摘 要： 以S3C2440為核心，以WinCE操作系統(tǒng)作為平臺，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的車載感知硬件電路，運(yùn)用微慣性測量單元實(shí)現(xiàn)對汽車自身運(yùn)動狀態(tài)的在線測量，并實(shí)現(xiàn)信息在智能終端的顯示。融合當(dāng)前流行的智能車載終端模塊，實(shí)現(xiàn)GPS車載導(dǎo)航、GPRS無線通信、無線上網(wǎng)和智能報(bào)警等功能。
關(guān)鍵詞： 車載感知；控制器局域網(wǎng)；微慣性測量單元；GPS；GPRS
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，在一些高檔汽車上已經(jīng)作為必要部件。但是國內(nèi)車載終端的開發(fā)還處于實(shí)驗(yàn)性階段，相對滯后，目前還沒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)對分布式車載傳感器信息的采集以及與終端的通信，通過終端對數(shù)據(jù)的分析處理可以對潛在危險(xiǎn)發(fā)出報(bào)警信號，并在屏幕上顯示報(bào)警信息，可以對駕駛員起到預(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定時器、看門狗、片上PLL時鐘發(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)時時鐘，并且S3C2440最高頻率可達(dá)400 MHz，且功耗只有mW級。
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)星信號漂移小，通過天線接收來自GPS衛(wèi)星的定位信號，經(jīng)過變頻、放大、濾波等一系列處理過程，實(shí)現(xiàn)對GPS衛(wèi)星信號的跟蹤、鎖定、測量，產(chǎn)生計(jì)算位置的數(shù)據(jù)信息。該模塊通過串行口RS232與 S3C2410 進(jìn)行通信。
1.3 GPRS模塊
GPRS 無線通信模塊采用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之間通過串行口2進(jìn)行通信，通過在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)對總線的差動發(fā)送和對CAN控制器的差動接收，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個節(jié)點(diǎn)，即使某個節(jié)點(diǎn)掉電也不會影響總線。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態(tài)范圍；同時，具有標(biāo)準(zhǔn)SPITM、QSPITM、MI-CROWWIRETM，接口提供轉(zhuǎn)換所需的時鐘信號，可以方便地與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號處理器（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。視頻數(shù)據(jù)采用DMA方式，通過LCD數(shù)據(jù)總線vD[23：0]傳送?？刂菩盘栔饕写怪蓖叫盘杤SYNC、線結(jié)束信號LEND、水平同步信號HSYNC、像數(shù)時鐘信號vCLK和數(shù)據(jù)使能信號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，特別適合在汽車上使用[4]。所用的微慣性測量單元MIMU由2個ADXL203型雙向微加速度計(jì)和3個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個角速度陀螺安裝在3個正交平面上，它們敏感軸相互垂直，組成測量體的三維坐標(biāo)系。2個雙向加速度計(jì)安裝在另外兩個面上，為了保證加速度計(jì)的敏感軸也組成三維測量坐標(biāo)系，要求測量垂向加速度的兩個敏感軸相互平行，剩下的一個底面作為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作和車身運(yùn)動狀態(tài)感知為核心內(nèi)容的汽車分布式感知技術(shù)研究及其平臺開發(fā)，設(shè)計(jì)駕駛員手與腳對車輛操控行為的感知模塊、車身運(yùn)動感知模塊。通過建立復(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)識別得到可靠的駕駛員對汽車動力學(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
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)。
2.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
模塊間的通信主要是通過串口進(jìn)行的，因此本設(shè)計(jì)給出了主要的在WinCE下對串口操作的概要描述。
?。?）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COM1后的冒號是必需的，它用于區(qū)別在Windows NT或Windows 98中對設(shè)備驅(qū)動程序的命名規(guī)則。
?。?）配置串行口
串行口的配置是用改變DCB結(jié)構(gòu)配置來實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用程序可以通過函數(shù)GetCommState獲得缺省配置，并用函數(shù)SetCommState來進(jìn)行新的配置[6]。配置串行口程序?yàn)椋?br />
DCB GPSDCB；
GPSDCB.DCBlength=sizeof （DCB）；
//初始化DCB結(jié)構(gòu)長度
GetCommState（hPort，&GPSDCB）； //讀取端口默認(rèn)狀態(tài)
GPSDCB.Baudrate=9600； //設(shè)置波特率
GPSDCB.fParity=FALSH； //設(shè)置為無奇偶校驗(yàn)
GPSDCB.ByteSize=8； //設(shè)置數(shù)據(jù)位
GPSDCB.StopBits=ONESTOPBIT； //設(shè)置停止位
……
SetCommState （hPort，&GPSDCB）； //配置函數(shù)
if （! SetCommState （hPort，&GPSDCB））
{
MessageBox（hMainWnd，TEXT （“Unable to configure the serial port”），
TEXT （“Error”），MB_OK）；
dWError=GetLastError （?。?br />
return FALSE；
hPort=CreatFile
} //如果不能創(chuàng)建線程，返回錯誤標(biāo)志信息
?。?）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)，這樣線程將會被阻塞，從而不能管理消息隊(duì)列。應(yīng)用程序可以通過創(chuàng)建多個線程處理讀/寫操作來模擬重疊I/O。為了協(xié)調(diào)多個線程，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。
?。?）關(guān)閉串行口
關(guān)閉串行口程序如下：
void ComPortClose （ ）
{
if （hPort !=INVALID_HANDLE_VALUE）
{CloseHandle （hPort） ；
hPort=
INVALID_HANDLE_VALUE；}
}
本文基于嵌入式ARM平臺，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)動狀態(tài)監(jiān)測系統(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。
參考文獻(xiàn)
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[4] VERMA R， GOGOI B P， MLADENOVIC D. MEMS Pressure and Acceleration Sensors for Automotive Application [C]. SAE 2003 World Congress & Exhibition，2003-01-0204.
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