《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于時間觸發(fā)模式的汽車防盜方案
摘要: 1.引言目前防盜器市場的主流產(chǎn)品是電子式防盜器,分為單向防盜器和雙向防盜器,這兩種防盜器都是車主通過遙控器來控制汽車,雙向防盜器可以把車輛的真實狀況反饋給車主。GPS汽車防盜器依托全球定位系統(tǒng),
Abstract:
Key words :

  1.引言

  目前防盜器市場的主流產(chǎn)品是電子式防盜器,分為單向防盜器和雙向防盜器,這兩種防盜器都是車主通過遙控器來控制汽車,雙向防盜器可以把車輛的真實狀況反饋給車主。

  GPS 汽車防盜器依托全球定位系統(tǒng),它將報警信息和報警車輛所在位置無聲地傳送到報警中心。由于車主不能直接控制車輛,價格和使用費用較高,使其推廣應(yīng)用受到很大限制,目前還沒有普遍使用。GSM 汽車雙向防盜器是網(wǎng)絡(luò)式防盜器的后起之秀,它依托全球GSM網(wǎng)絡(luò),車主可直接通過手機接受報警和控制車輛,性能價格比較好,它代表著汽車防盜器的發(fā)展趨勢,自推出以來收到客戶的青睞。

  本文提出的汽車嵌入式車載防盜系統(tǒng)屬于GSM 防盜系統(tǒng),沒有采用昂貴的GPS 模塊,CPU 采用了C51 單片機,市場價格低廉,經(jīng)過多年工業(yè)應(yīng)用,穩(wěn)定可靠,具有很高的性價比。

  2.時間觸發(fā)模式

  電子控制系統(tǒng)一般都是實時系統(tǒng),常需要處理許多并發(fā)事件的輸入數(shù)據(jù)。這些事件的到來次序和幾率通常都是不可預(yù)測的,而且還要求系統(tǒng)必須在事先設(shè)定好的時限內(nèi)作出響應(yīng)。

  對于如何控制系統(tǒng)的復(fù)雜行為,普遍采用的是事件觸發(fā)方案,即系統(tǒng)的所有行為響應(yīng)外部事件而執(zhí)行。然而,中斷丟失與事件觸發(fā)系統(tǒng)的開銷是人們經(jīng)常忽略的問題。為了滿足安全,低成本及程序盡可能簡單等苛刻要求,電子控制系統(tǒng)的開發(fā)最終走向事件觸發(fā)結(jié)構(gòu)。事件觸發(fā)意味著所有的采樣輸入,計算輸出結(jié)果等相關(guān)的動作在預(yù)定的時間前執(zhí)行,因而能保證準(zhǔn)確的調(diào)度時間。

  時間觸發(fā)模式是一種利用MCU 的硬件定時器產(chǎn)生的時標(biāo)信號對多任務(wù)進行調(diào)度的嵌入式軟件模式,它可以應(yīng)用于8 位51 系列單片機上。時間觸發(fā)模式可以將控制精度控制在毫秒級,很適合于實時控制系統(tǒng)。在時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)中,設(shè)計人員能夠通過仔細安排可控的順序,保證一次只處理一個事件。除了能夠提高可靠性之外,時間觸發(fā)模式中對于存儲器及CPU 資源的占用很少,即使在小型嵌入式系統(tǒng)中采用這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu),也能從中獲益。

  時間觸發(fā)合作式調(diào)度器通常通過一個定時器硬件定時器來實現(xiàn),多有的任務(wù)都是時間觸發(fā)的,這也意味著出了定時器中斷以外,沒有其他形式的中斷。硬件定時器將被設(shè)置為產(chǎn)生一個周期中斷信號,這個周期中斷信號頻率可以到1KMz。

  時間觸發(fā)合作調(diào)度器的主要功能就是喚醒預(yù)先確定好時間執(zhí)行的任務(wù)。在工作期間,調(diào)度器檢查靜態(tài)的任務(wù)鏈表,根據(jù)任務(wù)的周期判斷是否有任務(wù)需要執(zhí)行。如果有則立即執(zhí)行任務(wù);任務(wù)執(zhí)行完后繼續(xù)檢查任務(wù)鏈表,重復(fù)上一個過程。完成鏈表檢查后,CPU 可以進入休眠狀態(tài),等待下一個時鐘節(jié)拍的到來。其任務(wù)調(diào)度機制如圖1 所示。由于合作式調(diào)度器能保證在同一時刻,系統(tǒng)中只有一個任務(wù)被觸發(fā),而且在任何時刻系統(tǒng)中都可以保證有任務(wù)在執(zhí)行。這樣,系統(tǒng)的使用效率得到了提高。

時間觸發(fā)合作調(diào)度器任務(wù)調(diào)度圖

  合作式調(diào)度器可靠且可預(yù)測的主要原因式在任何時刻只有一個任務(wù)是活動的,這個任務(wù)運行直到完成,然后把CPU 的控制權(quán)交給調(diào)度器。如果采用搶占式調(diào)度,有多個活動任務(wù)執(zhí)行“上下文切換”和“關(guān)鍵段保護”等將增加系統(tǒng)的開銷。許多研究表明,相對于搶占式調(diào)度器,合作式調(diào)度器具有很多優(yōu)點。

  3.系統(tǒng)概述

  3.1 系統(tǒng)功能分析和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

  經(jīng)過需求分析,我們定義了系統(tǒng)應(yīng)該實現(xiàn)的功能如下:

  1)系統(tǒng)將監(jiān)視汽車發(fā)動機的狀態(tài);

  2)系統(tǒng)可以接受手機用戶的設(shè)置,并設(shè)置手機號碼;

  3)如果系統(tǒng)報警開啟,汽車啟動時,將通過無線模塊給指定的手機用戶報警;

  4)系統(tǒng)接受手機用戶的控制短信,對汽車進行斷油,斷電處理;

  5)系統(tǒng)接受手機用戶的查詢短信,可以報告汽車的位置,在市區(qū)可以精確到無線小區(qū);

  6)系統(tǒng)將采取確定的措施以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

  以上的各項目標(biāo)功能同時也是衡量系統(tǒng)設(shè)計的指標(biāo)。在以后面的設(shè)計中,我們將利用有限狀態(tài)機等工具將各項功能進行進一步細化,直到完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

  基于對系統(tǒng)工作流程的分析,進一步我們可以設(shè)計出系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(圖2),從上面我們可以清晰的看到系統(tǒng)的工作流程。

3.2 系統(tǒng)模塊構(gòu)成

  嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中常用模塊化設(shè)計方法,以降低開發(fā)難度,減少各個部分之間的耦合度,增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖所示,整個系統(tǒng)主要由CPU,傳感器,RS232 接口以及GSM 模塊構(gòu)成。其中CPU 是系統(tǒng)的核心控制部分,負責(zé)接受各模塊信號,進行處理,并控制其它模塊;傳感器探測汽車被啟動;GPRS 模塊用來收發(fā)短信,向車主手機通過RS232 接口與CPU進行通信;電子開關(guān)電路用于控制汽車電路系統(tǒng),能夠達到對汽車斷油,斷電的目的。

3.3 系統(tǒng)硬件部分

 

  1)采用了Atmel 公司生產(chǎn)的AT89S52 單片機作為處理核心,該處理器有32 個I/O 口,3 個Timer,最多支持8 個中斷。因為 256B 的片上RAM 資源不夠,所以系統(tǒng)使用了擴展的64KRAM,此外AT89S52 的8K 片上flash 對于該系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠。該處理器可以支持不同的功耗模式,適用于對于成本和功耗敏感的場合。

  CPU 外接型號為AT24C01 的 EEPROM 作為數(shù)據(jù)存儲器,用來存放車主電話號碼等信息。AT24C 系列串行E2PROM 具有I2C 總線接口功能,功耗小,寬電源電壓(根據(jù)不同型號2.5V~6.0V),工作電流約為3mA,靜態(tài)電流隨電源電壓不同為30μA~110μA。系統(tǒng)中使用了P2 口模擬I2C 總線與E2PROM 連接,這樣的方式相比硬件實現(xiàn)I2C 協(xié)議可以簡化電路,降低成本。

  AT89S52 芯片中提供了內(nèi)置看門狗,在一定的時間周期內(nèi),我們必須對看門狗的寄存器進行設(shè)置,如果沒能及時設(shè)置,看門狗將使系統(tǒng)復(fù)位。

  2)每臺終端在使用前需要進行初始化設(shè)置。該設(shè)置是通過串口來完成的,通過復(fù)用與GPS 連接的串口來實現(xiàn)終端設(shè)備的初始化。需要定義好其通信協(xié)議和需要配置的具體內(nèi)容。

  3)該終端安裝在汽車比較隱蔽的地方,采用汽車電源供電的方式。該終端的主要功能是負責(zé) GPS 信號的接收處理、告警數(shù)據(jù)的上報、中心控制命令的接收、處理及命令的執(zhí)行等工作。

  4)GPRS 模塊采用法國 WAVECOM 公司Q2406B ,上傳速率可達 2618 kbit s/s ,下載速率可達5316 kbit s/s。GPS 模塊有以下兩種選擇:

  a)直接選擇串口連接方式的 GPRS MODEM。

  b)選擇內(nèi)置的GPRS 模塊外加天線的設(shè)計方法。

  采用第一種方法可以降低開發(fā)和維護的難度,而且安裝方便,但是成本比較高。第二種方法需要在硬件上設(shè)計相關(guān)的電路,開發(fā)難度較大,不過可以降低成本。

  5)車輪速度傳感器也叫輪速傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器,它可以測出車輪與驅(qū)動軸共同旋轉(zhuǎn)的齒圈數(shù),然后產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)速成正比的交流信號。車輪速度傳感器信號通過ADC 電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給CPU 進行判讀。

  3.4 任務(wù)的設(shè)計

  通過對圖2以及系統(tǒng)功能的分析我們將系統(tǒng)軟件劃分為多個任務(wù),任務(wù)的名稱,任務(wù)周期以及執(zhí)行時間等信息如表1所列。

  在表列出的各項任務(wù)中,Task1 每1ms 對buffer 進行查詢,如果有需要收發(fā)的信息,馬上通過串口收發(fā)。串口收到的string 流存放到緩沖區(qū)中,交給Task2 進行處理。Task2 周期為1s,負責(zé)PUD 短信的編解碼,對命令的識別和控制信號的發(fā)送,它是系統(tǒng)中最耗費資源的任務(wù)。Task3 每隔10s 執(zhí)行一次,它對車速傳感器采集的信號進行判別,如果需要告警,則將消息發(fā)送給Task2 進行處理。Task4 每48ms 檢測一次消息,完成對汽車控制信號的發(fā)送。Task5 在小于16383 個CPU 機器周期內(nèi)(這里以12ms 為周期),對看門狗進行置位,保證系統(tǒng)的正常運行。

  根據(jù)合作式調(diào)度器的原理與各任務(wù)的周期,設(shè)置定時器每1 ms 產(chǎn)生一個周期中斷信號。因為有多個任務(wù)的執(zhí)行時間超過1 ms ,Task1 無法按規(guī)定的頻率執(zhí)行。因此采用直接將Task1 包含進定時器中斷服務(wù)子程序的方法,從而使所有任務(wù)的周期及執(zhí)行時間均能滿足系統(tǒng)任務(wù)可調(diào)度的要求。

  在工程中采用事件觸發(fā)模式很大程度上會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,導(dǎo)致龐大的代碼結(jié)構(gòu)。這樣的代碼長度及復(fù)雜性不適合普通開發(fā)人員構(gòu)建,而商業(yè)實時操作系統(tǒng)往往價格昂貴,并且需要很大的操作系統(tǒng)開銷。采用基于時間觸發(fā)模式開發(fā)系統(tǒng)可以滿足實時、簡單、可預(yù)測性等工程要求。在應(yīng)用實例中也可以看到,對于任務(wù)周期與執(zhí)行時間相差懸殊的任務(wù),為滿足可調(diào)度性的要求,將需頻繁執(zhí)行的短任務(wù)加入定時器中斷服務(wù)子程序的方法延長了中斷處理的時間,同時削弱了系統(tǒng)實時響應(yīng)能力及可預(yù)測能力。此外,也可以通過將執(zhí)行時間長的任務(wù)分解成幾個執(zhí)行時間短的任務(wù)來滿足任務(wù)可調(diào)度性。相對于事件觸發(fā)模式,時間觸發(fā)模式對工程技術(shù)人員的要求更高。

  4.結(jié)語

  通過軟硬件的設(shè)計,汽車防盜系統(tǒng)實現(xiàn)了對汽車的實時監(jiān)控和報警,并能實現(xiàn)硬件硬件防盜功能。汽車電子中嵌入式系統(tǒng)得到了大量運用,如何整合汽車的原有資源,設(shè)計出強大而且實用的應(yīng)用,將是未來汽車嵌入式開發(fā)的目標(biāo)。

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