論模型，結(jié)合汽車姿態(tài)傳感模塊的信息，運(yùn)用信息融合技術(shù)識(shí)別得到可靠的駕駛員對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，包括方向盤輸入、油門踏板輸入、變速手柄輸入、制動(dòng)踏板輸入及離合器踏板輸入等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件平臺(tái)

本方案采用WinCE作為嵌入式操作系統(tǒng)。WinCE是微軟公司專門為信息設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域而開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，它包括如下幾個(gè)模塊：內(nèi)核模塊、設(shè)備管理模塊、文件系統(tǒng)模塊、圖形及窗口事件模塊、網(wǎng)絡(luò)及通信模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和OAL模塊等，圖4所示是WinCE操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖4 WinCE基本結(jié)構(gòu)

2.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

模塊間的通信主要是通過(guò)串口進(jìn)行的，因此本設(shè)計(jì)給出了主要的在WinCE下對(duì)串口操作的概要描述。

（1）打開串行口

打開串行的程序?yàn)椋海═EXT（“COM1：”），GENERIC_READ │ GENERIC_WRITE，0，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL），其中端口號(hào) COM1后的冒號(hào)是必需的，它用于區(qū)別在Windows NT或Windows 98中對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的命名規(guī)則。

（2）配置串行口

串行口的配置是用改變DCB結(jié)構(gòu)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用程序可以通過(guò)函數(shù)GetCommState獲得缺省配置，并用函數(shù)SetCommState來(lái)進(jìn)行新的配置[6]。配置串行口程序?yàn)椋?/p>

（3）讀/寫串行口

讀、寫串行口使用函數(shù)ReadFile和WriteFile，其參數(shù)配置基本相同。需要著重指出的是，因?yàn)閃inCE不支持重疊的I/O操作，所以主線程或是任何創(chuàng)建窗口的線程不能試圖向串行口寫大量數(shù)據(jù)，這樣線程將會(huì)被阻塞，從而不能管理消息隊(duì)列。應(yīng)用程序可以通過(guò)創(chuàng)建多個(gè)線程處理讀/寫操作來(lái)模擬重疊I/O。為了協(xié)調(diào)多個(gè)線程，可以調(diào)用WaitCommEvent函數(shù)阻塞線程，直至發(fā)生指定的通信事件。

（4）關(guān)閉串行口

關(guān)閉串行口程序如下：

本文基于嵌入式ARM平臺(tái)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了車載感知和智能終端的硬件電路部分，突破傳統(tǒng)的智能車載終端的功能局限，創(chuàng)新地結(jié)合智能終端這一載體，巧妙運(yùn)用MEMS傳感器設(shè)計(jì)了駕駛行為感知和汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為利用ARM研究車載感知提供了硬件設(shè)計(jì)思路，對(duì)進(jìn)一步開展車載感知和智能終端的開發(fā)具有探索意義。

[1]Samsung公司.S3C2440A 32-bitRISC microprocessor user′s manual， revision 0.12[Z].2004.

[2]Motorola Inc.Motorola GPS product—oncore user′s guide（rivision5.0）[M].USA：Motorola Inc，2002.

[3]馮桑，康迂福，康林權(quán).基于CAN總線的車載智能終端硬件設(shè)計(jì)[J].公路與汽運(yùn)，2010（141）：27-30.

[4]VERMAR， GOGOIBP， MLADENOVICD.MEMS Pressure and Acceleration Sensors for Automotive Application [C].SAE 2003 World Congress&Exhibition，2003-01-0204.

[5]閆子波，魏鳴.微機(jī)械陀螺儀的工作原理及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2009（9）：62-65.

[6]穆斌，羅珣.智能化車載信息終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（3）：46-49.