摘  要：為了優化汽車儀表系統性能，提高系統智能化、人車交互界面友好度，以ARM微處理器S5PV210為控制核心設計了一款汽車智能儀表系統。該系統以嵌入式實時操作系統Linux為軟件平臺，結合CAN現場總線技術，并采用開放源代碼的圖形界面庫QT開發儀表終端應用程序。經實驗驗證，系統性能得到了改善。
關鍵詞： 智能儀表；ARM處理器；現場總線CAN；嵌入式系統；Qt

    汽車的顯示儀器作為駕駛員與汽車信息交流的主要途徑，實時地將汽車的駕駛情況反饋給駕駛員。作為人機交換信息的一個重要窗口，汽車顯示儀器有了很大的發展：第一代基于器械作用力，用機械指針顯示；第二代基于電測原理，通過各類傳感器采集非電量數據并轉換成電信號顯示；經過第三代的模擬電路電子式的發展到第四代全數字儀表，將各種輸入信號轉換成數字信號，通過專用的中央處理器處理各種信號，在LCD屏、VFD等顯示屏上顯示各種信息，全數字儀表重復性好、線性度好、可靠性高，適合現代生活對產品的智能化、數字化的要求[1]。
   本文提出了一種虛擬智能儀表系統，S5PV210為中央處理器；通過CAN總線傳輸各種顯示所需要的數據；采用實時性嵌入式系統Linux為汽車的操作系統；圖形應用界面庫Qt開發終端應用程序。系統的性能得到提高，同時可擴展性和可維護性都有了很大的改善，具有很大的商業價值。
1 總體設計
    通過CAN總線實時地采集汽車的各種數據，包括汽車運行的轉速、車速、水溫、油量、電壓、油壓、里程等信息，然后由嵌入式處理器S5PV210處理數據，將得到的數據在顯示屏上用圖形界面虛擬顯示。同時,系統在汽車異常運行時語音報警，顯示器顯示具體的異常原因。
2 硬件組成
    汽車智能儀表系統的硬件設計如圖1所示，系統的控制核心采用SAMSUNG的S5PV210,采用ARM cortexTM-A8內核，ARM V7指令集,主頻高達1 GHz，64/32 bit內部總線結構，具有非常高的運算能力。S5PV210包含很多強大的硬件編解碼功能，同時內建高性能PowerVR SGX540 3D圖形引擎和2D圖形引擎,支持2D/3D圖形加速,能更快地解碼更高質量的圖像和視頻[2]。采用外置CAN控制器承擔CAN節點控制器的任務,通過SPI接口與CAN控制器通信，快速高效。S5PV210嵌入了許多外圍設備的功能，減少了系統芯片的數量。各種傳感器將采集到的轉速、車速、水溫、油量、電壓、油壓、里程等模擬信號通過CAN總線傳遞給控制器自帶的A/D輸入口轉換成數字信號，LCD屏實時顯示采集到的信息，顯示的圖片信息存儲在SD卡中，通過輔助小鍵盤調節顯示效果。中心控制器處理信息，當信息不符合設定的正常數值時顯示器顯示異常原因，語音模塊[3]發出警報。軟件采用嵌入式實時操作系統Linux2.6.30高效地管理整個系統。

    智能儀表采用網路化的集中管理，通過CAN總線將汽車各部分的信息傳遞給控制器，控制器通過CAN總線反饋實現汽車的有效操作。系統的CAN總線通信系統選用Microchip的MCP2515為控制核心，MCP2515是一款獨立CAN協議的控制器[4-5],完全支持CAN V2.0B技術規范，通過符合工業標準的SPI口與控制器連接。LCD顯示器選用CPT的8英寸工業屏CLAA080XA03BT，分辨率高達1 024×768，可視角度大、亮度高、對比度好、反應時間快，滿足儀表系統對顯示屏顯示的各種要求。
3 軟件設計
    汽車智能儀表系統采用嵌入式Linux為操作系統，Linux源代碼開放并遵循GPL規則，選擇Linux2.6.30版本，經過系統裁剪，以適合本系統的嵌入式和實時的應用，同時在Linux系統平臺下編寫各模塊的驅動程序和應用程序。控制面板采用Qt/Embedded圖形界面，外觀顯示的是傳統機械儀表圖形和數字圖形結合的圖形界面。傳感器采集各種數據，經過CAN總線傳輸，控制器對各種數據處理，同時通過儀表圖形界面顯示各種數據，當出現異常時，界面顯示原因并且語音提示報警。整個系統軟件如圖2所示。系統主要分為兩個部分：Linux系統下各個應用模塊的驅動程序設計和Qt圖形界面設計。

3.1 驅動程序設計
　外部和內置設備驅動程序設計如下[6]：
    (１)8英寸的TFT-LCD屏驅動設計。在驅動LCD中首要配置LCD控制器，尤其是幀緩沖區(FrameBuffer)的指定，LCD是以字符設備方式加以訪問和管理，采用“文件層-驅動層”的接口方式。文件層定義的數據結構為file_operation結構體中的接口函數，如讀/寫的read/write函數和用于控制的ioctl等。將LCD驅動程序模塊化，將編寫好的LCD驅動程序lcd.c放到arm/linux/drivers/char目錄下，進行make menuconfig選擇靜態加載LCD驅動。
    (２)CAN模塊驅動設計。系統中采用MCP2515獨立控制器和TJA1050高速CAN總線收發器為一體的外接模塊。MCP2515與主控芯片使用SPI數據總線進行交互，將SPI封裝成SPI設備注冊與驅動注冊兩部分，分別由platform_device和device_driver兩個結構體實現。成功注冊SPI總線后，將CAN總線驅動作為SPI子設備掛載到SPI總線上，與主控芯片傳遞數據。
    (３)A/D轉換器驅動程序設計。S5PV210帶有10路12 bit的模擬輸入通道，A/D轉換的驅動程序流程為：打開A/D轉換器→采集模擬信號→進行A/D轉換→輸出數字信號→關閉A/D轉換器。A/D轉換驅動程序也是一個字符設備驅動，將編譯好的A/D轉換程序燒入內核。
    (４)5×5鍵盤驅動程序。鍵盤驅動程序采用層次型體系結構，分上下兩層實現。上層為通用鍵盤抽象層，為底層服務;下層為硬件處理，對硬件直接操作。主要的工作在于編寫底層處理函數，鍵盤中斷處理獲取按鍵的掃描碼，調用handle_scancode（），識別按鍵在鍵盤的位置，實現按鍵驅動。
    (５)網口驅動程序、USB協議、控制信號輸出驅動程序等驅動程序在Linux2.6.30中由官方給出，可直接調用。所有的驅動程序在系統中均采用靜態編譯方式，不需要模塊加載。
3.2 應用程序設計

    本系統的應用程序包括管理任務、采集數據任務、CAN總線收發任務、LCD屏顯示任務、處理異常情況任務等多個任務，采用信號量、郵箱、消息隊列等多種常用進程間通信機制。系統采用C語言入口函數Main()的編寫完成各種初始化操作，建立信號量和消息隊列，依次創建各任務，最后啟動操作系統，實現多任務操作。
    在Linux系統中，各任務被賦予不同的優先級，擁有不同的任務棧，不同任務之間通過消息隊列和信號量通信和共享數據。任務采用無限循環結構，各任務通過延時或等待信號量和消息對決定CPU的使用權，通過產生中斷來切換任務。當得到消息隊列或者延時時間時，高優先級的任務進入就緒狀態，任務獲得CPU使用權，最后處理相應的消息隊列中的數據[7]。
3.3 Qt圖形界面設計[8-10]
    Qt/Embedded用于嵌入式系統，具有高效、穩定、美觀等特點，能夠為用戶提供可靠的交互功能。用Qt/Embedded下的集成開發工具Qt Designer實現嵌入式GUI的設計與布局，界面設計完成后， 生成.ui文件， 由.ui文件生成相應的頭文件，在頭文件中用一個類實現對界面的搭建。具體的界面編寫過程如下：
    (1)使用Qt Designer提供的uic工具通過界面文件Carsmarting.ui生成Carsmarting.h文件和Carsmarting.cpp文件。命令為uic-o Carsmarting.h Carsmarting.uiuic-o和Carsmarting.cpp-impl Carsmarting.h Carsmarting.ui。
    (２) 系統中實現顯示功能，在Carsmarting.cpp文件中添加相應的功能實現代碼。編寫main主函數文件，主函數所在文件名為main.cpp，首先產生一個QApplication類的實例，然后定義窗口類實現并把它作為程序的主窗口，接著設置mainwindow部件，最后調用show()和exec()方法，使用庫管理界面作為主界面，程序進入消息循環。以下是Carsmarting.的主函數文件main.cpp的主要代碼：
    int main(int argc,char **argv)
    {
    QApplication Carsmarting(argc,argv);
                      //創建對象，管理整個應用程序資源
    Carsmarting.*mainwindow = new Carsmarting;
                                  //創建應用程序窗口
    app.setMain Widget(&mainwindow);
                        //設置程序的主部件mainwinow
    mainwindow—>how();  //使mainwindow的窗口部件可見
    return Carsmarting.exec();
                         //傳遞給Qt應用程序的控制權
    }
    (３)編譯。使用progen命令生成工程文件（.pro文件），根據工程文件使用tmake命令生成Makefile文件，最后使用make命令編譯鏈接整個工程。
    本文介紹的基于嵌入式Linux和CAN總線的汽車智能儀表系統具有非常優良的性能。通過裁剪優化嵌入式系統，提高了整個系統性能；系統應用CAN總線獲取顯示所需的數據，安全快捷；采用多任務設計方式，提高了系統的實時性和靈敏度；采用Qt/Embedded圖形界面，豐富了桌面系統，界面顯示友好。經過實驗測試，本系統能夠正常運行。該系統不但可應用在汽車儀表系統，同時對于機載艦載儀表系統有重要的參考意義。
參考文獻
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[6] 宋寶華.Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.
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