基于藍(lán)牙技術(shù)的汽車駕駛盤控制系統(tǒng)

摘 要：介紹了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的方向盤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。利用藍(lán)牙傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車方向盤面板開關(guān)電子化優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服傳統(tǒng)駕駛過程中需要低頭找開關(guān)的弊端，使得大部分操作在方向盤上實(shí)現(xiàn)，汽車駕駛更便捷?？刂葡到y(tǒng)采用基于BC219159 藍(lán)牙芯片的藍(lán)牙模塊;主控設(shè)備以STC89LE516 為控制器，將駕駛盤上按鈕的信號(hào)采集并處理后送入藍(lán)牙芯片進(jìn)行無線發(fā)送;從控設(shè)備藍(lán)牙模塊接收到主控設(shè)備的信號(hào)后，從控芯片STC89C516 根據(jù)不同的信號(hào)發(fā)送相應(yīng)的指令通過CAN 總線控制車內(nèi)的空調(diào)、音響、定速巡航、車燈四大系統(tǒng)的使用，同時(shí)連接液晶顯示屏，可方便駕駛者操控各種設(shè)備。本系統(tǒng)利用PWM 的方式控制每種功能的強(qiáng)弱調(diào)控，減少硬件成本。測(cè)試表明，此系統(tǒng)具有成本低、可靠性好、安全性高和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 引言

高科技應(yīng)用改變了人的生活，汽車作為基本的運(yùn)載工具的同時(shí)人們更希望汽車的駕駛操作更加簡(jiǎn)單方便，而且在車內(nèi)能及時(shí)與外界進(jìn)行信息溝通與交流。

藍(lán)牙技術(shù)可為實(shí)現(xiàn)這種新型汽車電子信息系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，利用藍(lán)牙技術(shù)可以將汽車上的各種電子設(shè)備以無線的方式連成一體，形成"車域網(wǎng)",這些設(shè)備包括汽車電氣控制設(shè)備、音響和視頻設(shè)備、車輛定位與監(jiān)控設(shè)備、各種傳感器及其控制系統(tǒng)、車輛保安系統(tǒng)和車輛導(dǎo)航系統(tǒng)等。

藍(lán)牙作為一種新型短距離無線擴(kuò)頻通信技術(shù)，具有體積小、功耗低、開放性和互操作性等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的以電纜和紅外方式傳輸數(shù)據(jù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)抗干擾能力強(qiáng);無線上網(wǎng)的手提電腦、手機(jī)等各種具有無線通信功能的電子設(shè)備工作時(shí)，對(duì)車內(nèi)的其它電子設(shè)備存在大量的電磁干擾。藍(lán)牙技術(shù)具有快速確認(rèn)和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定的特點(diǎn)。它把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道，在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道"跳"到另外一個(gè)信道，只有收發(fā)雙方是按這個(gè)規(guī)律進(jìn)行通信的，從而避開干擾;跳頻的瞬時(shí)帶寬是很窄的，但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個(gè)窄帶寬成百倍擴(kuò)展成寬頻帶，使干擾可能的影響變成很小。(2)不需信號(hào)線的連接，減少成本，縮小所占空間。(3)具有電磁波的基本特性，有較大的功率，可以增加傳送距離，而且沒有角度及方向性的限制，具有穿墻性，可在物體之間反射、繞射。(4)功耗非常低，能同時(shí)連接許多元件，傳輸速度快。

本文介紹的基于藍(lán)牙技術(shù)的駕駛盤控制系統(tǒng)，采用有線與無線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)方案構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過安裝在駕駛盤上的按鈕實(shí)現(xiàn)車內(nèi)定速巡航、音響、車內(nèi)空氣環(huán)境、前大燈照明等控制功能。

控制系統(tǒng)基于藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)，其硬件組成主要包括藍(lán)牙主控設(shè)備和藍(lán)牙從控設(shè)備兩大部分。主控設(shè)備通過ZLG7289 采集按鍵信號(hào)， 然后送入微處理器STC89LE516 中處理，微處理器根據(jù)不同的按鍵信號(hào)發(fā)送相應(yīng)的指令和數(shù)據(jù)至藍(lán)牙模塊BC219159B 中，藍(lán)牙模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)在主、從控設(shè)備的藍(lán)牙模塊之間建立鏈接后傳遞指令和數(shù)據(jù)，從控設(shè)備的微處理器根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送不同的指令和數(shù)據(jù)至CAN 總線上，連接在CAN 總線上的其它車載系統(tǒng)根據(jù)指令實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，LCD 顯示各種功能狀態(tài)。藍(lán)牙主控與從控設(shè)備硬件框圖分別如圖1 與圖2 所示。

圖1 藍(lán)牙主控設(shè)備硬件框圖

圖2 藍(lán)牙從控設(shè)備硬件框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 按鈕部分

按鈕位置示意如圖3 所示分為4 個(gè)區(qū)，每區(qū)4 個(gè)按鈕。為使操作舒適簡(jiǎn)潔，采用一鍵多功能來減少硬件設(shè)備和簡(jiǎn)化操作，駕駛盤上設(shè)定16 個(gè)功能按鈕。

圖3 駕駛盤按鈕位置分布圖

功能描述：1 號(hào)鍵是定速巡航開關(guān)按鈕，按一下1號(hào)鍵進(jìn)入定速巡航控制，按2 號(hào)鍵進(jìn)入設(shè)定或重設(shè)功能，3 號(hào)和4 號(hào)鍵為上下選項(xiàng)移動(dòng)鍵，再按1 號(hào)鍵退出定速巡航;5 號(hào)鍵是音響系統(tǒng)啟動(dòng)關(guān)閉鍵，并可切換FM/CD 模式，根據(jù)按鍵次數(shù)選擇(開啟→FM→CD→關(guān)閉)，6 號(hào)鍵為節(jié)目選擇鍵，同樣根據(jù)按鍵次數(shù)選擇相關(guān)項(xiàng)，7、8 號(hào)鍵為音量調(diào)節(jié)鍵;9 號(hào)鍵為空調(diào)啟動(dòng)關(guān)閉鍵，10 鍵為溫度模式切換鍵，11、12 號(hào)鍵為溫度調(diào)節(jié)鍵;13 號(hào)鍵為遠(yuǎn)近燈開關(guān)控制鍵，14 號(hào)鍵為霧燈開關(guān)控制鍵，15、16 號(hào)鍵為前大燈強(qiáng)弱調(diào)節(jié)按鍵。

3.1.2 按鍵信號(hào)處理模塊

按鍵信號(hào)處理采用鍵盤掃描管理芯片ZLG7289 實(shí)現(xiàn)。ZLG7289 采用SPI 串行總線與微處理器通訊，/CS、CLK、DIO 分別與微處理器三個(gè)I/O 引腳相連，KEY與/INT0 相連，串行數(shù)據(jù)從DATA 引腳送入芯片，并由CLK 端同步。當(dāng)有鍵被按下和片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?，DATA 引腳上的數(shù)據(jù)在CLK 引腳上升沿被寫入ZLG7289 的緩沖寄存器，并且只有當(dāng)/INT0 引腳出現(xiàn)下降沿時(shí)才允許讀取按鍵值。在無任何按鍵情況下，LED為亮的狀態(tài)，當(dāng)有任意鍵按下時(shí)，LED 為滅的狀態(tài)。

圖4 與圖5 分別為ZLG7289 芯片引腳圖與鍵盤邏輯陣列圖，4 根行線分別接ZLG7289 的SG、SF、SE、SD引腳;4 根列線分別接ZLG7289 數(shù)據(jù)線DIG0~3.

3.1.3 藍(lán)牙模塊

BC219159 核心是CSR 公司推出的單片射頻芯片BlueCore2–External,包含無線電收發(fā)器、基帶控制器硬件電路及實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙應(yīng)用框架所必需的協(xié)議。片內(nèi)含有自動(dòng)校準(zhǔn)和內(nèi)置的自檢程序，從而簡(jiǎn)化了開發(fā)、應(yīng)用、和產(chǎn)品測(cè)試。外加存有CSR 藍(lán)牙協(xié)議棧軟件的外部Flash 時(shí)，BlueCore2–External 可構(gòu)成用于音頻和數(shù)據(jù)通信的完整藍(lán)牙系統(tǒng)[1].

該芯片外配元件少，RF 接收器具有接近零中頻結(jié)構(gòu)，在低噪聲放大器輸入端足夠高的帶外截止性能指標(biāo)允許射頻模塊靠近GSM 和W-CDMA 手機(jī)發(fā)射器使用。該芯片使用FSK 監(jiān)頻器，在噪聲存在的情況下具有卓越的性能。內(nèi)部功率放大器最大有+6dBm 的功率輸出，射頻合成器完全集成在內(nèi)核中，不需要外接壓控振蕩器、變?nèi)菡{(diào)諧二極管或者LC 調(diào)諧器，系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘由內(nèi)置的晶振產(chǎn)生，時(shí)鐘范圍8~40MHz.

藍(lán)牙模塊支持USB、UART、PCM 語(yǔ)音接口和SPI接口等多種通信接口。片上有32KB RAM,作為保存每個(gè)有效連接的音頻/數(shù)據(jù)的環(huán)形緩沖器和藍(lán)牙協(xié)議棧功能的存儲(chǔ)器，還有8MB 的Flash;支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可構(gòu)成匹克網(wǎng)和散射網(wǎng)。

本系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)按藍(lán)牙協(xié)議轉(zhuǎn)換成相應(yīng)編碼發(fā)送到對(duì)方的藍(lán)牙設(shè)備，由于BC219159 提供標(biāo)準(zhǔn)UART 接口， 因此它可以直接與本系統(tǒng)中的STC89LE516 的UART 口連接進(jìn)行通訊。、

3.2 從控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

從控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙通信、CAN 總線控制、顯示等模塊，限于篇幅簡(jiǎn)介如下。

3.2.1 藍(lán)牙模塊

從控設(shè)備的藍(lán)牙芯片BC219159 與單片機(jī)STC89C516 相連，當(dāng)藍(lán)牙開始工作，其LED 將快速的閃爍。如果此時(shí)主控設(shè)備的藍(lán)牙模塊正在搜尋藍(lán)牙從模塊，則兩者通過自動(dòng)搜尋功能自動(dòng)建立連接和通訊。

從控系統(tǒng)中被控制的對(duì)象大部分采用5V 信號(hào)電平，故選用5V 信號(hào)電平的STC89C516 單片機(jī)，由于藍(lán)牙模塊采用3.3V,因此藍(lán)牙與STC89C516 相連時(shí)需要在串口線之間加上100Ω電阻來匹配電壓。

3.2.2 CAN 總線控制

現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)多、數(shù)量大、實(shí)時(shí)性要求高，而且大批的數(shù)據(jù)信息要求能在不同的電子器件間共享[2].CAN 總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò)成本低，不但可以減少導(dǎo)線連接，而且能增強(qiáng)診斷和監(jiān)控能力，適用于汽車及一般工業(yè)環(huán)境。本設(shè)計(jì)中CAN 控制器選用PHILIPS 公司的SJA1000。車內(nèi)系統(tǒng)示意接線如圖2 所示。

3.2.3 顯示模塊

系統(tǒng)的顯示模塊采用ST7920 驅(qū)動(dòng)芯片為核心的12864 液晶顯示模塊，具有64*16 位元字元顯示RAM和64*256 位元繪圖顯示RAM.系統(tǒng)將主控設(shè)備所調(diào)用的狀態(tài)模式及該功能下的進(jìn)度，以圖片和字符形式實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上，具有較強(qiáng)的直觀性，便于駕駛員及時(shí)了解車內(nèi)各種電子設(shè)備的參數(shù)，使操控更方便。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件編程主要包括藍(lán)牙通訊軟件設(shè)計(jì)和主從設(shè)備應(yīng)用程序設(shè)計(jì)兩大部分。

在PC 機(jī)上完成對(duì)藍(lán)牙模塊的初始化，對(duì)其設(shè)定主從，通過給藍(lán)牙分配一個(gè)地址，并確定它的波特率，來完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)的傳輸。

BC219159 與STC89LE516 之間通過串口通訊，在程序中使用串口函數(shù)就可以互相傳遞數(shù)據(jù)，藍(lán)牙相當(dāng)于一根無形的導(dǎo)線，接通主控和從控設(shè)備。

4.1 藍(lán)牙通訊軟件設(shè)計(jì)

兩個(gè)藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信是通過HCI 分組實(shí)現(xiàn)的。HCI 分組有命令分組、事件分組、數(shù)據(jù)分組而數(shù)據(jù)通訊流程一般包括以下6 個(gè)步驟：藍(lán)牙模塊初始、HCI 流量控制設(shè)置、查詢、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和斷開連接。

這部分程序主要借助CSR 公司的BlueLab 開發(fā)平臺(tái)，在WindowsXP 環(huán)境下用C 語(yǔ)言開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

4.2 藍(lán)牙主從控系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

藍(lán)牙主、從控設(shè)備的應(yīng)用程序比較復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)遵循了模塊化的設(shè)計(jì)思想。圖6 與圖7 分別給出了主控、從控系統(tǒng)部分的流程圖，所有的程序模塊均在在WindowsXP 環(huán)境下用C 語(yǔ)言開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

采用上述方案設(shè)計(jì)的駕駛盤控制系統(tǒng)，功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便、開發(fā)容易。實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性較好，具有應(yīng)用價(jià)值。