基于嵌入式的智能車載多媒體控制終端設計與實現

林彥廷，師文慶

（廣東海洋大學 電子與信息工程學院，湛江 524088）

汽車，是人們日常生活中的常用代步工具之一，也將是我國一個新的家庭消費熱點，汽車的潛在市場、經濟利益巨大[1]。隨著國內汽車使用量增加，汽車電子在未來汽車產業中的地位越來越重要，近年來最為突出的是智能車載系統，隨著人工智能進入人類視野，人們對于無人駕駛車載系統越發感興趣，對智能車載系統的各種需求也會大大增加，就像當年智能手機一樣，逐漸融入人們的生活。對于人們的生活來說，汽車早已不再滿足于一種單一的交通工具，汽車的數字化、多媒體化、多功能化、智能化將是未來汽車電子產品的必然趨勢，汽車導航、多媒體功能以及網絡通信系統成為未來汽車的必備[2]。隨著物聯網等互聯技術在汽車領域的發展及應用，智能汽車及智能車載系統已經是一個重要的研究方向[3]。為此，文中提出了基于嵌入式的智能車載多媒體控制終端設計，基于安全、實用、娛樂理念設計了4項功能：①可視化倒車雷達報警；②天氣預報；③音樂播放器；④系統硬件控制。

1 智能車載多媒體控制終端總體方案

目前，電子信息技術飛速發展，出現一些處理能力強、外設接口豐富的處理器芯片，比如ARM架構系列處理器，為開發多功能的車載終端提供了硬件技術基礎[4]。此外，由于Linux操作系統的開源性，每年開發人員的大量投入，平臺日漸成熟穩定，且所支持的外設驅動豐富，被高端消費電子產品廣泛應用，也為該終端的設計開發提供了強大的軟件系統支撐。

按照所設計的車載多媒體控制終端的需求分析以及現有材料，采用S5P681處理器為核心板，應用軟件運行以嵌入式Linux為平臺為主，基于Cortex-A53和Linux嵌入式技術，通過LCD觸摸屏實現音頻播放終端控制、可視倒車、倒車距離實時報警、實時天氣預報等，使用方便，交互界面清晰簡潔。

1.1 系統硬件結構

在智能車載多媒體控制終端的設計方案中，智能多媒體車載控制終端的硬件平臺主要以ARM處理器為主，由S5P6818處理器核心板、超聲波模塊、攝像頭模塊和LCD觸摸屏人機交互模塊等部分組成，系統硬件結構如圖1所示。各模塊與Linux系統構成了完整的智能多媒體控制終端。模塊完成功能，Linux系統進行調度。

圖1 智能多媒體車載控制終端的系統結構Fig.1 System structure of intelligent multimedia on-board control terminal

1.2 系統軟件結構

不同嵌入式系統的開發有自身不同的的開發特點，從而構成嵌入式系統的多樣性和復雜性。嵌入式系統是面向特定應用的系統，一般先進行硬件功能的開發，再根據設計需求分析移植對應操作系統，最后對底層的硬件驅動程序進行設計。設計中首先構建嵌入式操作系統，在64位Cortex-A53平臺上構建起完整的嵌入式開發系統，在此基礎上進行音頻、攝像頭等各個模塊的開發設計，通過交叉編譯，生成可應用軟件，然后應用在ARM平臺上，通過Linux系統進行調度[5]。

2 嵌入式操作系統

2.1 嵌入式操作系統

嵌入式操作系統的嵌入式開發的高效率，不僅僅體現在減少了系統的開發工作量，還體現在系統合理地調度多任務，合理利用系統資源、系統函數以及接口，提高嵌入式軟件的可移植性。嵌入式Linux系統是一個完全內存保護、多任務、多線程的操作系統，是完成開源的，可以減少大量開發費用[6]，同時也促進了促進了嵌入式的發展。

2.2 軟件系統設計

嵌入式Linux系統從軟件的角度一般分為以下四方面：

1）Bootloader Bootloader啟動引動程序，是系統啟動加載的第一段匯編代碼，主要負責系統硬件的初始化，引導并加載Linux內核參數，最后根據參數啟動Linux內核。

2）Linux內核 Linux內核面向不同的場景，在不同嵌入式系統設計中會對內核進行裁剪、定制和移植，制作適合用戶需要的嵌入式內核，包括內存管理、進程管理、虛擬文件系統等。

8.請附作者簡介，包括姓名（使用筆名者請附真實姓名），出生年月，性別，民族(漢族可省略)，籍貫，職稱，學位，簡歷及論著情況(任選)，工作單位，通訊地址，聯系電話，郵政編碼。

3）根文件系統 Linux系統的宗旨是“一切皆文件”，根文件系統就是Linux掛載在虛擬文件系統的第1個文件系統，根文件系統和Linux內核配合使用，建立在動態隨機存儲器上的根文件系統和建立在Flash設備上的文件系統，通常用動態隨機存儲器上的文件系統為根文件系統[7]。

4）用戶應用程序 應用程序、Linux系統和硬件平臺之間的關系如圖2所示。Linux驅動的設計大大降低了應用層和硬件平臺之間的耦合度，應用軟件只需調用系統提供的接口即可控制硬件，無需關心硬件如何工作，大大提高了應用程序的可移植性以及開發人員的開發效率。

圖2 系統關系邏輯Fig.2 Logical diagram of system

應用軟件設計的基本過程如圖3所示。由車載系統智能終端的需求分析以及設計總體框架開始，到系統移植、各模塊的集成，再到功能模塊測試階段，最后完成設計。

圖3 應用軟件設計的基本過程Fig.3 Brief process of APP design

3 多媒體音頻開發

雖然Linux系統自帶Media Player播放器，但由于系統自帶的播放軟件所支持的多媒體格式非常有限，所以在程序設計時，移植了第三方多媒體播放軟件Mplayer[8]。音頻播放器設計原理如圖4所示。Mplayer一大特點是支持廣泛的輸出設備。設計中最重要的是MPlayer還支持通過硬件MPEG解碼卡顯示。

圖4 音視頻軟件模塊工作流程Fig.4 Flow chart of audiovisual software modules

4 可視化倒車和倒車距離實時報警

該軟件模塊的工作流程如圖5所示。這一模塊主要分為攝像頭采集一幀一幀的圖片數據和超聲波的測量距離顯示到LCD屏上，提醒用戶。用戶空間要控制這2個硬件模塊需要對其設計相應的驅動程序，如超聲波驅動、蜂鳴器驅動和攝像頭驅動等。當超聲波測出的距離小于設定的距離，LCD屏上開始顯示距離，同時蜂鳴器報警。

圖5 可視化倒車工作流程Fig.5 Flow chart of visualized backing off

4.1 驅動程序設計

設計中集成了LED驅動模塊、蜂鳴器驅動模塊、超聲波驅動模塊。在此，以超聲波模塊的設計為例，給出其驅動程序的設計流程?；谇度胧较到y的應用程序開發，如圖2所示，應用程序不能直接訪問硬件，故設計了驅動程序，以此作為中間橋梁，給應用層提供訪問硬件的接口，通過驅動程序來對系統內核訪問硬件寄存器從而達到控制硬件的效果。

4.2 超聲波模塊驅動程序設計

超聲波模塊驅動程序的編寫以及設計使用混在設備驅動模型，大致流程如下：

1）定義文件操作集file_operations和混雜設備miscdevice，將文件操作集放到混雜設備中。

3）編寫文件操作集file_operations里面各個函數指針所指的具體函數如 read，write，ioctl，等，即為系統調用接口函數。

4.3 攝像頭模塊驅動程序設計

同樣地，由于Linux系統集成了攝像頭的驅動，應用程序只要通過系統調用函數打開攝像頭設備，即可訪問攝像頭采集的圖像數據。Linux內核中采用V4L2的機制來管理攝像頭圖像信息。V4L2的運行原理如圖6所示，通過完成1個隊列來存儲攝像頭采集到的視頻數據，申請3個或者3個以上內核數據緩存，并將它們依次插入到隊列中，然后將緩存區通過系統調用函數mmap將緩存映射到用戶空間，這樣就可以采集圖像數據并進行操作或顯示，攝像頭每采集1幀數據就做1個出隊操作，讀取數據后再入隊，如此循環往復[10]。

圖6 攝像頭的V4L2的運行原理Fig.6 Operation principle of V4L2 of camera

5 實時顯示天氣預報

天氣查詢Api是一個HTTP接口的簡單應用，根據請求輸入的報文頭信息，查詢當前/未來的天氣狀況，服務器會返回Json數據，在程序中對其進行解析出天氣數據，從而應用自己編寫的程序中，獲得的實際效果如圖7所示。天氣預報模塊的工作流程如圖8所示。

1）購買天氣預報查詢接口Api，在此為阿里云全國天氣預報查詢（免費版）Api；

2）應用Qt中的QNetwork類實現http獲取實時天氣預報；

3）發送請求，請求方式為GET；

netrequest->setUrl （QUrl（"http：//jisutqybmf.market.alicloudapi.com/weather/query?city="+city））；

netrequest->setHeader （QNetworkRequest：：UserAgentHeader，"RT-Thread ART"）；

httpManager->get（*netrequest）；

4）返回類型為Json數據，并對Json數據進行解析。

圖7 天氣預報的實際效果Fig.7 Visual effect of weather forecast program

圖8 網絡實時獲取天氣預報工作流程Fig.8 Flow chart of obtaining weather forecasts in real-time from the web

6 結語

所設計的基于嵌入式Linux系統的車載終端控制系統，自動掃描U盤中MP3文件進行音頻播放，可控制LED燈和蜂鳴器，可通過http協議訪問實時天氣預報，利用攝像頭和超聲波模塊實現可視倒車及倒車距離報警等功能，實現了集娛樂、安全、網絡為一體的智能車載多媒體終端控制系統。