（精密仪器及机械专业论文）基于ARM和嵌入式Linux的汽车仪表盘研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要摘要汽车仪表是驾驶员获取汽车状态信息的关键设备，对汽车的安全行驶起着重要的作用。近年来，随着计算机、微电子和各种现场总线通信技术的广泛应用，汽车电子技术得到了迅猛的发展，汽车仪表盘上显示的信息不断增加，传统的机械式、电气式组合仪表越来越无法满足使用的需求。特别是随着汽车g p s 导航、自动驾驶等新技术的日趋成熟，汽车仪表成为集显示、控制、通讯、娱乐为一体的汽车综合信息显示中心已经指日可待。本文提出并设计了一种以a r m 器件为c p u ，以嵌入式l i n u x 为操作系统的车载仪表盘系统。该仪表盘以嵌入式微处理器为核心，对汽车的各种信息状态，如电池电压、车速等参数进行采集、处理、显示和报警提示，驾驶员根据报警提示的结果进行相应的处理，以使汽车安全正常行驶。仪表盘本身作为汽车c a n总线的一个节点，支持c a n 通信，可以接收来自其它c a n 节点的信息并显示，也可以发送控制信息至其它c a n 节点。该仪表盘在外型上不同于传统的汽车仪表，其显示端使用一个l c d 显示屏代替原有的显示设备，汽车运行的所有状态信息都在该屏上显示，但为延续传统的操作习惯，将原来的车速、发动机转速等用指针显示的信息在显示屏上以模拟表的形式显示。并对越限工况和各种违规操作，在显示屏上以图形指示灯的形式闪烁显示并同时以真人语音进行提醒。本文在简要介绍了汽车仪表发展趋势的基础上，重点论述了嵌入式系统的开发流程和模式，包括开发平台的搭建、驱动程序的开发、图形显示界面的开发和应用程序的设计。在嵌入式系统设计中，硬件、软件的可裁剪是其最大的特点，因此，增加功能模块( 比如本系统中用到的c a n 通信模块、音频输出模块等)是嵌入式系统设计中的一个重点和难点，所以本文重点之一是放在驱动模块的设计上。同时，作为信息显示中心，信息显示要求及时、准确、有美感，因此，图形界面的开发也是重点之一本课题所设计的汽车仪表，作为综合信息显示中心的一个雏形，可以方便地扩展g p s 导航系统、汽车后视摄像系统、网络系统等模块，相信进一步的研究和开发，汽车综合信息显示中心将成为未来汽车上重要的一部分。关键词：l i n u x ；q t e m b e d d e d ：汽车仪表a b s t r a c ta b s t r a c tt h ep a n e lo fa u t o m o b i l ei st h em a i ni n s t r u m e n to fa u t o m o b i l e ，t h r o u g hw h i c ht h ed r i v e rc a ng e tt h es t a t u so ft h ea u t o m o b i l e ，a n dt h es a f e t yo fd r i v i n gi sg r e a t l yi n f l u e n c e db yi t r e c e n t l y , w i t ht h ew i d e l yu s i n go fc o m p u t e r , m i c r o - e l e c t r o n i c sa n df i e l db u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c a lt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gf a s t , a n dt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o m b i n e di n s t r u m e n tc o u l dn o tm e e tt h en e e da n ym o r e e s p e c i a l l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cd r i v ea n ds a t e l l i t i cn a v i g a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep a n e lo fa u t o m o b i l ei se x p e c t e dt ob e c o m ea ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e mw i t hm u l t i f u n c t i o no fd i s p l a y i n g ，c o n t r o l l i n g ，c o m m u n i c a t i o na n de n t e r t a i n m e n t t h ep a p e ri st op r e s e n ta n dd e s i g na l lo n b o a r dp a n e ls y s t e mi nw h i c ha na r mc o n t r o l l e ri su s e da sc p ua n de m b e d d e dl i n u xi su s e da st h ec o r eo fs o r w a r e w i t ht h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra si t sc o r e ，t h ep a n e lc o u l da c q u i r ev a r i o u si n f o r m a t i o no ft h ev e h i c l e ，s u c ha st h ec e l lv o l t a g ea n dt h ev e h i c l ev e l o c i t y a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mc a np r o c e s s ，d i s p l a ya n dw a r ni nt h ea b n o r m a ls i t u a t i o n t h e r e f o r e ，t h ed r i v e rc o u l dr e a c tc o r r e c t l ya c c o r d i n gt ot h ea l a r m ，w h i c hm a k e st h ec a ra l w a y sr u ni nas a f ec o n d i t i o n a san o d eo fc a nn e t w o r k , t h ep a n e lc a nr e c e i v em e s s a g ef r o mo t h e rc a nn o d ea n da l s os e n dm e s s a g et oo t h e rn o d e t h ea p p e a r a n c eo ft h es y s t e mi sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lp a n e lo fa u t o m o b i l e al c ds c r e e ni su s e dt or e p l a c ea l lt h et r a d i t i o n a ld i s p l a ye q u i p m e n t ，a n da l li n f o r m a t i o no ft h ev e h i c l ei sd i s p l a y e do nt h es c r e e n i no r d e rt om e e tt h ed r i v i n gc u s t o mo ft h ed r i v e r t h es p e e do fv e h i c l ea n di t se n g i n ea r ed i s p l a y e do nt h es c r e e nb yt h ef o r mo fs i m u l a t e dp o i n t e r t h ec a u t i o nl i g h t sw i t hs o u n ds i g n a l sw e l ld i s p l a yo nt h es c r e e ni nt h el i m i t e do ra b n o r m a lc o n d i t i o n a f t e ri n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do ft h ep a n e lo fa u t o m o b i l e ，t h ep a p e re m p h a t i c a l l ys h o wh o wt od e v e l o pe m b e d d e ds y s t e m ，i n c l u d i n ge s t a b l i s h i n ge m b e d d e dp l a t f o r m ，d e s i g n i n gd e v i c ed d v e r ，d i s p l a y i n gi n t e r f a c ea n da p p l i c a t i o np r o g r a m h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a nb er e d u c i n go ri n c r e a s ew h i c hi sas t r o n g p o i n to fl l i基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制e m b e d d e ds y s t e m s o ，o n ek e yp o i n to ft h ep a p e ri st od e s i g nd e v i c ed r i v e ra st h ed i s p l a yc e n t r e ，i n f o r m a t i o nd i s p l a y i n gm u s tb ei nt i m ea n dp r e c i s e s o ，d e s i g n i n gd i s p l a yi n t e r f a c ei sa n o t h e rk e yp o i n to ft h ep a p e r t h ed e s i g n e dp a n e lo fa u t o m o b i l ei sar u d i m e n t o fo n b o a r di n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e m i tc a ne x p e d i e n t l ya p p e n dt h ef u n c t i o no fg p sn a v i g a t i o n ，b a c k s i g h tc a m e r aa n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n ds oo n t h r o u g hf u r t h e rs t u d y ,o n b o a r di n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e mw i l lb e c o m ea ni m p o r t a n te q u i p m e n ti nf u t u r ea u t o m o b i l e k e yw o r d s ：l i n u x ；q t e m b e d d e d ；v e h i c l ei n s t r u m e n ti v厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。声明人( 签名) ：雇洲2 2 年5 月7 日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。本学位论文属于1 、保密() ，在，年解密后适用本授权书。2 、不保密( ( 请在以上相应括号内打“4 )日期：j 田罗年歹月日醐：加p8 年朋尸日第一章绪论第一章绪论1 1 课题研究的背景及意义从1 8 8 6 年卡尔本茨发明第一辆内燃机汽车至今，汽车已经走过了1 0 0 多年的发展历程。作为陆地上最重要的交通工具，汽车为人类经济、社会的发展做出了不可磨灭的贡献，是现代文明的一个重要标志。在这1 0 0 多年中，汽车从结构、性能到外观都经历了巨大的变化。作为汽车的主要信息显示装置，汽车仪表也处于不断的发展之中。汽车仪表的发展，按其在工作原理上取得的重大技术创新可以分为四个阶段：第一阶段是基于机械作用力而工作的机械式仪表，这类仪表通常被称为机械机心表。机械式车速里程表是汽车上最早使用的仪表，用于指示汽车的行驶速度和累计行驶里程数，其工作原理如图1 1 所示：1 永磁铁2 铝碗3 罩壳4 盘形弹簧5 - 刻度盘6 - 指针图1 1 机械式车速里程表当汽车行驶时，主动轴带动永磁铁1 旋转，永磁铁的磁力线在铝罩上产生涡基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制流，涡流产生的磁场与旋转的永磁铁磁场相互作用产生转矩，克服盘形弹簧4 的弹力带动指针6 转动。车速越快，涡流越大，转矩越大，指针偏转的角度越大，车速的示值也越高。里程表则是由主动轴带动三对蜗轮、蜗杆来驱动数字轮组而实现【1 1 。第二代汽车仪表是基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换为电信号加以测量，称为电气式仪表。电气式仪表主要有双金属片电热式和电磁式。燃油表用于指示燃油箱中所储存的燃油量，如图1 2 所示为电磁式燃油表的结构与工作原理图。它的传感器是一个由浮子带动的滑片式可变电阻。当油箱装满时，浮子在最高位置，可变电阻6 的电阻值最大。此时接通电路后，左右线圈电流相差不多，其产生的合成磁场吸引衔铁使指针偏转角度最大。随着油箱液面下降，浮子下沉，可变电阻的阻值减小，右线圈5 的电流随之减小，左线圈1 的电流则有所增大，左右线圈产生的合成磁场吸引衔铁转动的角度减小，指针向示值低的一侧偏转【1 _ 2 1 。( a ) 燃油表组成( b ) 燃油表等效电路1 左线圈2 指针3 。4 指示表接线柱5 右线圈6 可变电阻7 传感器接线柱8 滑片争浮子l o - 衔铁图1 2 电磁式燃油表第三代为模拟电子式仪表，工作原理与电气式仪表基本相同，差别在于用电子元件替代了原来的电气元件。如模拟电子式燃油表，仍采用浮子式的可变电阻传感器，但是在显示电路上采用比较器等电子元件替代了电磁线圈或双金属片。如图1 3 所示：稳压管v d 8 和电阻r 1 5 组成稳压器，通过电阻r 8 一r 1 3 分成第一章绪论多级基准电压，送到各电压比较器的反向输入端。传感器的可变电阻r x 由a 端输出电压信号，经电容c 和电阻r 1 6 组成的缓冲器后，加到集成电路i c l 和i c 2各电压比较器的同向输入端，电压比较器将此电压信号与反相端的基准电压进行比较，然后控制各自对应的发光二极管，以显示油箱内燃油量的多少【1 1 。l l i 一传感器电阻v d 。f - - 发光二极管( 自下而上) i c 、i c 广j 集成电路图1 - 3 模拟电子式燃油表目前汽车仪表正在经历由第三代向第四代转型时期。第三代汽车仪表工作原理与电气式仪表基本相同，只是用电子器件取代了原来的电气器件。随着集成电路技术突飞猛进的发展，这种仪表现在均采用汽车仪表专用集成电路，是国内汽车仪表目前的主流产品，经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式机心和动磁式机心两个基本阶段。电子器件经历了分立器件和专用集成电路两个阶段。在整个发展过程中，国内外工程技术人员从未停止过对其进行改进。从围绕降低成本，不断改进制作工艺，机械零件起初以金属件为主，发展到今天以塑料件为主；围绕提高指示精度和指针平稳性，由动圈式发展成动磁式等。虽然，每次较大改进后整体性能价格比都有所提高，但受其工作原理的限制，其线性、精度、重复性、响应速度等性能指标难以有根本的突破。针对模拟电子式汽车仪表机心存在的不足，第四代的数字电子仪表在工作原理上作出了技术创新，即放弃了动磁式或动圈式的模拟电子仪表通过线包与磁钢间产生电磁转矩驱动指针的形式，而采用由微处理器直接控制步进电动机来驱动指针在刻度盘上指示被测物理量，同时辅以基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制被测物理量l c d 数字显示的方式。第四代数字电子式仪表的信号处理方式完全由模拟变成数字，与第三代的模拟电子式仪表相比，其车速和发动机转速的显示方式依然保留着指示直观、有动感、符合驾驶员习惯等优点，但在技术性能上第四代仪表有了质的提高，主要体现在指示精度高、重复性好、分度均匀、响应速度快、无抖动、稳定、可靠和适用范围广等方面 3 1 。伴随着第四代步进电动机式全数字汽车仪表的发展，一种全新的汽车仪表概念已被人们提出未来的仪表盘将演变为一个综合信息显示中心。因为随着人们对汽车环保、安全性、经济性、舒适性和智能化要求的提高，汽车仪表不但需要显示更多的汽车运行信息，而且仪表本身需要能对这些信息做出分析，判断出汽车的运行状况，然后自动做出一些处理并提示给驾驶员。与其不同，传统意义上的汽车仪表只能为驾驶员显示汽车运行中必要而少量的信息，换句话说，传统仪表仅仅只做显示数据这样一件事情，而未来仪表盘将是一个集感觉、识别、分析、信息库、自适应和自控制等功能于一体的智能化系统。其主要功能应包括【4 】：1 显示传统汽车仪表上显示的各种汽车运行信息，车速、发动机转速等需要以指针转盘显示的被测物理量也在l c d 显示屏上同样以指针转盘的形式显示出来，不同之处是，它不再需要驱动步进电动机来带动指针转动，而只需在l c d上动态画出模拟指针，让其随被测物理量的变化而转动。2 指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊、安全带等，这些信号的传输形式，将不再是像开关接通或断开这样简单的信号，而是反映这些安全装置较多工作状态的调制信号，供微处理器m p u 读取，以便处理器能准确地综合判断这些安全装置的工作状态，并给出故障提醒驾驶员，或指导维修人员排除故障。3 将防盗系统纳入汽车仪表m p u 的监管下，如车门、后行李箱等处的防盗锁指纹识别开启系统，防撬振动报警装置，防盗点火启动装置等。4 支持现场总线技术，可以将该信息显示中心与车身上其它c a n 节点相通信，实现车身上的数据共享。5 具备完善的通信系统，支持t c p i p 协议，可通过g p r s 与公共互联网相连，以便充分共享信息资源。6 支持c c d 摄像后视系统，用电子摄像显示后视系统，让驾驶员的视野范第一章绪论围更广。7 支持g p s 全球卫星定位系统，实现自动导航和实时定位。8 具备丰富的娱乐功能。就目前的技术条件而言，开发这样的信息显示系统来作为汽车仪表，单从成本上来说是难以接受的，但随着液晶屏、微处理器等在性能上的进步、价格上的降低，并随着嵌入式技术的发展，将来在汽车上装配上述这样一个多媒体信息显示中心是完全可能的。基于以上的考虑和设想，我们以a r m 芯片为主控制器，嵌入式l i n u x 为操作系统，开发一个全新概念的简单汽车仪表系统，该系统采用嵌入式系统方案，基于该系统可以对仪表盘的功能做进一步的扩展。1 2 嵌入式系统介绍嵌入式技术是计算机技术、半导体技术和微电子技术等多种先进技术的融合。在所谓的后p c 时代，随着计算机技术和通信技术的飞速发展，互联网的迅速普及及与3 c 融合的加速，嵌入式技术已成为新世纪最有生命力的技术之一，得到了飞速的发展和广泛的应用。它通过在各个行业的具体应用渗透到了社会生活的各个角落，从日常用品到工业生产、军事国防、医疗卫生、科学教育乃至商业服务等方方面面，小到个人身上的手机、m p 3 、p d a ，大到汽车、飞机、导弹等，嵌入式系统的身影已经无处不在。1 2 1 嵌入式系统的概念随着现代计算机技术的飞速发展，逐渐形成了计算机系统的两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统。通用计算机系统的硬件以标准化形态出现，它通过安装不同的软件满足各种不同的要求。而嵌入式计算机系统则是根据具体应用对象，软件硬件采用量体裁衣方法定制的，不以一般计算机形态出现的专用计算机系纠5 1 。通用计算机系统采用标准化的设计，采用通用的c p u 和大容量的外部存储设备，可进行高速、海量的数据处理。嵌入式系统与通用计算机系统一样，也是一种计算机系统，具有计算机的一般特点，拥有中央处理器、存储设备、输入输出设备等。但是嵌入式系统不以一般的计算机形态出现，它服务于所嵌入的应用基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制对象，其功能、可靠性、成本、尺寸及功耗等方面受到应用需求及应用对象的制约。从嵌入式系统所运行的软件看，嵌入式系统的软件固化在硬件系统中，与硬件形成一个不可分割的整体。它所执行的功能也是面向特定的应用，同一个嵌入式硬件系统一般很难采用更改软件的方法用于其它领域。这意味着，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，不可能像通用计算机那样只要更改应用软件就可以适应不同的应用。从资源的使用角度看，嵌入式计算机系统是计算机能力和数据存储能力等资源受限的计算机系统。其外形、尺寸、功能、功耗等都受限于应用对象的设计需求，因而不可能有一个标准化的设计。嵌入式系统最大的特点也就在于此，其系统构成多种多样，需要根据具体应用量身定制。1 2 2 嵌入式系统的分类根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。根据嵌入式系统的复杂程度可以简单将它分为简单嵌入式系统和复杂嵌入式系统。简单嵌入式系统很早就已经存在，这些嵌入式系统一般都很简单，系统软硬件复杂度都很低，例如常用的单片机系统。然而随着复杂控制、汽车电子、医疗仪器、数字通信、i n t e m e t网络应用和信息家电等复杂需求的出现，简单的嵌入式系统已无法满足需求。为了满足日益复杂的软硬件需求，出现了以3 2 位s o c ( s y s t c m o n c h i p ) 为硬件核心，以嵌入式操作系统的使用为标志的复杂嵌入式系统。这类系统硬件集成度高，外部接口众多，软件功能丰富 6 1 。1 2 3 嵌入式系统的组成从组成上看，嵌入式系统可分为嵌入式硬件系统与嵌入式软件系统两大部份，如图1 _ 4 所示【7 1 。嵌入式硬件系统主要由嵌入式处理器及相关支撑硬件和外围电路等组成。其中，嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位，按照功能和用途划分，它可以进一步细分为以下几种类型：嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 、嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ) 和嵌入式数字信号处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。第一章绪论嵌入式软件系统嵌入式硬件系统圉圈图1 4 嵌入式系统组成嵌入式软件系统通常可划分为嵌入式操作系统和应用软件两部份。在一些复杂的系统中，为简化应用开发，还提供了一个中间层( 嵌入式中间层) 。在早期的嵌入式系统中，系统的复杂性较低，这时的嵌入式系统通常不使用操作系统，而是由应用程序直接控制和管理硬件。例如现在还大量存在的基于8 位单片机的系统，一般仅完成单一的控制功能，其功能与硬件复杂度都较低，其软件通常都只有一个简单的控制程序。在这类简单系统中没有使用操作系统的必要。随着技术的进步与复杂需求的出现，嵌入式系统进入了一个新的阶段。这个阶段的嵌入式系统硬件大多采用了3 2 位的嵌入式s o c 处理器，软件系统则增加了嵌入式操作系统。从图1 4 可以看出，操作系统处于上层软件与嵌入式硬件系统中间，在整个嵌入式系统中处于重要的地位，起着至关重要的作用。它负责控制与管理嵌入式硬件系统，将硬件的复杂性隐藏起来，为上层软件设计提供一个统一易用的应用程序编程接口，以降低应用软件开发的复杂性。同时，作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，它负责系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效合理地使用。总而言之，嵌入式操作系统的出现与使用是嵌入式系统发展过程中的一个重要的里程碑，它掩盖了底层硬件的复杂性，提高了软件的开发效率和可维护性。1 3 课题研究的内容本课题的主要研究内容是将a r m + l i n u x 嵌入式技术应用到汽车仪表的设计中，开发了一个车载综合信息显示系统，利用c a n 总线技术实现车身上的数据基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制通信，使用q t e m b e d d e d 完成显示界面的开发，使用u d a l 3 4 1 实现音频数据的播放。其中，l i n u x 下驱动程序的开发和q t e m b e d d e d 图形显示界面的设计是本课题研究的重点。系统设计的具体内容有：第一章：汽车仪表发展的历史、现状和趋势；嵌入式技术的应用和开发。第二章：开发平台的搭建，包括嵌入式处理器和操作系统的选型、交叉编译环境的安装等。第三章：嵌入式l i n u x 下驱动程序的开发基础。第四章：c a n 通信模块的实现，包括c a n 控制器m c p 2 5 1 0 的接口电路和驱动程序的设计，用户层对c a n 数据的接收和发送。第五章：音频接口电路和驱动程序的设计及应用层音频数据的录制和播放。第六章：图形用户界面支持系统g u i 的介绍和选择；基于q t e m b e d d e d 的显示界面的开发；进程间通信的实现；仪表显示的具体实现。第七章：对所做工作的总结与展望。第二章仪表盘开发平台的构建第二章仪表盘开发平台的构建嵌入式系统的开发平台一般包括开发用的宿主p c 机、嵌入式目标板和硬件调试器，它们之间通过串口、j t a g 或b d m 等调试接口和网络接口互相连接。如图2 1 所示：其中嵌入式软件系统运行于嵌入式目标板上，这些软件所对应的程序开发和编译在宿主机上运行，程序的调试则由宿主机通过硬件调试器控制目标机执行相应的操作来实现【8 】o图2 1 嵌入式开发平台示意图其中嵌入式目标板包括嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统。嵌入式硬件系统主要由嵌入式微处理器及相关支撑硬件和外围电路组成。其中，嵌入式微处理器在嵌入式系统中处于核心地位，负责对整个系统进行控制和协调；相关支撑硬件是嵌入式系统工作的基础，比如s d r a m 、f l a s h 、下载接口电路、电源电路和时钟电路等为嵌入式微处理器提供了必须的运行环境；外围电路是嵌入式系统实现特定功能的基础，嵌入式硬件系统的可裁剪指的就是可扩展或删除外围电路，通过连接不同的外围电路可以让嵌入式系统实现不同的功能，因此嵌入式系统所需完成的功能决定了外围电路的组成。本仪表盘系统要实现的具体功能如下：1 通过c a n 总线接收其它c a n 节点的数据；2 通过c a n 总线将控制命令发送到其它c a n 节点；3 实现的音频数据的录制和播放，并将录制的音频数据以w a v 的文件格式编码；基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制4 将其它c a n 节点发送过来的汽车运行状态动态地显示在l c d 上。要实现仪表盘的上述功能，则仪表盘系统的外围电路至少需包含c a n 通信接口电路、音频接口电路和l c d 接口显示电路。图2 2 所示为仪表盘硬件系统结构图。i ! ! 竺辟匝弘叵弘c p u匝叵 舞爿昏f 3载接r 一图2 - 2 仪表盘硬件系统结构图图中，c p u 左端的s d r a m 、f l a s h 、电源接口、时钟源和调试下载接口为嵌入式系统的支撑硬件电路，s d r a m 和f l a s h 负责程序和数据的存储，电源电路为整个仪表盘系统提供工作电源，时钟源为c p u 提供时钟信号，调试与下载接口用于将可执行代码下载到f l a s h 中。c p u 右端的电路即为外围接口电路，是为满足嵌入式系统的特定功能而连接的。其中，音频接口电路用于音频数据的录制与播放；c a n 通信接口电路用于仪表盘系统与其它车载c a n 节点的通信：l c d 接口电路用于驱动l c d 显示屏，对汽车运行状态进行显示；串口、网络接口电路用于和宿主p c 机进行通信，在嵌入式系统的设计调试阶段，网络接口电路用于下载程序或实现n f s 通信，串口电路用于将打印信息传送到p c 机上的显示终端，用于软件的调试。其中，c a n 通信接口和音频接口的电路和驱动设计将在第四、五章进行详细论述。嵌入式软件系统可划分为嵌入式操作系统和应用软件两部分，其中操作系统是其关键部分。因此，构建仪表盘开发平台的工作主要包括：选择嵌入式微处理器，选择嵌入式操作系统，选择嵌入式开发板和建立开发环境等。第二章仪表盘开发平台的构建2 1 嵌入式微处理器的选型嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，是控制系统运行的硬件单元。目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构包括m c u 、m p u 、d s p 等3 0 多个系列。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。目前这样的嵌入式处理器类型有a r m 、m i p s 、a m l8 6 8 8 、3 8 6 e x 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 等系列。在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素【9 】。本系统选用a r m 系列的芯片作为嵌入式微处理器，选用a r m 的原因如下：a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e d ) 是目前嵌入式领域里应用最广泛的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r s ) 微处理器结构，以其低成本、低功耗、高性能的特点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。目前，a r m 微处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。a r m 微处理器的应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额。 1 0 l 【i l 】本系统选用a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，$ 3 c 2 4 1 0 是三星公司生产的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的16 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，主要应用于手持式设备以及高性价比、低功耗的场合。$ 3 c 2 4 1 0 支持m m u 功能，采用5 级流水线，显著提高了性能。$ 3 c 2 4 1 0 的工作频率最高能达到2 0 3 m h z ，这个工作频率能使处理器轻松运行l i n u x 等嵌入式操作系统以及进行较为复杂的信息处理【1 2 j 。$ 3 c 2 4 1 0 的主要资源包括： 1 个l c d 控制器s d 洲控制器 3 个通道的u a r t 4 个通道的d m a 4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟 触摸屏接口 i i s 总线接口 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制 2 个s p i 接口 s d 接口和m m c 卡接口 看门狗计数器 1 1 7 个通用i 0 口和2 4 位外部中断源 8 通道1 0 位a d 控制器2 2 嵌入式操作系统的选型为了满足嵌入式电子设备功能的不断升级和日趋复杂的电气结构，全世界的嵌入式操作系统多达数百种，而且新的嵌入式操作系统还在不断涌现，很多i t组织、大公司都有自己的嵌入式实时操作系统。常见的嵌入式操作系统有【1 3 】：v x w o r k s ，q n x ，n u c l e u se m b e d d e d ，t h r e a d x ，u c o s i i ，e c o s ，w i n d o w sc e ，p a l mo s 、s y m b i a n 和l i n u x 等。面对如此众多的嵌入式操作系统，如何选择一个合适的嵌入式操作系统是个令人困惑的问题。不过，这些常见的操作系统都特点鲜明，且各有所长，因此在选择操作系统时，只要明确了我们注重的是嵌入式操作系统的哪个特点，就可以容易的选出需要的嵌入式操作系统。在考虑了嵌入式操作系统的成本、稳定性、可移植性和可裁剪性等几个因素之后，我们决定在本汽车仪表系统中采用l i n u x 作为嵌入式操作系统。原因如下： l i n u x 是遵循g p l 协议的开放源码软件，任何人都可以从互联网上得到，不需要许可证费用，开发成本低。 l i n u x 的核心代码是开放的，所有人都可以根据自己的意图修改和定制开发适合自己的产品。 l i n u x 内核代码易于裁剪，可以根据具体应用需要增加或裁剪某些功能，以适应产品的需求。 l i n u x 核心代码采用移植性比较好的c 语言编写，可以很容易地移植到其它处理器上，可支持的处理器种类众多。 l i n u x 应用软件众多，在开发嵌入式产品时，有许多公开的代码可以参考和移植，可加快开发进程。第二章仪表盘开发平台的构建2 3 嵌入式开发板的选型在第一节中，我们已经说明了为什么选择$ 3 c 2 4 1 0 作为嵌入式微处理器，但仅有处理器的话嵌入式系统还不能工作，它必须包含一定的外设，比如串口、网口、f l a s h 等等。我们可以根据微处理器来自行设计外部接口电路或者选用成熟的开发板已经包含大部分必需的接口电路，在开发的初期，自己设计外围电路显得较为麻烦，一般设计者都是使用成熟的开发板，在开发板上做应用程序的开发和调试，等软件开发完成后，再根据使用到的资源对硬件电路进行裁剪，选取所需的接口电路，画出原理图，并布置p c b 板图。在本系统的开发中，我们选用的是深圳某公司的s t 2 4 1 0 开发板，该板包含了丰富的硬件资源，本系统中使用到的硬件资源有【1 4 1 ：中央处理器弋p u ：三星$ 3 c 2 4 1 0 ，主频2 0 3 m h z 外部存储器内存：6 4 m 字节；n a n df l a s h ：“m 字节串口两路u a r t 串行口，波特率高达1 1 5 2 0 0 b p s ； 网络接口个1 0 m 网口，采用c s 8 9 0 0 q 3 ，带联接和传输指示灯； l c d 和触摸屏接口板上集成了4 线电阻式触摸屏接口的相关电路；一个5 0 芯l c d 接口引出了l c d 控制器的全部信号； 时钟源内部实时时钟； 调试及下载接口电源接口5 v 电源供电，带电源开关和指示灯； 其它四个小按键、四个高亮l e d ；一个蜂鸣器；一个可调电阻接到a d c 引脚上用来验证模数转换；一个4 0 芯双排标准连接器用作扩展口，引出了地址线、数据线、读写、片选、中断、i o 口等扩展可能用到的信号。除了板上自带的硬件资源，我们还扩展了仪表盘必须的外围接口电路，用于实现仪表盘的特定功能，具体设计详见的第四、五章。基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制2 4 建立开发环境2 4 1 交叉编译环境的建立要在宿主机上开发和编译能在目标板上运行的程序，就必须在宿主机上建立交叉开发所需的交叉编译环境。交叉编译环境的建立主要是在宿主机上安装交叉编译工具c r o s s g c c 。c r o s s g c c 工具链可以自己用g c c 的源代码编译，或是使用已经编译好的g c c 工具链。第一种方式的难度较大，所以我们使用已编译好的g c c 工具链。网上下载c r o s s 3 3 2 t a r b z 2 ，在宿主机上的u s r l o c a l 目录下创建一个a r m 目录，将c r o s s 3 3 2 t a r b z 2 拷贝到该目录下，然后进入该目录执行：# t a rj x v fc r o s s 一3 3 2 t a r b z 2执行此命令后，在该目录下会生产一个3 3 2 的文件夹，里面包含的内容如表2 1 所示：表2 - 1 工具链u s r i o c a l a r m 3 3 2 的目录结构目录名内容a r m 1 i n u x和目标板( t a r g e t ) 相关的文件b i n交叉开发工具集i n c l u d e头文件i n t og c c 的i n f o 头件l i b库文件m a n帮助文档s h a r e交叉开发工具和库文件共享的文件在解压安装后，首次使用工具链之前，需要修改用户主目录下的b a s h r c 文件，把工具链所在路径加入p a t h 环境变量中。这样在下次使用工具链时，就可以直接使用工具的名称，而不必输入完整的路径。从表2 1 中可知工具链中的可执行文件是放在安装目录的子目录b i n 文件夹下，则可做如下设置：撕r o o t b a s h r c第二章仪表盘开发平台的构建打开b a s h r c 文件，在该文件中增加如下语句：p a t h = $ p i a t h ：u s r l o c a l a r m 3 3 2 b i n保存推出后，执行l o g i n 使对b a s h r c 的修改生效。这样，工具链就设置好了。2 4 2n f s 开发环境的建立在宿主机上开发的程序，可以通过以下途径使程序在目标板上运行1 1 5 】：1 利用串口通信协议，将程序下载到目标板的文件系统中。2 通过t 邱通信协议，从开发主机上的t 邱目录里将程序下载到目标板的文件系统中。，3 将程序拷入u 盘，在目标板上挂载( m o u n t ) u 盘，运行u 盘中的程序。4 在目标板上使用n f s 文件系统，则可以将程序拷入宿主机上对应的目录内，在目标板上就可以直接运行了。上面4 种途径中，使用n f s 文件系统运行程序有速度快、调试方便的特点。调试程序时，无需重新制作根文件系统映像，重新下载根文件系统映像文件，而只需将交叉编译好的，需要调试的程序放入提供n f s 服务的目录，即可进行调试，省去了许多麻烦。构建n f s 开发环境，将宿主机和目标板之间用以太网连接，在宿主机上运行m i n i c o m 作为目标板的显示终端。目标板上已经存在完整的文件系统，把宿主机上的某个目录挂载到目标板上。嵌入式l i n u x 的n f s 开发环境包含两个方面：一是宿主机的n f ss e r v e r 支持：二是目标板的n f sc l i e n t 支持。1 宿主机端( 1 ) 以r o o t 身份登录，编辑共享目录下的配置文件e x p o r t s ，指定共享目录及权限。在e t e e x p o r t s 文件中添加：h o m e n f s19 2 16 8 2 ( 陬s y a c ，n o _ r o o t _ s q u a s h ) 1 9 2 1 6 8 2 ：表示允许i p 范围在1 9 2 1 6 8 2 的计算机以读写的权限访问共享目录h o m e n f s r w ：读写权限 s y n c ：数据同步写入内存和硬盘 n o _ r o o t _ s q u a s h ：用来要求服务器允许远程系统以它的r o o t 特权存取该基于a r m 和嵌入式l i n u x 的汽车仪表盘研制目录( 2 ) 启动n f s首先要启动p o r t m a p ( 端口映射) 服务，这是n f s 本身需要的：# e t c i n i t d p o r t m a ps t a r t然后启动n f ss e r v e r ，此时n f s 会激活守护进程，然后开始监听客户端的请求：# e t c i n i t d n f ss t a r tn f ss e r v e r 启动后，检查开发主机的i p t a b l e s ( 防火墙) ，确定没有屏蔽n f s的使用端口和允许通信的主机，也可以暂时关闭防火墙：# i p t a b l e s - fl i n u xs e r v e r 端设置完成后，在开发主机上进行n f s 的回环测试。2 目标板的n f sc l i e n t( 1 ) 配置编译内核配置内核，使嵌入式l i n u x 内核支持n f s 客户端：# m a k em e n u c o n f i g在f i l es y s t e m 下n e t w o r kf i l es y s t e m 中选中n f ss y s t e ms u p p o r t 和p r o v i d en f s v 3c l i e n ts u p p o r t 后重新编译内核，将生成的z l m a g e 下载到目标板。( 2 ) 使用n f s在目标板的l i n u xs h e l l 下，把开发主机上的h o m e n f s 共享目录挂载到目标板上的m n t 目录下，执行：# m o u n t - 0n o l o c k - tn f s19 2 16 8 2 10 0 ：h o m e n f s m n t这样在目标板的m n t 目录下就可以看到开发主机的共享目录h o m e n f s 下的内容，可以按读写本地文件的方式读写远程文件系统，而且两个文件夹内的修改是同步的。在应用程序开发阶段，使用n f s 文件系统，不用反复烧写f l a s h ，也不用把程序下载到目标板的内存s d r a m 中，这样可以节省时间，提高效率，完成应用程序开发并调试好以后，可以将其添加到嵌入式目标板的文件系统中，或者直接添加到嵌入式l i n u x 内核的u s r 目录下，并且烧写到f l a s h 中。第三章l i n u x 设备驱动程序的开发第三章lit l u x 设备驱动程序的开发3 1l if l u x 设备驱动的基本原理在l i n u x 中，几乎所有的内容都是文件，对设备驱动的访问也是以文件操作的方式实现的。无论是字符设备还是块设备，用户对设备的操作都是通过虚拟文件系统转换为设各驱动与硬件操作例程的交互：即便是访问网络设备的s o c