基于MiniGUI的車載智能終端

【摘 要】本文研究了一種基于MiniGUI圖形用戶界面的車載終端。該系統(tǒng)通過嵌入用戶GUI與輕量級嵌入實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，構(gòu)造友好的用戶終端，利用計算機(jī)測控技術(shù)與超聲波測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車倒車的預(yù)警和數(shù)據(jù)顯示，利用基于I2C總線的溫度傳感IC實(shí)現(xiàn)車廂溫度的實(shí)時值。通過顯示障礙物與汽車的距離并根據(jù)其距離遠(yuǎn)近實(shí)時發(fā)出報警，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，大大提高了駕駛安全性。

【關(guān)鍵詞】ARM， 超聲波測距 ，測溫IC，μC/OS-Ⅱ，MiniGUI

一、系統(tǒng)方案

1.1、方案概述

本系統(tǒng)采用當(dāng)今業(yè)界流行的基于ARM7TDMI體系32位MCU-NXP公司的lpc2210。該型號微控制器穩(wěn)定優(yōu)越的性能，為我們在系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建提供了很好的性能保證。

本系統(tǒng)利用超聲檢測的發(fā)展及基本原理，超聲傳感器的原理及特性。并且在超聲測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)的總體構(gòu)成。針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、多路控制、顯示部分的總體設(shè)計方案進(jìn)行了論證。系統(tǒng)采用嵌入實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，實(shí)時操作系統(tǒng)的原理及運(yùn)行機(jī)制和采用實(shí)時操作系統(tǒng)對工程構(gòu)建所起到的巨大作用。可視化終端方面，本系統(tǒng)采用飛漫公司開發(fā)的嵌入式圖形用戶界面MiniGUI。

1.2、方案整體系統(tǒng)圖

二、功能與指標(biāo)

2.1、測距功能及所能測量的距離

本系統(tǒng)可通過傳感器發(fā)射和接收超聲波計算出障礙物與車的距離，以提醒司機(jī)注意安全；

2.2、LCD顯示功能

系統(tǒng)具有一個2.2英寸的TFT6758LCD顯示器，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中能為司機(jī)提供選擇系統(tǒng)的各個功能，顯示倒車時車與障礙物之間的距離數(shù)據(jù)，提供系統(tǒng)測得的車內(nèi)溫度，以及其他擴(kuò)展功能的反饋數(shù)據(jù)等。

2.3、溫度測量功能

溫度檢測模塊主要由LM75數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成，用于可以隨時檢測車內(nèi)的溫度，提醒車主注意車內(nèi)溫度。

2.4、按鍵控制功能

由于本系統(tǒng)提供了倒車?yán)走_(dá)測距、車內(nèi)溫度測量和其他可能擴(kuò)展等不同功能，鍵盤可用于選擇本系統(tǒng)不同功能，鍵盤具有方向鍵、進(jìn)入和退出鍵等。

2.5、語音報警功能

語音報警模塊主要由APR9600語音錄放芯片構(gòu)成，該芯片能錄放語音60秒，該模塊用于在車主倒車遇到障礙物時在不同距離對應(yīng)發(fā)出語音提醒或警告，讓車主在倒車時做到心中有“數(shù)”，提高倒車的安全性。

三、實(shí)現(xiàn)原理

3.1、中央控制器

微控制器MCU是整個控制系統(tǒng)的核心部分，它的選擇決定了系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境以及硬件連接方式等一系列的問題。在綜合考慮了倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)、性能/價格比、功能完善性等方面的因素后，選用的是LPC2210。LPC2210是基于一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%而性能的損失卻很小。由于LPC2210的144腳封裝極低的功耗多個32位定時器8路10位ADCPWM輸出以及多達(dá)9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制醫(yī)療系統(tǒng)訪問控制。通過配置總線LPC2210最多可提供76個GPIO。

3.2、基于MiniGUI的彩色LCD顯示終端

我們設(shè)計的系統(tǒng)大部分操作都要通過LCD和鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交流，為此一個友好的用戶界面，關(guān)系著系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的好壞與用戶對系統(tǒng)好壞的直觀感受。所以我們將移植Mini GUI嵌入式圖形用戶界面系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限，所以對GUI1的要求是可剪裁的，高速的。Mini GUI是占用資源少，使用方便的嵌入是系統(tǒng)簡易的圖形用戶界面軟件。

要在目標(biāo)板上運(yùn)行MiniGUI for uC/OS-II應(yīng)用程序，首先要使用宿主機(jī)（即PC機(jī)）對Mini GUI的源代碼進(jìn)行編譯（交叉編譯），生成MiniGUI靜態(tài)鏈接庫文件。然后，MiniGUI應(yīng)用程序也在宿主機(jī)上進(jìn)行交叉編譯，并且與MiniGUI靜態(tài)鏈接庫、POSIX線程庫鏈接生成*.axf映象文件或*.bin二進(jìn)制文件。最后，將MiniGUI應(yīng)用程序（*.axf映象文件或*.bin二進(jìn)制文件）下載到目標(biāo)板，并運(yùn)行。

由于不同目標(biāo)機(jī)的圖形顯示設(shè)備和輸入設(shè)備是不一致的，所以用戶需要為MiniGUI編寫相應(yīng)的圖形引擎GAL和輸入引擎IAL（即驅(qū)動程序），再與MiniGUI的源代碼一起交叉編譯生成MiniGUI靜態(tài)鏈接庫文件。

以下為在PC上模擬出來的車載終端界面：

本模塊主要用于顯示司機(jī)的操作以及顯示各個功能測得的各種數(shù)據(jù)，其工作示意圖如下所示：

3.3、超聲波測距模塊

3.3.1、超聲波測距原理

由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中的傳播距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離測量，如測距儀和物位測量儀等都可以用超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，所以在汽車工業(yè)、移動機(jī)器人等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。

聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波，當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的物體阻擋時就會發(fā)生反射，形成回聲。若聲波在介質(zhì)中傳播的速度已知，且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間可以測量得到，則可計算出從聲波到目標(biāo)的距離。這就是本系統(tǒng)的測量原理。一般情況下聲波傳播的介質(zhì)為空氣，聲波采用不可見的超聲波。

若室溫下聲波在空氣中的傳播速度是340m/s，測量得聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)后返回聲源的時間是t秒，則聲波傳播的距離d可計算如下：

由于聲波在聲源與目標(biāo)之間來回兩趟，所以聲源與目標(biāo)之間的距離應(yīng)該D≈d/2。

所以，超聲波測距采用的脈沖測量法，其原理是測量發(fā)射超聲波的時刻與接收到反射回波信號的時刻時差，用超聲波在空氣中傳播速度已知從而計算出被測目標(biāo)與傳感器之間的距離。

3.3.2、波諧振頻率發(fā)生電路、調(diào)理電路

超聲波發(fā)生電路圖如下所示。其中NE555電路主要用于產(chǎn)生40KHz的方波，以激勵超聲波傳感器產(chǎn)生諧振而發(fā)出脈沖超聲波；后面的CD4049電路則對40KHz頻率信號進(jìn)行調(diào)理。EN是超聲波信號發(fā)射的使能控制端口，當(dāng)該端口接高電平時，模組將發(fā)射超聲波激勵信號。其工作示意圖如下所示：

超聲波發(fā)射電路示意圖

3.3.3、超聲波回波接收處理電路

超聲波接收處理電路如下所示。在超聲波傳感器接收到反射回來的信號后，先進(jìn)入采用NE5532構(gòu)成10000倍運(yùn)放器進(jìn)行放大；放大后的信號再進(jìn)入LM311比較器對信號進(jìn)行調(diào)整，其中比較電壓為LM311的3管腳輸入電壓，可以輸入不同的電壓值選擇不同的測距模式。其工作示意圖如下所示：

超聲波接收電路示意圖

四、硬件框圖

本系統(tǒng)設(shè)計硬件主要由有以下各部分：

1、以基于ARM7體系32位MCU-NXP公司的lpc2210微處理器為核心的控制器；

2、以發(fā)射和接收超聲波進(jìn)行測距的電路模塊；

3、APR9600錄放語音芯片構(gòu)成的語音報警電路；

4、2.2英寸的高清晰LCD顯示器；

5、LM75溫度檢測和控制按鍵模塊電路；

6、JTAG/ISP調(diào)試測試口；

7、供電系統(tǒng)和存儲器；

五、軟件流程

5.1系統(tǒng)軟件組成

我們設(shè)計的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸需要很高的實(shí)時性，一個可靠的RTOS是系統(tǒng)穩(wěn)定有效運(yùn)作的保證，所以我們將在lpc2210上移植μc/osⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)對多線程，硬實(shí)時的嚴(yán)格要求。μc/osⅡ是一種通用的實(shí)時內(nèi)核，它是一個可移植、可剪裁、強(qiáng)占式、實(shí)時的多任務(wù)。

結(jié)合硬件部分及設(shè)計的需求，基于μC/OSⅡ平臺的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

結(jié)合圖中的任務(wù)劃分，根據(jù)任務(wù)的緩急程度分別說明如下：

鍵盤任務(wù)：負(fù)責(zé)讀取通過I2C總線傳遞的鍵盤消息，處理鍵值，向MiniGUI傳遞鍵盤消息。由于鍵盤任務(wù)是整個系統(tǒng)的樞紐性任務(wù)，所有其他任務(wù)的創(chuàng)建，刪除，狀態(tài)改變都是基于鍵盤消息的，其重要性與實(shí)時性要求最高，所以分配任務(wù)優(yōu)先級為最高的3（1，2優(yōu)先級為系統(tǒng)保留）。

雷達(dá)測距任務(wù)：雷達(dá)測距任務(wù)通過鍵盤任務(wù)間接創(chuàng)建，負(fù)責(zé)對測距硬件電路控制與外圍中斷接收，初始化定時器T1與外部中斷，使能超聲波發(fā)送，將處理過的測距數(shù)據(jù)處理，向MiniGUI對話框發(fā)送數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)包括兩組輪流執(zhí)行的測距任務(wù)，所以分配優(yōu)先級為4和5。

危急度判斷及語音報警任務(wù)：由測距任務(wù)創(chuàng)建，負(fù)責(zé)根據(jù)測距數(shù)據(jù)判斷危急程度，當(dāng)距離小于設(shè)定值時將喚醒APR9600語音報警電路，發(fā)出對應(yīng)的警告語音提醒駕駛員。分配優(yōu)先級為6。

溫度檢測任務(wù)：溫度檢測任務(wù)通過鍵盤任務(wù)間接創(chuàng)建，負(fù)責(zé)通過I2C讀取溫度IC電路所測量車廂溫度值，并將其處理后向MiniGUI窗口發(fā)送數(shù)據(jù)。分配優(yōu)先級為8。

RTC：主要用于時間的管理，為MiniGUI提供系統(tǒng)的參考時間。分配優(yōu)先級10。

5.2、系統(tǒng)整體控制流程圖