基于嵌入式LINUX的智能車載終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 青， 楊 勇

（1．南京鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210049；2.中興通訊股份有限公司 江蘇 南京 210028）

隨著國內(nèi)汽車使用量增加，公路建設(shè)在跨越式發(fā)展，道路的復(fù)雜程度越來越大，這些因素給車輛安全運(yùn)行帶來了困難。如何讓車輛安全行駛，并能夠?qū)囕v進(jìn)行有效監(jiān)管，已經(jīng)成為駕車人和交管部門重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)。智能交通系統(tǒng)ITS（Intelligent Transportation Systems）[1]， 通 過 引 進(jìn) 信 息 管 理 技術(shù)，優(yōu)化傳統(tǒng)的交通管理系統(tǒng)，形成新型現(xiàn)代交通管理系統(tǒng)，體現(xiàn)出信息化、智能化和社會(huì)化的特點(diǎn)。在智能交通系統(tǒng)中，車載終端是重要組成部分，它使用衛(wèi)星全球定位GPS功能對(duì)道路上運(yùn)行的車輛，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管、控制和調(diào)度。具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用GPS接收機(jī)，接收車輛實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)位置信息，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到車輛監(jiān)控中心；監(jiān)控中心根據(jù)接收到的車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及當(dāng)前道路實(shí)際監(jiān)測(cè)狀況，向車載終端發(fā)送控制指令，以達(dá)到對(duì)運(yùn)行車輛的調(diào)度和監(jiān)控[2-3]。

當(dāng)前，電子技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)一些處理能力強(qiáng)、外設(shè)接口豐富的處理器芯片，比如ARM（Advanced RISC Machines）系列處理器，為開發(fā)多功能的車載終端提供了硬件技術(shù)基礎(chǔ)；此外，LINUX操作系統(tǒng)日漸成熟穩(wěn)定，且外設(shè)驅(qū)動(dòng)支持豐富，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，為開發(fā)智能車載終端提供了強(qiáng)大的軟件支撐平臺(tái)。

文中根據(jù)車載終端系統(tǒng)的功能需求，提出了一種基于ARM和LINUX的智能車載終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[4-5]。在該設(shè)計(jì)方案中，硬件平臺(tái)主要圍繞S3C44B0X處理器，配置GPS定位信息模塊、GPRS通訊模塊以及其他外設(shè)；軟件平臺(tái)以嵌入式LINUX為平臺(tái)，對(duì)操作系統(tǒng)組件做適當(dāng)?shù)墓δ懿脺p，輔助必要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理程序。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

本智能車載終端系統(tǒng)的硬件組成主要包括4個(gè)部分：GPS定位模塊、GPRS通信模塊、觸摸屏模塊和ARM控制模塊，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖1所示。本系統(tǒng)中的觸摸屏模塊選用了成熟的解決方案，下面著重說明本系統(tǒng)中GPS定位模塊、GPRS通信模塊和ARM控制模塊的設(shè)計(jì)方案。

圖1 智能車載終端系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成Fig.1 The hardware structure of intelligent vehicle terminal system

1.1 ARM控制模塊設(shè)計(jì)

本智能車載終端系統(tǒng)中的ARM控制模塊，主要用于設(shè)置GPS定位模塊、GPRS通信模塊、觸摸屏模塊以及外設(shè)器件的工作方式，使得各個(gè)硬件組件按照設(shè)計(jì)方式工作。

考慮到本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯控制并不是異常復(fù)雜，經(jīng)過慎重比較，選擇了集成ARM公司的ARM7TDMI核的嵌入式微處理器S3C44B0X，作為主控制模塊的處理器。S3C44B0X處理器內(nèi)設(shè)豐富，集成了LCD控制器、存儲(chǔ)器控制器、IIC總線控制器、IIS總線控制器等設(shè)備控制器，還有UART等外部接口。使用這款處理器，既簡化了系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)，又降低了硬件成本。

1.2 GPS定位模塊設(shè)計(jì)

本智能車載終端系統(tǒng)中的GPS定位模塊，主要負(fù)責(zé)接收定位衛(wèi)星的定位信息，通過RS232接口連接ARM主控模塊，傳遞定位數(shù)據(jù)，用于計(jì)算行車的位置和坐標(biāo)。

考慮到在通常行車環(huán)境下，GPS定位模塊只能與4～8顆衛(wèi)星同時(shí)通信。在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的GPS模塊時(shí)，考慮了高性價(jià)比的選擇標(biāo)準(zhǔn)，選擇了上海麗浪公司的GPS－R25型GPS模塊。該GPS模塊有這樣的特性：支持12通道C/A碼接收控制，同時(shí)監(jiān)控12路衛(wèi)星信號(hào)；內(nèi)部集成16位ARM處理器內(nèi)核，電池可在正常使用中充電；數(shù)據(jù)誤差范圍為1～5 m；有串行接口；達(dá)到工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

本智能車載終端系統(tǒng)中的GPRS通信模塊，是車載終端與后臺(tái)監(jiān)控中心的通信通道，實(shí)現(xiàn)將處理好的GPS數(shù)據(jù)和其他監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，并接收后臺(tái)監(jiān)控中心發(fā)送給車載終端的控制數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)選用的GPRS模塊是索尼愛立信公司推出的GR47模塊，其主要特點(diǎn)：采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議，允許一個(gè)TCP/UDP傳輸機(jī)制，以最小的前期配置和操作來被使用；內(nèi)嵌控制器，方便集成用戶的應(yīng)用，減少外部控制器的需求。GR47支持雙頻GSM帶寬900MHZ/1800MHZ，可以通過 SMS短信息服務(wù)、CSD、HSCSD或GPRS來收發(fā)資料，并支持語音處理和傳真。可通過AT命令或嵌入式應(yīng)用訪問其TCP/IP協(xié)議棧。由于GR47模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，因而可以直接使用AT命令對(duì)其控制，使用方便[6]。

2 軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 軟件模塊設(shè)計(jì)

本智能車載終端系統(tǒng)的軟件部分主要包括：主控子模塊、GPS采集/處理子模塊、GPRS報(bào)文通信子模塊和顯示驅(qū)動(dòng)子模塊。

主控子模塊：負(fù)責(zé)初始化硬件通信接口、GPS定位模塊控制器、GPRS通信模塊控制器、觸摸屏控制器以及其他外設(shè)；從外設(shè)存儲(chǔ)芯片中加載用戶配置信息；響應(yīng)并處理前臺(tái)用戶給出的控制命令，以及來自后臺(tái)監(jiān)控中心的控制指令。

GPS采集/處理子模塊：負(fù)責(zé)接收GPS定位模塊的定位數(shù)據(jù)，一方面對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，從中提取位置信息，轉(zhuǎn)交主控子模塊，顯示實(shí)時(shí)位置信息，便于車輛行駛?cè)肆私猱?dāng)前地理位置；另一方面對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換處理，然后借助GPRS通信接口，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控中心，方便后臺(tái)控制中心實(shí)時(shí)了解車輛運(yùn)行信息。

GPRS報(bào)文通信子模塊：負(fù)責(zé)接收監(jiān)控中心傳遞來的GPRS通信格式報(bào)文，并對(duì)接收到的報(bào)文按照約定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，通過內(nèi)部消息，將轉(zhuǎn)換后的報(bào)文數(shù)據(jù)送交至主控子模塊繼續(xù)處理；另外為GPS數(shù)據(jù)采集/處理子模塊提供GPRS數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送接口，按照GPRS約定格式的數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控中心。

顯示驅(qū)動(dòng)子模塊：接收用戶輸入控制，比如：設(shè)置導(dǎo)航線路、發(fā)送行車狀態(tài)等；顯示定位信息數(shù)據(jù)，以及監(jiān)控中心發(fā)來的控制命令。

2.2 多線程應(yīng)用設(shè)計(jì)

借助于嵌入式LINUX系統(tǒng)的多線程技術(shù)、中斷的快速響應(yīng)機(jī)制、以及消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制，結(jié)合智能車載終端系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行如下線程設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)中主要線程的運(yùn)行流程圖Fig.2 The running flow chart of the main threads

主要線程功能說明：

1）主控線程：本線程主要實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS模塊控制器、GPRS模塊控制器、觸摸屏模塊控制器、以及其他外設(shè)器件初始化；接收?qǐng)?bào)文接收線程發(fā)送的內(nèi)部消息，處理后臺(tái)監(jiān)控中心的控制指令；接收GPS數(shù)據(jù)采集/處理線程發(fā)送的內(nèi)部消息，實(shí)時(shí)更新顯示地理位置信息；響應(yīng)處理前臺(tái)觸摸屏控制用戶的設(shè)置，設(shè)定行駛線路以及其他行車狀態(tài)；

2）報(bào)文接收線程：本線程等待主控線程完成基本硬件器件初始化后，嘗試連接GPRS通信網(wǎng)絡(luò)；在連接成功之后，本線程開始接收后臺(tái)監(jiān)控中心發(fā)給本終端的控制命令報(bào)文，然后解析報(bào)文，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中約定的內(nèi)部控制消息，交給主控線程繼續(xù)處理；

3）GPS數(shù)據(jù)采集/處理線程：本線程等待主控線程完成基本硬件器件初始化后，開始采集GPS定位數(shù)據(jù)；采集到GPS定位數(shù)據(jù)后，發(fā)送內(nèi)部控制消息給主控線程，實(shí)現(xiàn)地理位置信息更新；同時(shí)對(duì)采集到的GPS數(shù)據(jù)按照約定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，然后使用GPRS報(bào)文發(fā)送接口，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控中心處理。

3 結(jié)束語

文中提出的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)在于使用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GSM短信息通信模式，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸可靠性；此外，基于嵌入式LINUX系統(tǒng)，通過使用多線程設(shè)計(jì)方案，解決了系統(tǒng)中多任務(wù)并行處理的問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，相比現(xiàn)有車載終端，故障率降低了約50%；用戶體驗(yàn)更好。

[1]張振東.智能交通系統(tǒng)概述及國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r[J].科學(xué)之友，2010，3（9）:97－99.ZHANGZhen-dong.Intelligent transportation system overview and development at home and abroad[J].Friend of Science Amateurs，2010，3（9）:97－99.

[2]胡剛，金振偉，司小平.車載導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].系統(tǒng)工程，2006，24（1）:41－47.HU Gang，JIN Zhen-wei，SI Xiao-ping.Vehicle navigation technology present situation and development trend[J].Systems Engineering，2006，24（1）:41－47.

[3]崔瑋.關(guān)于我國智能交通系統(tǒng)發(fā)展的分析[J].甘肅科技，2010，26（22）:80－81.CUI Wei.The analysis of the development of intelligent transportation systems in China [J].Gansu Science and Technology，2010，26（22）:80－81.

[4]李興霞.基于S3C44B0X處理器的μC/OS－Ⅱ的移植方法研究[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，31（3）:28－31.LI Xing-xia.Study on the method of mu C/OS－Ⅱ transplantation based on S3C44B0X processor[J].Journal of Daqing Normal University，2011，31（3）:28－31.

[5]王志勇，李欣.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（24）:140－141.WANG Zhi-yong，LI Xin.Telemedicine guardianship system based on GPRS network[J].Electronic Design Engineering，2011，19（24）:140－141.

[6]馮春雨，段艷君.基于GR47模塊的網(wǎng)絡(luò)燃?xì)獗淼脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國儀器儀表，2013（2）:63－66.FENG Chun-yu，DUAN Yan-jun.Design and realization of network gas meter based on GR47 module[J].China Instrumentation，2013（2）:63－66.