基于Labview的嵌入式車載信息終端的設(shè)計(jì)

盛多錚，吳 偉，朱向冰

（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

車載信息終端是傳統(tǒng)儀表顯示技術(shù)和現(xiàn)代嵌入式技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其中綜合了多種傳感器技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)等。與傳統(tǒng)汽車儀表相比，具有家庭化，智能化，功能化，易升級(jí)等特征。但是從功能上講，目前市場(chǎng)現(xiàn)有車載終端都只是將各種車載設(shè)備功能集成到一個(gè)產(chǎn)品中，并沒有涉及對(duì)汽車行駛信息及汽車功能參數(shù)等的數(shù)字化顯示。本設(shè)計(jì)結(jié)合嵌入式技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，在市場(chǎng)現(xiàn)有車載信息終端功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車對(duì)各種車載信息的顯示和遠(yuǎn)程對(duì)汽車參數(shù)的訪問(wèn)。同時(shí)，開發(fā)人員可以在不改變硬件電路的基礎(chǔ)上完成軟件部分的升級(jí)，系統(tǒng)的很多功能可以由設(shè)計(jì)人員直接對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，可方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)等連接，是未來(lái)汽車儀表行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

塊對(duì)汽車后方的影像進(jìn)行采集并顯示，同時(shí)利用Labview的WEB SERVER技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程前面板監(jiān)控。本設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，按照數(shù)據(jù)流程可以將整個(gè)系統(tǒng)分為3大部分，分別是位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)的CAN節(jié)點(diǎn)，基于STM32的嵌入式服務(wù)器，以及基于Labview圖形化開發(fā)語(yǔ)言的終端平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器將相應(yīng)車載信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并通過(guò)CAN總線傳輸，基于STM32的嵌入式服務(wù)器以中斷的方式[4]對(duì)各種車載信息進(jìn)行讀取，Labview客戶端每隔一定時(shí)間向服務(wù)器發(fā)出一次數(shù)據(jù)獲取請(qǐng)求，基于STM32的服務(wù)器便將從CAN總線上獲取的車載信息發(fā)送給Labview平臺(tái)，這樣完成一次車載信息的獲取并顯示。圖1是本設(shè)計(jì)最終完成的PC端人機(jī)交互界面。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于Labview的嵌入式車載信息終端主要完成了對(duì)汽車CAN總線上各種車載信息的讀取，并將獲取的數(shù)據(jù)以非常直觀的形式在Labview界面中顯示。通過(guò)Labview機(jī)器視覺模

系統(tǒng)的硬件電路部分主要用于完成對(duì)各種車載信息的獲取并通過(guò)網(wǎng)口將數(shù)據(jù)發(fā)送給Labview平臺(tái)。除了包括自主設(shè)計(jì)的CAN節(jié)點(diǎn)，SD卡讀寫電路，網(wǎng)口通信電路等，也包括一些外購(gòu)的模塊，比如GPS和攝像頭模塊。圖2反映了各模塊之間的關(guān)系以及整體構(gòu)架。

圖1 基于Labview的嵌入式車載服務(wù)終端界面Fig.1 Interface of embedded automotive service terminal based on Labview

圖2 基于Labview的嵌入式車載服務(wù)終端組成框圖Fig.2 Bolck diagram of embedded automotive service terminal based on Labview

2.1 基于HCS12X的CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖3 基于MC9S12XS128的CAN節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)Fig.3 Design of the CAN node circuit based on MC9S12XS128

在整個(gè)CAN BUS網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境一般都比較惡劣，這對(duì)系統(tǒng)的EMC性能提出了較高的要求。綜合各種考慮，設(shè)計(jì)中的各子節(jié)點(diǎn)部分主控芯片選擇了MC9S12XS128單片機(jī)。它屬于飛思卡爾公司的HCS12XS系列產(chǎn)品，是一款專門針對(duì)汽車電子市場(chǎng)的高性能16位微控制器，具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、功耗低等特點(diǎn)。同時(shí)外設(shè)較為豐富，內(nèi)部集成了CAN控制器，所以在CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中只需要再購(gòu)置一個(gè)CAN收發(fā)器便可。

2.2 STM 32的SD卡讀寫和網(wǎng)口通信電路的設(shè)計(jì)

文中在STM32F1平臺(tái)上設(shè)計(jì)出了基于SDIO通信模式的SD卡讀寫電路[7]以實(shí)現(xiàn)汽車黑匣子的功能，相對(duì)于SPI模式，速度更快，穩(wěn)定度更高。在功能上實(shí)現(xiàn)了對(duì)事故最后階段汽車各個(gè)模塊性能參數(shù)以及駕駛員反應(yīng)情況等信息的記錄，這些數(shù)據(jù)在后續(xù)的事故處理階段可以部分甚至全部再現(xiàn)事故發(fā)生過(guò)程。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)上，通過(guò)移植μC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)管理各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行，確保了數(shù)據(jù)采集和控制的實(shí)時(shí)性、可靠性。通過(guò)在STM32F1上移植LWIP協(xié)議，在硬件電路正常工作的條件下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)和PC的網(wǎng)口通信。STM32首先獲取到CAN總線上的各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，這些信號(hào)包括車速，水溫，油量，車胎氣壓等，再通過(guò)以太網(wǎng)接口將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至Labview平臺(tái)。這種網(wǎng)口通信[8]的方式有利于提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋彩沟脭?shù)據(jù)的吞吐量更大。選用DM9000作為以太網(wǎng)通信的MAC控制器，用戶可以容易的移植任何系統(tǒng)下的端口驅(qū)動(dòng)程序。

圖4 以太網(wǎng)控制器連接圖Fig.4 Connection diagram of the Ethernet controller

2.3 電子后視鏡區(qū)

電子后視鏡區(qū)顯示攝像頭所拍攝的汽車后方影像，以方便駕駛員觀測(cè)后方交通情況。主要是利用Labview機(jī)器視覺模塊強(qiáng)大的圖像處理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于USB攝像頭圖像的采集。

圖5 基于DM9000的以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)電路Fig.5 Circuit to ethernet communicationmodule based on the DM9000

2.4 定位導(dǎo)航

定位導(dǎo)航區(qū)顯示電子地圖，它利用GPS接收器接收的汽車定位信息在電子地圖上描繪汽車運(yùn)行軌跡。定位導(dǎo)航程序可提供靜態(tài)導(dǎo)航功能，能根據(jù)駕駛員提供的起點(diǎn)和終點(diǎn)名稱，自定確定最短行車路線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括單片機(jī)功能模塊程序的編寫和PC端基于Labview的人機(jī)交互界面整體構(gòu)架的搭建。系統(tǒng)的各種功能及組合方式、人機(jī)界面的表現(xiàn)形式等都是通過(guò)軟件來(lái)完成的。

人機(jī)交互界面采用Labview這種直觀的圖形程序語(yǔ)言，以一種很直觀的方法建立前面板和程序框圖。前面板是用戶可以看到的，類似傳統(tǒng)儀器的操作面板，利用工具模板從控制模板中添加輸入控制器和輸出指示器，控制器和指示器種類可選擇。程序框圖是支持虛擬儀器實(shí)現(xiàn)其功能的核心，其設(shè)計(jì)主要包括對(duì)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)。連線代表數(shù)據(jù)走向，節(jié)點(diǎn)則是函數(shù)、VI子程序、結(jié)構(gòu)或代碼接口。

為了使儀表的界面清晰、美觀和舒適，把車輛信息系統(tǒng)的內(nèi)容按顯示信息的特性和駕駛員的需求頻率分成不同的界面顯示。

3.1 CAN節(jié)點(diǎn)部分程序的設(shè)計(jì)

前面給出了基于HCS12X的CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路的設(shè)計(jì)，要完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，還必須實(shí)現(xiàn)控制器各個(gè)功能模塊程序的編寫，軟件的流程和結(jié)構(gòu)會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)的性能，具體的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。主程序如下：

圖6 子節(jié)點(diǎn)部分程序設(shè)計(jì)流程圖Fig．6 Design flow of the child node part

3.2 嵌入式服務(wù)器獲取總線數(shù)據(jù)并與Labview通信

基于STM32的嵌入式服務(wù)器一方面要獲取來(lái)自于CAN總線上的各種車載信息，另一方面要將獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給Labview終端。設(shè)計(jì)通過(guò)中斷嵌套來(lái)管理用到的各個(gè)內(nèi)部中斷，其中Systick中斷用于處理Lwip數(shù)據(jù)包，以太網(wǎng)中斷用于相應(yīng)客戶端請(qǐng)求，CAN中斷用于接收來(lái)自CAN總線上的各種車載信息。客戶端通過(guò)發(fā)送指定字符向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器予以響應(yīng)并將本地的車載信息發(fā)送至客戶端。

3.3 Labview中定位導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中GPS導(dǎo)航外部接收器采用微軟公司的GPS-500 SIRF III接收模塊，配上專業(yè)導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)了汽車上的導(dǎo)航功能。要實(shí)現(xiàn)將導(dǎo)航功能嵌入到設(shè)計(jì)的用戶界面中，需要通過(guò)LABVIEW調(diào)用WINDOWS下相關(guān)功能的API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，使用Shell32．DLL下的ShellexecuteA（）函數(shù)打開導(dǎo)航軟件，然后通過(guò)findwindows（）函數(shù)獲取窗口的引用句柄，最后使用setwindowpos（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口大小以及打開位置的控制。

圖7 調(diào)用API實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能Fig．7 Call theWindows API to achieve the navigation function

圖8 基于IMAQ USB的圖像采集的實(shí)現(xiàn)Fig．8 Implementation of image acquisition based on IMAQ USB

3.4 圖像采集的實(shí)現(xiàn)

使用IMAQ攝像頭實(shí)現(xiàn)了圖像信息的獲取，圖8是Labview平臺(tái)IMAQ USB圖像采集部分的代碼。

3.5 語(yǔ)音娛樂(lè)等功能的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于作品中的語(yǔ)音娛樂(lè)功能，即用戶可根據(jù)自己需要在Labview界面的適當(dāng)位置進(jìn)行視頻播放，上網(wǎng)娛樂(lè)等。這些功能的實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)Activex控件將Labview程序作為客戶端去訪問(wèn)車載電腦中支持Activex容器的程序，比如Windows media，并通過(guò)對(duì)獲得屬性的控制使用戶對(duì)程序的操作只發(fā)生在相應(yīng)的位置。

4 結(jié) 論

基于Labview的嵌入式車載信息終端，在現(xiàn)有車載終端的基礎(chǔ)上完成了對(duì)車載信息的數(shù)字化顯示和遠(yuǎn)程的訪問(wèn)，使車載信息的顯示更加清晰和直觀、信息量更大、智能化程度更高，而且便于升級(jí)和維護(hù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。雖然目前虛擬儀器技術(shù)在車載信息顯示領(lǐng)域尚處于起步階段，還有很多工作要去做，但隨著技術(shù)的成熟，必將對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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