0 引言

    汽車儀表是汽車與駕駛員進(jìn)行信息交流的窗口，也是汽車電子技術(shù)的重要內(nèi)容。隨著現(xiàn)代汽車所使用車載電器不斷增多，如車載多媒體、行車記錄儀、空調(diào)和導(dǎo)航等，汽車駕駛環(huán)境在日益改善的同時(shí)，顯示的信息量也急劇增加。目前，多數(shù)汽車廠商采用在中控臺(tái)安置兩個(gè)顯示屏的方案解決信息顯示問題，即“儀表盤+中控彩色大屏”。行車時(shí)，該方案容易導(dǎo)致駕駛員頻繁轉(zhuǎn)移視線，造成注意力不集中，留下安全隱患。此外，傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表盤存在部件磨損后誤差等級(jí)大、儀表樣式單一的缺點(diǎn)，而以液晶屏作為顯示終端的虛擬儀表則存在液晶屏壽命較短的缺陷。

    針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于數(shù)字光處理(Digital Light Procession，DLP)^[1]投影技術(shù)的車載集成前屏方案，將汽車行駛、行車記錄儀視頻和多媒體播放等功能集中起來，應(yīng)用DLP投影技術(shù)將畫面投射到方向盤前的反射屏上，并采用界面分隔的設(shè)計(jì)方法在一幀屏幕上同時(shí)顯示不同信息畫面,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)樣機(jī)的研制及模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字化儀表響應(yīng)靈敏、畫面美觀，各功能模塊之間通過按鍵切換，交互便利。集成的顯示方法避免了駕駛員在兩個(gè)顯示屏中轉(zhuǎn)移視線，駕駛環(huán)境更為舒適，提高了行車安全性。

1 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案

    汽車集成顯示系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為滿足系統(tǒng)快速處理數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)性的要求，選用Samsung公司的32位RISC微處理器S5PV210作為系統(tǒng)控制核心，內(nèi)置高清晰多媒體接口線(High-Definition Multimedia Interface，HDMI)模塊，可通過HDMI接口連接DLP投影儀進(jìn)行投影顯示。外圍電路包括：存儲(chǔ)單元256 MB DDR RAM和1 GB NAND Flash、RS-232口、CAN總線口等擴(kuò)展通信接口。投影儀選用COOLUX X3S型DLP投影儀。

    系統(tǒng)功能為：采集模塊采集各類車載信號(hào)，兩個(gè)攝像頭分別采集前、后兩個(gè)行車視頻圖像信號(hào)，處理器根據(jù)獲得的信號(hào)調(diào)整信息顯示畫面，通過HDMI接口將畫面輸送到DLP投影儀并投射在反射屏上，駕駛員通過觀察反射屏的圖像即可獲取所需信息，并通過人機(jī)交互按鍵實(shí)現(xiàn)菜單操作，可方便地調(diào)整和切換顯示畫面。集成顯示畫面包括汽車行駛信息、行車記錄儀、電子地圖和多媒體播放4個(gè)子功能模塊。

2 基于DLP技術(shù)的投影顯示方案

    DLP技術(shù)是指通過數(shù)字微鏡器件(Digital Micromirror Device，DMD)芯片將光強(qiáng)數(shù)字化以完成信息顯示的技術(shù)。DLP投影系統(tǒng)由光源、色輪、數(shù)字信號(hào)處理器、光學(xué)器件和DMD芯片組成。其投影原理為：當(dāng)光源的光線經(jīng)過聚透鏡和色輪后，被分解為R、G、B三原色投射到DMD芯片上，光線再經(jīng)過DMD鏡片的反射后由投影鏡頭投影成像。

    本文通過HDMI接口將車載集成系統(tǒng)與DLP投影儀連接，HDMI協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示，HDMI接口包含：3個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)的最小化傳輸差分信號(hào)(Transition Minimized Differential Signaling，TMDS)通道；1個(gè)獨(dú)立的同步時(shí)序TMDS通道，以保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所需的統(tǒng)一時(shí)序；顯示數(shù)據(jù)通道(Display Data Channel，DDC)，用于HDMI輸出端向接收端發(fā)送配置信息或讀取接收端的顯示屬性信息。

    車載終端與投影儀的連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。處理器S5PV210內(nèi)部的視頻編碼器產(chǎn)生非標(biāo)準(zhǔn)流速視頻流，經(jīng)過雙時(shí)鐘FIFO緩沖器將其調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)流速視頻流，下一級(jí)的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換器將視頻流轉(zhuǎn)換為DLP投影儀可處理的24 bit RGB彩色圖像，最后經(jīng)視頻信號(hào)同步發(fā)生器處理，把標(biāo)準(zhǔn)視頻流發(fā)送給HDMI發(fā)送器，由HDMI接收器接收后輸入給DLPC300 DMD控制器，DMD鏡片將圖像反射后由投影鏡頭投影成像。

    為了使終端能夠滿足不同顯示分辨率系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)配置文件hdmi.conf并加入到根文件系統(tǒng)/etc目錄下。系統(tǒng)啟動(dòng)后，后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程hdmi-service首先讀取投影儀接口分辨率參數(shù)并寫入到配置文件hdmi.conf中，隨后hdmi-service進(jìn)程將hdmi.conf中的分辨率配置數(shù)據(jù)通過DDC通道發(fā)送到HDMI接收器的EDID ROM中，投影儀系統(tǒng)根據(jù)該數(shù)據(jù)變更顯示分辨率。用戶如要更改顯示分辨率，只需修改配置文件hdmi.conf即可完成。

    本設(shè)計(jì)將DLP微型投影儀安裝在汽車方向盤轉(zhuǎn)向軸上，將圖像投影到方向盤前的反射屏上，如圖4所示。圖4中，標(biāo)號(hào)1表示DLP微型投影儀，標(biāo)號(hào)2表示反射屏。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)環(huán)境構(gòu)建與系統(tǒng)軟件移植

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括開發(fā)環(huán)境構(gòu)建[2]、系統(tǒng)軟件移植和應(yīng)用程序開發(fā)三部分。本文采用的開發(fā)環(huán)境為VMware Workstation虛擬機(jī)和Red Hat Linux5操作系統(tǒng)，在虛擬機(jī)中安裝交叉編譯工具鏈ARM-Linux-gcc4.4.3，用于完成嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、busybox、QT/E4.6.3和車載終端應(yīng)用程序的編譯；安裝QT/E4.6.3^[3]庫(kù)以支持應(yīng)用程序的開發(fā)；設(shè)計(jì)AD驅(qū)動(dòng)jd_adc.c、人機(jī)交互按鍵驅(qū)動(dòng)jd_buttons.c和HDMI驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)并加入到Linux2.6.38內(nèi)核源碼樹中，配置編譯內(nèi)核；設(shè)計(jì)根文件系統(tǒng)并在其中加入inittab、rcS和hdmi.conf等配置文件以及glibc庫(kù)、QT庫(kù)等動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)構(gòu)建車載終端應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

    車載終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要解決信號(hào)采集、圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)實(shí)時(shí)顯示和信號(hào)與GUI實(shí)時(shí)通信3個(gè)關(guān)鍵問題。其中信號(hào)采集包括車載傳感器信號(hào)采集與攝像頭圖像信號(hào)采集。

3.2.1 車載信號(hào)的采集

    車載傳感器信號(hào)主要采集車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油量、冷卻液溫度、車燈信號(hào)和車身報(bào)警信號(hào)等，一般為數(shù)字脈沖信號(hào)、模擬電壓信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)，分別引入S5PV210的tclk0(輸入頻率在0～720 Hz）和tclk1(輸入頻率在0～8 kHz)兩個(gè)引腳；模擬電壓信號(hào)引入S5PV210的AD輸入引腳adcAIN[0]和adcAIN[1]，兩個(gè)AD輸入引腳電壓范圍在0～3.3 V；車燈信號(hào)接S5PV210的外部I/O引腳GPH1[4:7]，車身報(bào)警信號(hào)接中斷引腳EINT[0:3]。由于采集的信號(hào)多且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，為提高程序運(yùn)行效率，采集模塊設(shè)計(jì)采用多線程方法，分別設(shè)計(jì)車速speedThread、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速rotateThread、燃油量oilThread、冷卻液溫度watertempThread等信號(hào)采集子線程。系統(tǒng)工作時(shí)，各個(gè)子線程循環(huán)采集傳感器傳來的信號(hào)。

    在信號(hào)采集線程中，為了保證實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)while(1)循環(huán)持續(xù)讀取信號(hào)值。由usleep函數(shù)控制采集頻率，其功能是將線程掛起一段時(shí)間。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，usleep函數(shù)頻率設(shè)為10 Hz為佳，即把掛起時(shí)間設(shè)定為0.1 s。

    以車速信號(hào)的采集為例，部分代碼如下：

    void Thread::readSpeed()

    {int fd;

      char buffer[BUF_SIZE];

      fd = open(“/dev/ashspeed”,0);//打開車速設(shè)備文件

    while(1){

    …

      value = atoi(buffer);//獲取當(dāng)前速度值

      emit speedChanged（value）;

      //將當(dāng)前速度值傳遞給時(shí)速表刷新函數(shù)

    usleep(100000);//線程掛起0.1 s

    }

3.2.2 視頻信號(hào)的采集

    本系統(tǒng)在車頭和車尾各安裝一個(gè)攝像頭，能同時(shí)記錄汽車前后的行車視頻圖像。本文設(shè)計(jì)行車記錄儀模塊為雙攝像頭圖像采集方案，通過界面分隔的方法使雙攝像頭采集的視頻能夠同時(shí)在一屏顯示圖像畫面。

    系統(tǒng)的視頻采集設(shè)備選用中星微ZC301攝像頭和泰科姆2C8型CMOS攝像頭，分別對(duì)應(yīng)/dev目錄下的video0和video1設(shè)備文件。設(shè)計(jì)視頻采集程序時(shí)，基于LinuxV4l2驅(qū)動(dòng)程序框架^[4]，視頻圖像采集通過調(diào)用v4l2_read、v4l2_ioctl和v4l2_mmap等函數(shù)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行界面分隔顯示時(shí)，通過向屏幕緩沖區(qū)中寫入前后攝像頭所采集的圖像信息以進(jìn)行屏幕繪圖，實(shí)現(xiàn)在同一屏中同時(shí)顯示不同畫面的效果。視頻信號(hào)的采集流程如圖5所示。

3.2.3 多道程序并發(fā)控制

    多道程序并行性提高了系統(tǒng)資源的利用率和實(shí)時(shí)性能，但也相應(yīng)產(chǎn)生了一些問題。在行車記錄儀模塊中，事件輪詢代碼塊在執(zhí)行時(shí)需要一次性完成，不允許被其它線程打斷，因此必須加入并發(fā)控制機(jī)制。

    本系統(tǒng)在并發(fā)控制處理中采用了互斥鎖機(jī)制，在需要保護(hù)的代碼塊執(zhí)行前進(jìn)行上鎖操作，代碼塊執(zhí)行后進(jìn)行解鎖操作，保證代碼塊執(zhí)行時(shí)不被打斷。部分代碼如下：

    LockMutex(affmutex)；//上鎖    

    while (PollEvent(event))

    {switch(event->type)

     { ……

     }

    }//被保護(hù)的代碼塊

    UnlockMutex(affmutex)；//解鎖

3.2.4 信號(hào)與GUI界面通信

    程序運(yùn)行時(shí)，GUI界面模塊需要對(duì)各采集信號(hào)作出實(shí)時(shí)響應(yīng)。本系統(tǒng)各子線程的采集信號(hào)與界面模塊的通信使用信號(hào)(signal)-槽(slot)機(jī)制^[5]實(shí)現(xiàn)，采集線程與界面刷新函數(shù)連接方法是：各子線程采集傳感器信號(hào)作為signal信號(hào)源，界面刷新函數(shù)作為slot槽函數(shù)。各采集子線程每隔一段時(shí)間將當(dāng)前采集的信號(hào)值發(fā)送到主線程的界面刷新函數(shù)，完成界面的更新。以時(shí)速表為例，信號(hào)-槽的連接代碼如下：

    connect(&speedThread,SIGNAL(speedChanged(int)),this,SLOT(updateSpeed(int)));

3.2.5 GUI界面的設(shè)計(jì)

    數(shù)字儀表盤模塊顯示汽車行駛中的各類關(guān)鍵信息，可實(shí)現(xiàn)時(shí)速表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、燃油表、水溫表和車燈、報(bào)警信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示。程序設(shè)計(jì)時(shí)需解決靜態(tài)儀表繪圖和界面實(shí)時(shí)刷新兩個(gè)關(guān)鍵問題。

    考慮到駕駛員的審美習(xí)慣，設(shè)計(jì)的儀表盤沿用了傳統(tǒng)的指針式儀表盤^[6]。使用drawRect()、drawEllipse()、drawText()等函數(shù)完成靜態(tài)儀表繪圖。為了使繪圖更加美觀、更具立體感，在渲染時(shí)加入了漸變效果,時(shí)速表渲染前后對(duì)比如圖6所示。

    界面的實(shí)時(shí)刷新主要體現(xiàn)在儀表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)，首先根據(jù)傳感器采集的速度信號(hào)確定指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度，利用信號(hào)-槽機(jī)制將角度信息傳遞到刷新函數(shù)update()中。在update()函數(shù)中，應(yīng)用rotate()函數(shù)旋轉(zhuǎn)邏輯坐標(biāo)系，用drawConvexPolygon()函數(shù)完成指針的繪制^[7]。

    數(shù)字儀表盤模塊的啟動(dòng)流程如圖7所示。

    系統(tǒng)采用EEPROM芯片AT24C08完成行駛里程等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，通過I²C總線完成對(duì)芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的修改。汽車行駛時(shí)，里程數(shù)據(jù)需要不斷更新，增加的里程數(shù)據(jù)ΔS（單位：km）與車速（單位：km/h）的關(guān)系為：

其中，v(i)為某次采集的速度值，采集間隔為10 ms。

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的車載集成顯示終端將汽車儀表、電子地圖、多媒體播放和行車記錄等功能集成在一起，通過DLP投影技術(shù)將信息集中顯示在反射屏上，極大地節(jié)省了車內(nèi)空間，方便駕駛員獲取信息，提高了行車安全性。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

    測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)畫面顯示穩(wěn)定，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，動(dòng)畫效果較好，界面切換迅速。此外，本系統(tǒng)提供多種通信接口，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡堅(jiān).DLP和LCD投影機(jī)對(duì)比分析[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(2)：140-142.

[2] 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2011：240-360.

[3] 閆鋒欣，曾泉人.C++ GUI Qt4編程(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：138-268.

[4] 奚海蛟，呂鐵軍.嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序?qū)崙?zhàn)開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：1-91.

[5] 王潤(rùn)民.基于嵌入式Linux的車載終端系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

[6] 曹成昆，何彬.混合動(dòng)力汽車真彩液晶數(shù)字儀表軟件設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(7)：1081-1084.

[7] 陳新.電動(dòng)汽車液晶數(shù)字儀表的設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2013，35(3)：272-276.