基于ARM 和Qt/E的車載HMI終端的設(shè)計(jì)方案

摘要：車載HMI是人與車輛之間的關(guān)鍵設(shè)備，使人能夠?qū)囕v的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)控制；設(shè)計(jì)了一種觸摸控制與數(shù)字顯示合理結(jié)合的車載HMI終端，采用ARM作為處理器，通過(guò)移植Qt/E對(duì)系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)；該終端通過(guò)在Polo車CAN總線試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基本設(shè)備的觸摸控制和車輛狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示，表明所設(shè)計(jì)的終端能夠滿足車載HMI的基本要求。

0引言

改善HMI（HumanMachineInterface）終端性能可降低車輛控制系統(tǒng)操作的復(fù)雜性，也可提高駕駛員對(duì)自己車輛的控制力。車載HMI通過(guò)單一結(jié)構(gòu)中控臺(tái)，可以減少零部件數(shù)量，提高性價(jià)比。傳統(tǒng)機(jī)械式的控制終端正在逐步向直觀、便捷的HMI終端發(fā)展。2009年6月29日，美國(guó)汽車多媒體與通信研究服務(wù)公司StrategyAnalytics發(fā)布最新研究報(bào)告，認(rèn)為"車載人機(jī)界面市場(chǎng)領(lǐng)先者保持強(qiáng)勢(shì)地位".報(bào)告預(yù)測(cè)，2015年，車載語(yǔ)音和觸摸屏市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到29億美元。目前，HMI設(shè)備，尤其是語(yǔ)音、觸覺(jué)控制和觸摸屏，在汽車市場(chǎng)上被大量應(yīng)用。

本文報(bào)告了一種基于觸摸控制與數(shù)字顯示理念的車載HMI終端，通過(guò)在ARM上移植Qt/E接TFT-LCD觸摸面板加以實(shí)現(xiàn)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

基于ARM和Qt/E的車載HMI終端主要由兩個(gè)模塊組成，分別是ARM處理器與觸摸顯示屏組成的HMI觸控平臺(tái)和CAN/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器模塊。該終端可接入車載CAN網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備的觸摸控制與狀態(tài)信息顯示。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1車載HMI終端結(jié)構(gòu)

HMI觸控平臺(tái)主要是將Qt/E交叉編譯后移植到ARM平臺(tái)，調(diào)用GUI在觸摸面板顯示。通過(guò)點(diǎn)擊觸控界面發(fā)送控制字，經(jīng)CAN/RS232網(wǎng)關(guān)發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)中對(duì)各設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)實(shí)時(shí)采集各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)并顯示，便于駕駛員及時(shí)了解車輛運(yùn)行狀態(tài)。該平臺(tái)還預(yù)留了UART和USB端口分別可外接GPS模塊，無(wú)線上網(wǎng)卡或U盤設(shè)備，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、無(wú)線上網(wǎng)和多媒體播放功能。

CAN/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由MCU、CAN接口與UART接口組成，其中CAN接口采用CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250設(shè)計(jì)，RS232接口采用MAX232設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)兩種不同總線協(xié)議數(shù)據(jù)幀的透明轉(zhuǎn)換，是HMI終端與CAN網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備交互的紐帶。

車載CAN網(wǎng)絡(luò)模塊主要以Polo車CAN試驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)集成了車燈、電動(dòng)車窗、雨刷和后視鏡CAN節(jié)點(diǎn)模塊。

2Qt/E在ARM上的移植

Qt/E是Trolltech公司專為嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)的圖像用戶界面（GUI）工具包。提供了窗口操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、工作輔助應(yīng)用程序和個(gè)性選項(xiàng)等，是基于C++可跨平臺(tái)的GUI應(yīng)用程序框架；還提供給開發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)GUI所需的功能，開發(fā)者可根據(jù)需求定制整個(gè)軟件解決方案。目前，眾多手機(jī)、PDA、機(jī)頂盒都采用Qt作為圖形引擎。因此，選擇了Qt/E作為HMI終端的開發(fā)工具。

2.1交叉編譯環(huán)境的搭建

采用宿主機(jī)Fedora9.0作為開發(fā)平臺(tái)，移植ARM版Qt/E4.7進(jìn)行設(shè)計(jì)。因編譯Linux內(nèi)核和Qt/E都需要交叉編譯工具鏈，交叉編譯器版本過(guò)高過(guò)低都會(huì)與Qt/E4.7不兼容，最終導(dǎo)致安裝失敗，所以一定要根據(jù)Qt的版本來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的編譯器。本系統(tǒng)采用arm-linux-gcc-4.5.1.安裝過(guò)程如下：

首先，解壓arm-linux-gcc-4.5.1安裝包，運(yùn)行#tarxvzfarm-linux-gcc-4.5.1.tgz命令；然后將編譯器所在路徑加入系統(tǒng)環(huán)境變量，運(yùn)行#gedit/root/.bashrc編輯該文件，修改最后一行為exportPATH=PATH:/usrt/local/arm/4.5.1/binPATH,此時(shí)交叉編譯器已經(jīng)安裝好；最后執(zhí)行#arm-linux-gcc-v顯示編譯器版本信息，驗(yàn)證是否安裝成功。

2.2Qt/E4.7的編譯與移植

減壓ARM版Qt/E安裝包到指定目錄，然后進(jìn)入該目錄執(zhí)行編譯配置源碼命令#echoyes|./configure-opensource-embeddedarm–xplatformqws/linux-arm-g++-no-webkit-qt-libtiff-qt-libmng-qt-mouse-tslib-qt-mouse-pc-no-mouse-linuxtp-no-neon.其中編譯ARM平臺(tái)的embedded版本配置參數(shù)為embeddedarm,使用arm-linux交叉編譯器進(jìn)行編譯為xplatformqws/linuxarm-g++,qt-mouse-tslib是使用tslib來(lái)驅(qū)動(dòng)觸摸屏。然后執(zhí)行make命令進(jìn)行編譯，當(dāng)編譯完成之后執(zhí)行安裝命令makeinstall.最后把安裝文件打包#tarcvzfqt4.7.tgz,下載到ARM開發(fā)板，并解壓到指定目錄。至此Qt/E在ARM開發(fā)板上移植完成。

安裝Linux環(huán)境下X86版QtSDK軟件-QtCreator2.0進(jìn)行Qt程序開發(fā)，設(shè)置為支持Qt4.7ARM的交叉編譯。最后將設(shè)計(jì)好的程序通過(guò)編譯，生產(chǎn)二進(jìn)制文件下載到ARM開發(fā)板運(yùn)行，以此實(shí)現(xiàn)HMI界面顯示功能。

3車載HMI終端的硬件設(shè)計(jì)

3.1CAN/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)

CAN/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器主要有主控制器、CAN接口模塊與RS232接口模塊組成，其中主控制器采用STC89C52單片機(jī)負(fù)責(zé)處理CAN總線與RS232總線的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，實(shí)現(xiàn)兩種不同協(xié)議數(shù)據(jù)幀的透明轉(zhuǎn)換與傳輸。

CAN接口模塊采用Philips公司的CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250芯片組成，主要實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能。其中CAN控制器完成數(shù)據(jù)鏈路層功能，實(shí)現(xiàn)與主控制器的信息讀寫操作，物理層通過(guò)CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和傳輸。SJA1000的AD0~AD7與單片機(jī)P0口連接，實(shí)現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用；片選/CS與P2.7相連，則基地址為0x7F00;/RD、/WD、ALE引腳依次與單片機(jī)各引腳相連；中斷/INT接單片機(jī)/INT0,因此可通過(guò)中斷方式對(duì)SJA1000進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)。SJA1000的MODE引腳用于選擇CAN控制器在Intel模式還是在Motorola模式工作。由于STC89C52屬于Intel系列微控制器，故MODE引腳接+5V高電平設(shè)置為Intel模式，以滿足89C52的讀寫時(shí)序要求。為了增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，以及避免當(dāng)CAN收發(fā)器失效時(shí)出現(xiàn)過(guò)流導(dǎo)致CAN控制器擊穿，SJA1000的TX0和RX0引腳通過(guò)光耦N6137后與PCA82C250的TXD和RXD連接，以此實(shí)現(xiàn)總線上節(jié)點(diǎn)間電器隔離；收發(fā)器CAN_H和CAN_L引腳通過(guò)5Ω電阻與CAN總線端口連接起到限流作用；同時(shí)兩端接120Ω終端匹配電阻。

RS232接口電路采用MAX232芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口TTL電平與RS232電平相互轉(zhuǎn)換，完成HMI終端UART口的信息傳輸。STC89C52串口端（P3.0和P3.1）與MAX232的T1IN和R1OUT連接，T1OUT與R1IN接九針串口，然后通過(guò)交叉線與HMI終端連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。[!--empirenews.page--]

3.2車載HMI觸控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

HMI觸控平臺(tái)以ARM為處理器，接7.0寸LCD觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)，可取代傳統(tǒng)的（如圖2A）機(jī)械按鍵與表盤顯示的中控平臺(tái)。HMI觸控平臺(tái)如圖2B所示，由車燈、車窗、后視鏡、多媒體、空調(diào)、導(dǎo)航以及狀態(tài)參數(shù)顯示菜單組成。將該終端嵌入到方向盤，駕駛員可點(diǎn)擊觸控菜單進(jìn)入車燈、車窗等控制界面（如圖2C和D）實(shí)現(xiàn)車燈、車窗等設(shè)備的觸摸控制，也可實(shí)時(shí)采集與顯示設(shè)備狀態(tài)參數(shù)如：車速、故障碼等。其中，觸控與顯示數(shù)據(jù)需調(diào)用ARM底層串口驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)讀寫操作，觸控界面通過(guò)Button控件的信號(hào)與槽機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，狀態(tài)參數(shù)的采集與顯示通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。終端可外接GPS模塊實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，設(shè)計(jì)了Qt媒體媒體播放器實(shí)現(xiàn)娛樂(lè)功能，也可接入無(wú)線網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線上網(wǎng)功能。

圖2車載HMI終端

4車載HMI終端的軟件設(shè)計(jì)

4.1CAN/RS232網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

主程序中首先要完成初始化操作，包括單片機(jī)、SJA1000、RS232通信以及中斷源的初始化。其中SJA1000的初始化是整個(gè)設(shè)計(jì)最重要的部分，也是保證CAN通信的前提。考慮車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的兼容性，SJA1000配置為Peli模式，支持CAN2.0A和B規(guī)范，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種報(bào)文傳輸。SJA1000初始化寄存器配置流程如圖3所示。

圖3SJA1000初始化寄存器配置流程

為保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

當(dāng)CAN總線有數(shù)據(jù)接收時(shí)SJA1000會(huì)跳入接收中斷函數(shù)將數(shù)據(jù)接收并存儲(chǔ)到接收緩存，根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭來(lái)判別數(shù)據(jù)類型和所帶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最后提取CAN數(shù)據(jù)拆分為單字節(jié)通過(guò)串口發(fā)送，并在HMI終端顯示；當(dāng)HMI終端有控制字發(fā)送，串口接收中斷函數(shù)將所發(fā)送的控制字依次接收存入接收緩存，并根據(jù)首字節(jié)來(lái)判別所發(fā)數(shù)據(jù)類型和長(zhǎng)度，組裝成CAN數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去，以此實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的控制。具體流程如圖4所示。

圖4數(shù)據(jù)接收與發(fā)送流程圖

4.2車載HMI界面的設(shè)計(jì)

HMI界面采用QtCreator2.0來(lái)設(shè)計(jì)，因?yàn)镠MI終端是通過(guò)UART接口接入CAN網(wǎng)絡(luò)中，所以通信時(shí)需接上面所介紹的CAN/RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，還需在Linux下編寫Qt串口通信程序。

首先，在Linux下利用open函數(shù)打開串口設(shè)備，用tcsetattr函數(shù)來(lái)設(shè)置串口屬性。打開驅(qū)動(dòng)設(shè)備UART0進(jìn)行讀寫操作：constchar*devName="/dev/ttySAC0";fd=::

open（devName,O_RDWR|O_NONBLOCK）；設(shè)置波特率等參數(shù)：serialAttr.c_cflag=B115200|HUPCL|CS8|CREAD|CLOCAL;serialAttr.c_cc[VMIN]=1;其中串口設(shè)備可使用Linux下I/O函數(shù)進(jìn)行Read和Write操作。但是，在數(shù)據(jù)接收時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致界面被阻塞（造成界面假死），于是創(chuàng)建了一個(gè)線程通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

Qt中可采用QSocketNotifier類來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備事件驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。QSocketNotifier類關(guān)聯(lián)Signal/Slot機(jī)制，當(dāng)有數(shù)據(jù)可讀時(shí)會(huì)觸發(fā)Ativated信號(hào)，LCDNumber控件Slot會(huì)被調(diào)用來(lái)連接到該信號(hào)并顯示，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與顯示功能。在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，可通過(guò)Button控件Signal/Slot調(diào)用QObject對(duì)象的connect（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3].當(dāng)按鍵被按下時(shí)觸發(fā)Signal信號(hào)，Slot會(huì)調(diào)用pressed（）函數(shù)將定義好的數(shù)據(jù)通過(guò)串口Write函數(shù)發(fā)送到總線上。函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

voidGlass::on_lu_pressed（）{charmsg[]={160,34,16,0};//定義所發(fā)送數(shù)據(jù)myserial->myCom->write（msg,4）；//寫發(fā)送數(shù)據(jù)}

通過(guò)QPainter類進(jìn)行對(duì)窗體界面和按鍵圖像界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到美觀的人機(jī)界面。最后將設(shè)計(jì)好的程序通過(guò)交叉編譯，生產(chǎn)二進(jìn)制文件移植到ARM中，然后在文件系統(tǒng)中調(diào)用執(zhí)行，最終在LCD觸摸屏上顯示，如圖2所示。

5系統(tǒng)集成與測(cè)試

首先將設(shè)計(jì)好的HMI終端通過(guò)交叉串口線與PC機(jī)連接，進(jìn)行相互通信，測(cè)試是否能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，測(cè)試成功后通過(guò)CAN/RS232網(wǎng)關(guān)接入Polo車CAN試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行綜合測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備節(jié)點(diǎn)可通過(guò)觸摸方式控制，同時(shí)可實(shí)時(shí)采集與顯示運(yùn)行狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的車載HMI終端集車身控制、儀表顯示、導(dǎo)航、多媒體和無(wú)線上網(wǎng)為一體，簡(jiǎn)化了車載中控平臺(tái)，降低了車輛控制系統(tǒng)操作的復(fù)雜性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了車身設(shè)備的觸摸控制，能夠?qū)Ω髟O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行采集與顯示。為車載HMI開發(fā)提供了一種可行的設(shè)計(jì)思路與性價(jià)比更合理的解決方案。