基于CAN總線的嵌入式汽車儀表設(shè)計(jì)

王 璐，潘 明

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

中國汽車工業(yè)強(qiáng)勁發(fā)展，產(chǎn)銷能力排行世界第一，但絕大部分國產(chǎn)汽車仍搭載步進(jìn)電機(jī)式汽車儀表。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車信息容量與系統(tǒng)復(fù)雜程度產(chǎn)生了很大的變化。目前，國外各大汽車公司都在研究全數(shù)字式汽車儀表，汽車儀表正加速向智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN（Controller Area Network）總線的汽車智能儀表系統(tǒng)。設(shè)計(jì)思路是將獲取的行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油量、里程表、冷卻液和警示燈等數(shù)據(jù)顯示在人機(jī)交互界面上，并將巡航控制、導(dǎo)航、視頻和音樂等功能集成到該儀表系統(tǒng)當(dāng)中，所有信息都直觀顯示在大屏幕TFT-LCD上，觸摸屏技術(shù)給駕駛員與乘員帶來更為有趣的行駛過程。

Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面庫，它基于面向?qū)ο蟮乃枷?，擴(kuò)展容易且可移植性好，其良好的封裝機(jī)制使得Qt模塊化程度很高，用戶開發(fā)十分方便，并具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性。Qt包括多達(dá)250個(gè)以上的C++類，支持 2D/3D圖形渲染和 OpenGL，集成 Webkit引擎。本文采用Nokia最新開發(fā)的Qt Quick高級(jí)用戶界面技術(shù)，為嵌入式設(shè)備快速輕松地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)觸摸式界面和輕量級(jí)應(yīng)用程序。在Qt Quick中，新增加了一種簡便易學(xué)的語言QML，這種語言能讓Qt應(yīng)用程序開發(fā)變得更為方便快捷。

1 汽車儀表總體結(jié)構(gòu)

汽車儀表主要由數(shù)據(jù)接收發(fā)送、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)和觸摸屏顯示3個(gè)模塊組成，如圖1所示。

圖1 嵌入式汽車儀表硬件系統(tǒng)

數(shù)據(jù)接收發(fā)送模塊負(fù)責(zé)接收CAN總線傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)，如速度、轉(zhuǎn)速和溫度等，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器；或者將微處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后發(fā)送至CAN總線。微處理器接收到需要的數(shù)據(jù)后，按照預(yù)定的算法和要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果輸出。人機(jī)交互界面程序接收到微處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的顯示，并將觸摸事件反饋給微處理器。

2 汽車儀表硬件設(shè)計(jì)

本儀表采用Samsung公司的S3C6410處理器，它是一款低功耗、高性價(jià)比的32 bit RSIC處理器，其處理器在視頻媒體編解碼、2D/3D圖形加速、顯示處理和縮放等方面有很大的性能優(yōu)勢(shì)。S3C6410有很多硬件功能外設(shè)，如TFT真彩色LCD控制器，4通道的UART，4通道定時(shí)器，通用 I/O口，I2S總線，I2C總線，USB Host，高速USB OTG、SD Host、MMC卡接口以及內(nèi)部的 PLL時(shí)鐘發(fā)生器等。該處理器具有很大的擴(kuò)展空間，在后續(xù)開發(fā)中潛力巨大。Qt Quick開發(fā)出美觀炫麗的用戶圖形界面，需要選擇圖形處理能力較強(qiáng)的處理芯片，因此選擇S3C6410處理器。

S3C6410處理器沒有內(nèi)置CAN控制器模塊，需要外接一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器。該儀表選用美國微芯科技有限公司生產(chǎn)的MCP2510作為CAN控制器。MCP2510是帶有SPI接口的獨(dú)立的CAN控制器，它支持CAN 2.0A/B，含有3個(gè)發(fā)送緩沖器和兩個(gè)接收緩沖器，可以使MCP2510發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。本設(shè)計(jì)采用飛利浦公司生產(chǎn)的TJA1050作為CAN收發(fā)器，如圖2所示。將MCP2510的數(shù)據(jù)輸出TXCAN和RXCAN引腳通過6N137光耦接到TJA1050的TXD和RXD引腳上，MCP2510的 SPI接口的 SCK、SI、SO引腳用導(dǎo)線引出，S3C6410通過SPI接口與 MCP2510進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，MCP2510將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文發(fā)送到TJA1050，TJA1050把MCP2510傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為差分電壓信號(hào)發(fā)送到CAN總線上。

圖2 CAN控制器與收發(fā)器接口電路

3 汽車儀表軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線通信

德國Bosch公司開發(fā)的CAN總線是為解決現(xiàn)代汽車中大量的電控單元而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議，在車載各電子控制單元 ECU（Electronic Control Unit）之間交換信息，形成了重要的汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。CAN技術(shù)規(guī)范遵從ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)定義的7層基準(zhǔn)參考模型，按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，最早的CAN規(guī)范只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，用戶需要自己制定相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議。J1939協(xié)議是美國汽車工程協(xié)會(huì)SAE （Society of Automotive Engineers）根據(jù)CAN 2.0B為核心協(xié)議制定的協(xié)議。J1939協(xié)議制定了應(yīng)用層協(xié)議，明確規(guī)定了ECU地址、報(bào)文發(fā)送優(yōu)先級(jí)、擴(kuò)展幀格式和通信方式等。由CAN總線高速網(wǎng)絡(luò)連接車載電子裝置，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)共享。因此本文采用SAE J1939協(xié)議。

3.1.1 SAE J1939協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

SAE J1939協(xié)議數(shù)據(jù)幀以協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU為單位，如圖3所示。PDU包含優(yōu)先級(jí)（P）、保留位（R）、數(shù)據(jù)頁（DP）、PDU 格式（PF）、PDU 細(xì)節(jié)（PS）、源地址（SA）以及數(shù)據(jù)域（Data Field）。 指定 PDU（PS）：當(dāng) PF 值為 0～239時(shí)，PS是目標(biāo)地址 DA； 當(dāng) PF值為 240～255時(shí)，PS為組擴(kuò)展（GE）。CAN 擴(kuò)展幀中，SOF、SRR、IDE、RTR 位、控制域場(chǎng)、CRC、ACK和 EOF場(chǎng)沒有包括在 PDU內(nèi)，這些場(chǎng)由CAN規(guī)范定義，未被SAE J1939修改。

圖3 SAE J1939協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

3.1.2 CAN通信軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中S3C6410通過SPI總線與CAN控制器MCP2510通信，CAN通信可分為各個(gè)獨(dú)立的程序模塊，包括SPI初始化、MCP2510的初始化和發(fā)送接收子程序等。在CAN總線工作開始時(shí)，首先需要對(duì)S3C6410微處理器的SPI進(jìn)行初始化操作，設(shè)置相應(yīng)寄存器，然后對(duì)MCP2510進(jìn)行初始化操作。在對(duì)MCP2510進(jìn)行讀寫操作時(shí)，必須嚴(yán)格遵守SPI指令。SPI指令包括復(fù)位（11000000）、 讀 （00000011）、 寫 （00000010）、 發(fā) 送 請(qǐng) 求（10000000）、狀態(tài)讀（10100000）和位修改（00000101）。

MCP2510只有在配置模式下才能對(duì)器件進(jìn)行正常的初始化。其中包括CAN通信的波特率、MCP2510的配置寄存器、濾波/屏蔽寄存器和中斷使能寄存器等。在進(jìn)行完初始化之后，必須將MCP2510置為Normal模式。CAN控制器MCP2510初始化流程如圖4所示。

圖4 MCP2510初始化流程圖

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

Qt Quick提供了一套高動(dòng)態(tài)、豐富的QML元素來制定用戶圖形界面的框架以及Qt Quick Designer開發(fā)工具。QML語言是一種描述性語言，用于描述用戶界面的外觀和行為。QML中采用JavaScript作為腳本語言，用戶界面被規(guī)定為樹形結(jié)構(gòu)。

3.2.1 QML語言模塊以及語法

QML已經(jīng)定義了許多功能強(qiáng)大的界面元素，如Item、Rectangle、Image、Text和 ListView 等， 其 中 Item 是QML中可視元素的基礎(chǔ)。import語句導(dǎo)入包含所有標(biāo)準(zhǔn)QML元素的Qt模塊，其中一些元素可以作為其他元素（children）的容器（parent）。 每個(gè)元素具有唯一的 id屬性，此id允許對(duì)象被其他的對(duì)象引用。屬性以name：value 形式指定。State、property、Animation、Transition、Timer和Connection等元素用于描述應(yīng)用程序的行為。在QML中常常用到的Anchors描述的是當(dāng)前元素的位置和其他元素的相對(duì)關(guān)系。一個(gè)元素通過形式為Type.property的屬性附加到另一個(gè)元素當(dāng)中，其中Type是附加property元素的類型。在QML中，狀態(tài)（States）用于管理有 id的元素，它由多個(gè)state元素構(gòu)成，每個(gè)元素都可以定義自己的不同狀態(tài)，當(dāng)元素進(jìn)入某個(gè)狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的屬性將被設(shè)置修改。在設(shè)計(jì)中通過判斷條件來決定是否激活一個(gè)狀態(tài)，使用when屬性，返回值為true或者false。在QML語言描述一個(gè)按鈕的單擊功能時(shí)，可以使用QML事件處理功能，這個(gè)功能是非常類似于Qt的Signal/Slot機(jī)制。

QML中用戶界面創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型非常重要，具有資源利用率高、數(shù)據(jù)傳輸快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間合理和用戶界面流暢等優(yōu)點(diǎn)。模型為其他部件提供數(shù)據(jù)接口，在設(shè)計(jì)中使用ListView能快速建立菜單欄列表類型的界面。

QML元素 ListModel可以從內(nèi)部創(chuàng)建這些 Model，或使用 QAbstractListModel繼承的 C++Model類，ListElement在ListModel中定義數(shù)據(jù)項(xiàng)，列表ListView顯示Model的數(shù)據(jù)，Delegate定義如何顯示數(shù)據(jù)。通過ListView定義Items的布局為水平布局和垂直布局來顯示Items的布局方式。ListModel、Delegate和ListView之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 ListModel、Delegate和ListView 關(guān)系

3.2.2 QML與 C++交互

Qt Quick包含QtDeclarative C++模塊，并且被整合進(jìn)Qt creator IDE當(dāng)中。QML API有QDeclarativeEngine、QDeclarativeComponent和QDeclarativeContext 3個(gè)主要成員:QDeclarativeEngine提供在C++中QML應(yīng)用的運(yùn)行庫以及QML內(nèi)容與Qt/C++程序中的接口;QDeclarative Component加載QML文檔,每個(gè)QDeclarativeComponent實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)QML文檔，文檔URL可以是本地文件系統(tǒng)URL或任何 QNetworkAccessManager支持的網(wǎng)絡(luò) URL；QDeclarativeContext暴露數(shù)據(jù)給QML實(shí)例。

在Qt/C++中使用QML開發(fā)的組件，必須先讓QML運(yùn)行的環(huán)境被應(yīng)用程序加載調(diào)用，創(chuàng)建一個(gè)QDeclarativeEngine實(shí)例，使用QDeclarativeEngine加載QML組件并對(duì)所有的QML組件進(jìn)行全局配置。通過QDeclarativeComponent：：create（ ） 方法創(chuàng)建 QML組件實(shí)例。下面的代碼演示了如何加載一個(gè)QML Document并創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例。

QDeclarativeEngine*engine=new QDeclarativeEngine（parent）；

QDeclarativeComponent component （engine，QUrl：：fromLocalFile（"main.qml"））；

QObject*Object=component.create（ ）；

為了把QML組件嵌入到Qt/C++應(yīng)用程序中，需要使用Qt 4.7以上的SDK。

3.2.3 人機(jī)交互界面開發(fā)

在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面主要涉及布局、Signal/Slot通信機(jī)制的運(yùn)用、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、Transition過渡效果、ListModel與ListView元素等內(nèi)容。通信方式使用QML發(fā)送 Signal，Qt/C++中定義用 Slot接收。

在人機(jī)交互主界面中，使用Scale縮放儀表盤圖片，使其適合屏幕，設(shè)置Rotate來旋轉(zhuǎn)儀表盤指針，旋轉(zhuǎn)默認(rèn)是以圖片中心為轉(zhuǎn)軸，但是可以通過transformOrigin屬性來設(shè)置轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)向燈使用State元素，State通過PropertyChanges修改屬性，當(dāng)總線傳來開啟轉(zhuǎn)向燈信號(hào)時(shí)，圖片透明度從較低值變換到較高值，當(dāng)接收到總線傳來的關(guān)閉轉(zhuǎn)向燈信號(hào)時(shí)，圖片透明度從較高值變換到較低值，從而實(shí)現(xiàn)了警示燈的亮與滅。警示燈狀態(tài)變化要迅速直觀，減少駕駛員對(duì)警示燈誤判，因此并沒有采用Transition元素為狀態(tài)轉(zhuǎn)換間提供動(dòng)畫動(dòng)態(tài)過渡，同理，其他警示燈也采用這種方法實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換同樣用于儀表中菜單欄圖標(biāo)的顯示中，例如瀏覽器網(wǎng)頁縮略圖模式與瀏覽模式切換，代碼如下：

儀表各分界面菜單使用ListView顯示，例如定義一個(gè)菜單欄，代碼為：

基本的菜單欄都類似于上面的代碼。在儀表系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字、英文字母與符號(hào)輸入使用Grid元素來布局，spacing屬性控制網(wǎng)格單元之間的距離。代碼例子如下：

4 開發(fā)環(huán)境編譯與移植

Qt Creator是跨平臺(tái)的Qt IDE，提供了圖形化的調(diào)試窗口和qmake工具，Qt Creator代碼編輯窗口具有非常人性化的設(shè)計(jì)，具有對(duì)C++及QML語言表達(dá)式檢查，代碼語句整齊排列，代碼自動(dòng)補(bǔ)全，對(duì)類與函數(shù)及變量作上下文關(guān)聯(lián)分析，告知函數(shù)聲明和調(diào)用的位置。Qt Demo提供大量的Qt實(shí)例并提供在Qt Linguist下的源代碼鏈接，通過Qt Demo可以快速學(xué)習(xí)Qt和QML編程。

要在ARM上運(yùn)行Qt程序，需要移植ARM版本的Qt/E。進(jìn)入到ARM版Qt/E目錄當(dāng)中，執(zhí)行配置源碼命令 echo yes|./configure-opensource-embedded armxplatform qws/linux-arm-g++-webkit-qt-libtiff-qtlibmng-qt-mouse-tslib-no-mouse-linuxtp-declarative-noqt3support-nomake examples-nomake demos-nomake docs-importdir/usr/local/Trolltech/QtEmbedded-4.8.0-arm/qml–fast。

在上面的語句當(dāng)中，最后的語句-importdir/usr/local/Trolltech/QtEmbedded-4.8.0-arm/qml是將qml相關(guān)庫添加到Qt/E庫當(dāng)中，使用arm-linux交叉編譯器進(jìn)行編譯，-xplatform qws/linux-arm-g++，-qt-mouse-tslib命令為使用tslib來驅(qū)動(dòng)觸摸屏。編寫好配置命令后，使用make與make install命令進(jìn)行編譯安裝，然后將文件打包下載到ARM板并解壓縮，這樣Qt/E的ARM環(huán)境就移植完畢。

5 汽車儀表測(cè)試

儀表系統(tǒng)是駕駛過程中非常重要的系統(tǒng)之一，在此選用較深色背景作為LCD終端顯示背景，避免駕駛員出現(xiàn)視覺疲勞現(xiàn)象，背景也可以根據(jù)用戶喜好而改變。汽車車速表、轉(zhuǎn)速表、燃油表與溫度表都以圓盤式指針表顯示，這樣的設(shè)計(jì)比較符合駕駛員對(duì)傳統(tǒng)汽車儀表的使用習(xí)慣。菜單欄位于屏幕上部，便于乘員對(duì)儀表盤進(jìn)行操作。

使用嵌入式Linux作為車載儀表系統(tǒng)是比較流行的解決方案之一，其中嵌入式GUI能給用戶提供良好的操作界面，而Qt Quick能迅速開發(fā)美觀易用的嵌入式GUI，在今后的實(shí)際應(yīng)用中有著巨大的潛力，有比較大的參考價(jià)值。

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