多功能嵌入式車輛行駛監(jiān)控終端設(shè)計

摘要 介紹基于LPC2292和μClinux系統(tǒng)的多功能嵌入式車輛行駛監(jiān)控終端的結(jié)構(gòu)和功能模塊的設(shè)計；對系統(tǒng)設(shè)計的硬件和軟件部分進(jìn)行詳細(xì)的分析，并就嵌入式系統(tǒng)中的驅(qū)動程序的建立進(jìn)行詳細(xì)討論。監(jiān)控終端可以對車輛各種性能參數(shù)進(jìn)行全方位監(jiān)控，并將總線接口作為車輛在途維護(hù)與診斷工具；結(jié)合無線通信模塊可以建立遠(yuǎn)程車輛的全方位監(jiān)控系統(tǒng)，提高車輛管理水平。
關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng) 車輛監(jiān)控CAN驅(qū)動程序 CTM8251 TJA1020

1 終端功能
    本監(jiān)控終端除了具有傳統(tǒng)的記錄儀所擁有的事故分析功能外，還能在汽車駕駛員超速行駛時發(fā)出超速報警聲，以提醒駕駛員減速行駛，并詳細(xì)記錄車輛每次的開車時間、行駛里程、行駛時間、最高車速，以及每次最高車速的持續(xù)時間，方便交通管理部門根據(jù)所記錄的有關(guān)數(shù)據(jù)對車輛進(jìn)行有效的管理；同時，該設(shè)備可實現(xiàn)多種信息處理，顯示汽車狀況，進(jìn)行自我診斷，對車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、剎車氣壓、輪胎壓力和蓄電池電壓等一系列參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控；通過控制發(fā)光二極管、液晶顯示、蜂鳴器等報警手段，為司乘人員提供直接的汽車狀況信息并發(fā)出各種超限情況的報警等，可有效防范和化解車輛事故的發(fā)生。另外，終端具有GPRS和GPS模塊，可將各種監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳至公司管理中心，方便了公司車輛的統(tǒng)一調(diào)度和行車監(jiān)測，利于提高公司管理水平。

2 終端功能模塊設(shè)計
    選用帶有ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2292微控制器，可實現(xiàn)對車速、轉(zhuǎn)速信號、開關(guān)量信號以及水溫、剎車氣壓、輪胎壓力等模擬量信號的采集、處理以及數(shù)據(jù)的實時存儲和顯示，通過串口、USB接口可以實現(xiàn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，通過 CAN和LIN總線接口可實現(xiàn)與汽車上的CAN或LIN節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)的外圍接口模塊有電源模塊、車速等脈沖信號采集模塊、水溫等模擬信號采集模塊、鍵盤接口模塊、存儲器模塊、GPS定位模塊、GPRS通信模塊、LCD顯示模塊、胎壓監(jiān)測以及通信接口模塊，系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。限于篇幅，本文僅就若干特色功能模塊設(shè)計作詳細(xì)分析。

2．1 車速、轉(zhuǎn)速信號采集電路設(shè)計
    現(xiàn)有運輸車輛一般都裝有霍爾式集成傳感器，車速轉(zhuǎn)換成的電壓信號直接送至車速表，信號采集比較方便，具體處理方法是直接從車速表的接線端子取得車速信號。具體接線方式根據(jù)車速表信號輸出電路來確定。信號出車速表端子后送至光耦4N35高速隔離開關(guān)，再送至集成運放LM358D前置差分電路，進(jìn)一步去除干擾并有效放大，由LM358D輸出端(7腳)送至9013進(jìn)行次級放大，至此車速信號已是占空比為50％的方波信號，并已剔除雜波，可直接送至微控制器定時捕獲端口進(jìn)行計數(shù)，具體電路如圖2所示。經(jīng)反復(fù)實驗優(yōu)化，本電路抗干擾能力很強(qiáng)，實車測試時無論低速狀態(tài)或超過110 km／h車速時，均可穩(wěn)定準(zhǔn)確地檢測到速度信號。同理，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號亦可采取類似方法進(jìn)行處理(在此不再贅述)。

2．3 CAN總線接口功能設(shè)計
    CAN正常工作需要具備CAN控制器以及CAN總線驅(qū)動器。前者實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能，后者則提供CAN控制器與物理總線之間的接口以及對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能。LPC2292微控制器包含兩個CAN控制器，單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Mbps，具有32位寄存器和RAM訪問功能，帶有全局濾波器和驗收濾波器。本系統(tǒng)采用CTM8251D雙路帶隔離CAN收發(fā)器，至少可連接110個節(jié)點，通過擴(kuò)展CAN總線接口，使得串行通信方式的選擇更加多樣化。當(dāng)車內(nèi)儀表也具有CAN總線接口的時候，它們可以直接利用此接口與記錄儀通信。CAN總線接口電路如圖4所示。

    CAN通信與一般的串口通信類似，在數(shù)據(jù)通信前先要對CAN總線進(jìn)行初始化操作，包括CAN控制器的選擇、數(shù)據(jù)寄存器的設(shè)置、通信波特率的設(shè)置等。初始化完成后，需要設(shè)置雙方的通信協(xié)議，建立彼此的連接。只有在同一協(xié)議下工作的雙方才能正確進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。本系統(tǒng)設(shè)置的CAN通信協(xié)議為：無過濾條件、 bypass模式、波特率可以預(yù)先設(shè)置。
    本系統(tǒng)提供的CAN-BUS通信函數(shù)接口如下：
    ①初始化CAN：int CAN_Init(int cannum，uint32volatile baudset)。
    函數(shù)入口參數(shù)：cannum為CAN控制器的選擇標(biāo)志符，為1選擇CAN0控制器，為2選擇CAN1控制器；baudset為波特率，可以預(yù)先設(shè)置。
    函數(shù)出口參數(shù)：初始化成功返回0，失敗則返回1。
    函數(shù)功能：對CAN控制器進(jìn)行初始化。
    ②CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)：int CAN_SendData(int can-num，uint32 volatile frameinfo，uint32 volatile senddatal，uint32 volatile senddata2，uint32 volatile canmode)。
    函數(shù)入口參數(shù)：cannum同上；frameinfo為幀信息，用于設(shè)置幀信息寄存器；senddata1和senddata2分別為要發(fā)送的數(shù)據(jù)，用于設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器A和B；canmode用于設(shè)置CAN工作模式。
    函數(shù)出口參數(shù)：數(shù)據(jù)發(fā)送成功返回0，失敗則返回1。
    函數(shù)功能：CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。
    ③CAN總線接收數(shù)據(jù)：int CAN_RcvData(int can-num。uint32 volatile *pdatal，uint32 volatile *pdata2)。函數(shù)入口參數(shù)：cannum同上；pdata1和pdata2為接收數(shù)據(jù)指針。
    函數(shù)功能：CAN總線接收數(shù)據(jù)，并從數(shù)據(jù)寄存器CANRDA和CANRDB中將數(shù)據(jù)讀進(jìn)對應(yīng)的指針中。
2．4 LIN總線接口電路設(shè)計
    LIN是低成本網(wǎng)絡(luò)中的汽車通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以提高通信質(zhì)量、降低成本，將是在汽車中使用汽車分級網(wǎng)絡(luò)的重要因素。LIN總線是一種簡單的單總線系統(tǒng)，其軟件協(xié)議棧比較簡單。一個LIN網(wǎng)絡(luò)由一個主機(jī)節(jié)點和一個以上的從機(jī)節(jié)點組成，所有的節(jié)點都包括有從機(jī)服務(wù)程序，用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，僅有一個節(jié)點包含有主機(jī)服務(wù)程序。主機(jī)程序主要用于發(fā)送同步間隔、同步場和ID場(或命令)，以控制和協(xié)調(diào)各個節(jié)點的有序通信。
    LPC2292微控制器集成有實現(xiàn)LIN總線節(jié)點的必要硬件，包括UART、捕獲輸入和足夠的定時器，特別是其捕獲輸入功能，為LIN的幀頭識別、幀同步 &波特率測量提供了極大的便利。LIN總線接口電路如圖5所示，主要由LIN物理層接口芯片TJA1020構(gòu)成，與LPC2292串口2相連，其主要完成MCU通信信號與LIN物理總線信號之間的相互轉(zhuǎn)換，為MCU提供一個與LIN物理總線的接口。

2．5 紅外通用接口模塊
    出于用戶統(tǒng)一采集數(shù)據(jù)需求考慮，本系統(tǒng)設(shè)計了通用的紅外接口。它能夠支持紅外遙控和數(shù)據(jù)通信，支持IrDA協(xié)議，能夠方便地與各種符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行通信。該模塊由HSDL7001編解碼芯片和HSDL3600紅外收發(fā)芯片組成。 HSDL7001與MCU串口相連，原理框圖如圖6所示。

    HSDL7001可驅(qū)動IrDA兼容的收發(fā)器，最高傳輸速率達(dá)11 502 kbps，其內(nèi)部有1個SIR編碼器和1個SIR解碼器，支持內(nèi)部(外接3．684 MHz晶振)和外部16XCLK輸入兩種模式。當(dāng)使用內(nèi)部時鐘時，波特率可通過A0、A1和A2進(jìn)行調(diào)整。

3 終端軟件設(shè)計
    嵌入式μClinux具有結(jié)構(gòu)小巧、實時性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、可定制性強(qiáng)的特點。在網(wǎng)絡(luò)通信方面，嵌入式操作系統(tǒng)支持TCP／IP及其他協(xié)議并提供通信協(xié)議動態(tài)掛接技術(shù)，以及操作系統(tǒng)內(nèi)部的進(jìn)程通信應(yīng)用接口技術(shù)。本設(shè)計采用穩(wěn)定的2．4版本的內(nèi)核，并對它進(jìn)行合理的裁減和加載，作為操作平臺。μClinux己對本系統(tǒng)采用的主控器有了很好的支持，但在編譯本系統(tǒng)的內(nèi)核前，需要修改 uclinux／linux-2．4．x／arch／armnommu／config．in文件中關(guān)于外部存儲空間的定義，以滿足本系統(tǒng)關(guān)于外部 Flash、CH375B和LCD液晶屏等器件的存儲空間的劃分。
3．1 進(jìn)程管理
    μClinux的進(jìn)程調(diào)度沿用了Linux的傳統(tǒng)，系統(tǒng)每隔一定時間掛起進(jìn)程，同時系統(tǒng)產(chǎn)生快速和周期性的時鐘計時中斷，并通過調(diào)度函數(shù)(定時器處理函數(shù))決定進(jìn)程何時擁有相應(yīng)的時間片，然后進(jìn)行相關(guān)進(jìn)程切換，這通過父進(jìn)程調(diào)用：fork函數(shù)生成子進(jìn)程來實現(xiàn)。
    本系統(tǒng)中，為每個任務(wù)建立數(shù)據(jù)處理子進(jìn)程，包括：車速、轉(zhuǎn)速等信號采集處理任務(wù)、串口定時通信任務(wù)、USB數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、LCD數(shù)據(jù)顯示更新任務(wù)等。子進(jìn)程采用由μClinux內(nèi)核中的cron組件觸發(fā)任務(wù)機(jī)制。系統(tǒng)中的crontab文件記錄了終端的定時數(shù)據(jù)處理任務(wù)信息(可由系統(tǒng)前臺設(shè)定任務(wù)執(zhí)行周期)，時間一到即可被cron觸發(fā)其相應(yīng)的子進(jìn)程。由于采用多進(jìn)程處理，終端可方便地實現(xiàn)多種信號的實時采集以及數(shù)據(jù)的及時處理、存儲和上送。
3．2 設(shè)備驅(qū)動程序編寫
    設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核與硬件之間的唯一接口，也是內(nèi)核代碼的一部分。當(dāng)硬件設(shè)備要與內(nèi)核進(jìn)行交互時，就會產(chǎn)生一個中斷信號，通過驅(qū)動程序預(yù)定義的入口點進(jìn)入內(nèi)核，入口點將此信號保存在棧中并保存被中斷任務(wù)的寄存器的值。內(nèi)核提取保存在棧中的中斷信號，再由內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序。應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。
    本系統(tǒng)用到LPC22292的4路A／D采樣接口對水溫、剎車氣壓以及發(fā)動機(jī)電壓狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行采集。下面以A／D采樣驅(qū)動程序為例進(jìn)行分析：
    ①應(yīng)用程序只有通過對設(shè)備文件的open、close、read／write、ioctl等進(jìn)行操作才能訪問硬件設(shè)備，Linux的擴(kuò)展文件操作結(jié)構(gòu) file_operations實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的文件操作到硬件設(shè)備操作的映射，每個設(shè)備驅(qū)動程序都要實現(xiàn)這個接口所定義的部分或全部函數(shù)。A／D驅(qū)動程序的擴(kuò)展文件操作結(jié)構(gòu)如下：

    ②在設(shè)備驅(qū)動程序中使用中斷，是提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速率的有效手段。有兩項工作要做：
    第一，在初始化函數(shù)中的register_chrdev()調(diào)用之后，使用request_irq()函數(shù)安裝中斷處理程序。request_irq()函數(shù)聲明如下：

其中的參數(shù)irq是驅(qū)動程序使用的設(shè)備中斷號；handler是中斷服務(wù)函數(shù)指針；flags是一個與中斷管理有關(guān)的各種選項的字節(jié)掩碼；device在／proc／interrupts中用于顯示中斷的擁有者；dev_id這個指針用于共享的中斷信號線，返回0成功，非0失敗。
    A／D驅(qū)動程序安裝如下一個中斷處理程序：

      
    第二，實現(xiàn)這個中斷服務(wù)程序，參數(shù)必須與request_irq()登記時要求的一致，且不能有返回值。
    ③A／D初始化

結(jié) 語
    基于ARM核的LPC2292為控制核心的嵌入式車輛行駛監(jiān)控終端，在現(xiàn)有行車記錄儀基礎(chǔ)上增加了若干新功能。它具有以下特點：
    ①以μClinux系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理平臺，通過多任務(wù)進(jìn)程調(diào)度機(jī)制大大提高了系統(tǒng)處理海量數(shù)據(jù)的能力，實時性得到很大提高，對于車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、剎車氣壓等監(jiān)測頻率要求高的參數(shù)可以精確監(jiān)測，增強(qiáng)了車輛行駛安全性。
    ②先進(jìn)的通信功能。CAN、LIN總線接口使得終端可以與具備通用總線接口的車輛融為一體，作為車輛的內(nèi)置診斷裝置，可全方位獲取車輛參數(shù)。USB接口使得監(jiān)控數(shù)據(jù)可以方便地保存至系統(tǒng)后臺，利于數(shù)據(jù)分析。
    ③完善的數(shù)據(jù)上傳與車輛定位跟蹤功能。管理者不僅可以實時了解車輛的位置現(xiàn)狀，而且可以實時監(jiān)控車輛的運行狀態(tài)，通過司機(jī)與管理者的雙重監(jiān)控，可以有效保證車輛的安全運行，這對于從事高危運輸行業(yè)的車輛具有重要意義。
    總之，將高性能的ARM微控制器與嵌入式操作系統(tǒng)運用于車輛行駛監(jiān)控終端中，既能大大提高車輛數(shù)據(jù)采集與分析的效率和準(zhǔn)確性，又可實現(xiàn)對車輛多種性能參數(shù)的實時監(jiān)控，是今后車輛遠(yuǎn)程實時監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。
    編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet．com．cn。