基于嵌入式Linux與QT的汽車虛擬儀表設(shè)計

摘要：為了簡化汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)，降低汽車制造成本，提高人車交互界面的友好度，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種新型的汽車虛擬儀表。采用以ARM處理器S3C6410為核心的硬件平臺和以嵌入式Linux系統(tǒng)為核心的軟件平臺，并在此基礎(chǔ)上采用開放源代碼的圖形界面庫QT開發(fā)儀表終端應(yīng)用程序。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，虛擬儀表系統(tǒng)具有成本較低、界面友好、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，并在跨平臺性、可擴(kuò)展性等方面得到了顯著改善。
關(guān)鍵詞：汽車；虛擬儀表；嵌入式Linux；QT；ARM

0 引言
    儀表作為汽車整個系統(tǒng)中十分重要的部分，是提高汽車綜合性能的重要方面之一。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)、總線技術(shù)、電子技術(shù)等的快速發(fā)展，控制系統(tǒng)臃腫、接線布線復(fù)雜、占用空間大的傳統(tǒng)電磁機(jī)械儀表漸漸被淘汰，虛擬儀表正以傳統(tǒng)機(jī)械儀表無法比擬的速度迅猛發(fā)展。目前虛擬儀表通常包括純數(shù)字儀表和虛擬儀表盤儀表2種：純數(shù)字儀表成本較低，但功能和界面比較簡單，滿足不了一般駕駛員的需求；而現(xiàn)有的虛擬儀表盤儀表雖然功能和界面比較豐富，但又存在著開發(fā)成本高、可移植性和可重繪性差、可擴(kuò)展性不足等缺點(diǎn)，不利于大范圍的推廣與應(yīng)用。
    針對傳統(tǒng)儀表和現(xiàn)有儀表存在的不足，本文提出了一種新型的車載虛擬儀表設(shè)計方案，采用ARM處理器S3C6410為核心的硬件平臺和以嵌入式Linux系統(tǒng)為核心的軟件平臺，并在此基礎(chǔ)上采用開放源代碼的圖形界面庫QT開發(fā)儀表終端應(yīng)用程序。該虛擬儀表可讀性好，讀數(shù)精度高，在可移植性、可維護(hù)性和成本方面都得到了良好的改善，具有較大的科研價值和商業(yè)使用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    本文所介紹的車載虛擬儀表的基本設(shè)計思想是將汽車上安裝的各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的處理，然后在運(yùn)行于嵌入式Linux系統(tǒng)的使用QT設(shè)計的虛擬儀表盤上進(jìn)行顯示，以便于監(jiān)測汽車各系統(tǒng)的工作狀況，如剩余油量、當(dāng)前車速、行駛里程等，并在某狀態(tài)出現(xiàn)異?；虼嬖谖ｋU時向駕駛員提示報警。
    如圖1所示，本車載虛擬儀表系統(tǒng)的設(shè)計總體由3個部分組成：

    (1)信號采集：對汽車上安裝的的各種傳感器采集的速度、剩余油量等汽車狀態(tài)信息，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換后，將其轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的數(shù)字量；
    (2)數(shù)據(jù)處理：將“信號采集”過程傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，將有用的數(shù)據(jù)保存，以便于顯示和報警，本過程主要由嵌入式處理器完成；
    (3)人機(jī)交互：將“數(shù)據(jù)處理”過程處理完成的數(shù)據(jù)，在使用QT設(shè)計的虛擬儀表盤上動態(tài)顯示，主要顯示內(nèi)容有：當(dāng)前速度、燃油箱的存油量、時間日期、行駛里程、報警燈等；在某項(xiàng)狀態(tài)出現(xiàn)異常時，通過報警模塊向駕駛員提示報警。

2 虛擬儀表硬件設(shè)計
    虛擬儀表的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。虛擬儀表的核心處理器采用ARM1176JZF-S核的S3C6410芯片，其主頻最高可達(dá)到667 MHz，內(nèi)部繼承了強(qiáng)大的多媒體處理單元，帶有3D圖形硬件加速器，并支持2D圖形圖像的平滑縮放等操作，有利于為用戶提供高靈敏度的汽車狀態(tài)動態(tài)顯示；外接256MB SDRAM和2GBNANDFLASH；串口連接信號轉(zhuǎn)換處理模塊，轉(zhuǎn)換處理模塊內(nèi)部集成CAN-RS232轉(zhuǎn)換器及24位的A／D轉(zhuǎn)換器LTC2414，接收相關(guān)傳感器采集的各種汽車狀態(tài)信號，并經(jīng)過處理后，將處理完成的數(shù)據(jù)上傳至處理器；外接LCD模塊采用8寸TFT液晶顯示屏，處理器內(nèi)部集成的LCD控制器信號線經(jīng)過驅(qū)動電路后即可連接LCD模塊，為虛擬儀表顯示提供了硬件平臺；外接由語音芯片組成的報警模塊，在必要的時候可以由處理器驅(qū)動報警模塊以語音的形式向駕駛員提示報警。

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3 虛擬儀表軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在Linux平臺下編寫虛擬儀表的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，采用QT／embedded設(shè)計虛擬儀表軟面板。應(yīng)用程序的主要功能有，當(dāng)接收到各個經(jīng)轉(zhuǎn)換處理的傳感器采集到的信號后，將其有用的數(shù)據(jù)提取并加以存儲，然后調(diào)用儀表顯示程序，將需要顯示的內(nèi)容顯示到不同的虛擬儀表盤中，同時并行判斷各項(xiàng)參數(shù)是否正常，若出現(xiàn)異常則調(diào)用語音報警程序和顯示程序提示報警。虛擬儀表軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。虛擬儀表軟件開發(fā)主要有2個內(nèi)容：開發(fā)環(huán)境的搭建、虛擬儀表應(yīng)用程序的設(shè)計。

3．1 開發(fā)環(huán)境的搭建
    為了開發(fā)滿足功能的應(yīng)用程序，本文采用的軟件開發(fā)環(huán)境是Vmware WorkStation 7虛擬機(jī)和Fedora 13操作系統(tǒng)，在此環(huán)境中安裝交叉編譯器AlRM-linux-gcc 4．5．1，用來完成包含相關(guān)驅(qū)動程序的虛擬儀表系統(tǒng)內(nèi)核、QT庫和應(yīng)用程序的編譯；編譯安裝QT／Embedded庫，用來支持虛擬儀表人機(jī)交互界面程序的開發(fā)并生成虛擬儀表系統(tǒng)中需要的QT庫文件；編譯Tslib觸摸屏庫，為虛擬儀表系統(tǒng)添加觸摸屏支持；在Fedora13系統(tǒng)中安裝QT Creator軟件，用于完成虛擬儀表系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)；移植嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)引導(dǎo)程序U-boot；編寫硬件平臺相關(guān)驅(qū)動，然后裁剪編譯Linux2．6．10內(nèi)核并在其中加載已編譯的相關(guān)驅(qū)動；制作硬件平臺需要的根文件系統(tǒng)，在其中移植已配置、編譯過的tslib庫和QT／Embedded庫。
3．2 應(yīng)用程序開發(fā)
    本虛擬儀表系統(tǒng)的的應(yīng)用程序基于QT／Embedded平臺，使用QT的輕量級集成開發(fā)環(huán)境QT Creator完成開發(fā)，最后在已搭建的開發(fā)環(huán)境中編譯生成可執(zhí)行二進(jìn)制文件，并將其移植到硬件平臺中的文件系統(tǒng)中進(jìn)行測試。

    虛擬儀表系統(tǒng)應(yīng)用程序的主要工作流程如圖4所示，在系統(tǒng)上電后，應(yīng)用程序開始運(yùn)行，要實(shí)現(xiàn)汽車虛擬儀表系統(tǒng)的功能，應(yīng)用程序需要完成虛擬儀表面板和后臺處理程序的開發(fā)：
3．2．1 虛擬儀表面板的繪制
    虛擬儀表面板主要將汽車的一些基本狀態(tài)在LCD上通過表盤和數(shù)字直觀、動態(tài)的顯示出來，本設(shè)計中采用速度、油量、電池電量、時間日期、安全帶、安全氣囊、行駛里程等狀態(tài)。
    為了提高本虛擬儀表的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，在本設(shè)計中，為每種具體的虛擬儀表對象定義一個抽象類。下面即以儀表盤類(QMeter)為例介紹本系統(tǒng)中虛擬儀器面板的繪制。
    在需要顯示的各種狀態(tài)中，速度和油量通常以儀表盤形式顯示，虛擬儀表模塊中的虛擬儀表盤采用QT的二維圖形引擎的基礎(chǔ)類QPainter開發(fā)。QPainter具有豐富的圖形圖像繪制函數(shù)，并支持反走樣、漸變填充、像素混合、線性變換等特性，利用這些函數(shù)完成儀表盤的繪制。
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3．2．2 后臺處理程序
    后臺處理程序主要將系統(tǒng)下層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將有用的數(shù)據(jù)傳送至虛擬儀表面板顯示，實(shí)現(xiàn)虛擬儀表的動態(tài)顯示，同時以多線程的方式不斷檢測汽車各項(xiàng)狀態(tài)，當(dāng)某項(xiàng)狀態(tài)出現(xiàn)異?；虼嬖谖ｋU時驅(qū)動LCD和語音芯片向駕駛員報警，其中異常狀態(tài)有超速、存油量過低、電池電量過低等。下面以報警子程序?yàn)槔v解后臺處理子程序。
    報警子程序在后臺處理程序中新建一個線程，通過多線程的方式以輪詢的方式查詢各個傳感器的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個狀態(tài)存在危險時，驅(qū)動語音芯片發(fā)出相應(yīng)的報警信息。其定義如下：

    通過調(diào)用QObject對象的connect函數(shù)，將報警線程的sendData信號與主線程的槽函數(shù)Deal()關(guān)聯(lián)，當(dāng)報警偵聽線程發(fā)射信號時，主線程槽函數(shù)及時被調(diào)用，驅(qū)動報警。

4 應(yīng)用程序示例
    將裁剪、編譯過的內(nèi)核與制作的帶QT庫的文件系統(tǒng)燒寫到開發(fā)板。在開發(fā)環(huán)境內(nèi)交叉編譯編寫的應(yīng)用程序，得到可執(zhí)行二進(jìn)制文件，將此文件移植到開發(fā)板，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的發(fā)布。重新開機(jī)，運(yùn)行應(yīng)用程序即顯示虛擬儀表界面，如圖5所示。

    通過汽車上的各種傳感器采集數(shù)據(jù)，通過控制器和高速CAN總線傳送到S3C6410硬件平臺解析，應(yīng)用程序得到解析后的數(shù)據(jù)后，即可動態(tài)的顯示當(dāng)前車輛的各種狀態(tài)及報警情況。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計的汽車虛擬儀表，具有優(yōu)良的跨平臺性能；該設(shè)計方案使得儀表信息量增大，操作簡單，易于維護(hù)，界面友好；采用開放源碼設(shè)計，使得本系統(tǒng)開發(fā)成本降低；使用雙緩沖技術(shù)消除了儀表顯示頁面的閃爍；采用多線程技術(shù)，使處理、顯示與報警同時進(jìn)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性與靈敏度；將具體的虛擬儀表對象定義為抽象類，增強(qiáng)了虛擬儀表的擴(kuò)展性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，本虛擬儀表系統(tǒng)的所有功能模塊均能正常運(yùn)行，該系統(tǒng)的應(yīng)用將對降低汽車的成本，縮短汽車儀表系統(tǒng)的研發(fā)周期，提供高友好度的人機(jī)界面具有重要的意義。