基于Cortex-A8的車載信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃小波，許 勇

（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）

車載信息系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車電子重要組成之一。目前市場上的乘用車車載信息系統(tǒng)智能化程度比較高，技術(shù)已趨向成熟，但是商用車卻相對(duì)滯后。這也意味著商用車車載信息服務(wù)系統(tǒng)市場亟待開發(fā)，主要有以下幾個(gè)方面的原因：一是行業(yè)的內(nèi)在需求。商用車作為運(yùn)營車輛，如客運(yùn)、旅游公交、物流公司對(duì)車輛的安全、運(yùn)營、成本管理等的內(nèi)在需求愈發(fā)強(qiáng)烈。二是技術(shù)的日漸成熟。車載總線技術(shù)的推廣普及為車輛信息采集提供了基礎(chǔ)；大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展為車聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)提供了基礎(chǔ)；通信技術(shù)中的3G技術(shù)已經(jīng)成熟，4G網(wǎng)絡(luò)在快速建設(shè)，很快將完成城市和公路范圍覆蓋。三是國家相關(guān)政策陸續(xù)出臺(tái)。商用車，尤其是客車作為運(yùn)營車輛，事關(guān)人身安全、財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)穩(wěn)定，國家對(duì)其管理要求也是格外重視，自2003年起便推出了道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)制安裝記錄儀標(biāo)準(zhǔn)、JTT415-2006道路運(yùn)輸電子政務(wù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)及汽車行駛記錄儀新國家標(biāo)準(zhǔn)，這為商用車的車載信息服務(wù)系統(tǒng)的快速普及提供了強(qiáng)大的政策推動(dòng)。商用車車載信息服務(wù)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

為此，本文借助Cortex-A8嵌入式開發(fā)平臺(tái)，基于SAE J1939協(xié)議，針對(duì)商用車設(shè)計(jì)了一套功能完善、整體性強(qiáng)且性價(jià)比高的車載信息系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要功能為：實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行參數(shù)，給駕駛?cè)藛T提供豐富的車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況信息；建立車載數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)采集到的車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行動(dòng)態(tài)信息和故障信息，以備查詢使用；實(shí)現(xiàn)車輛故障自診斷功能，方便相關(guān)人員對(duì)車輛進(jìn)行故障檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖1中，CAN控制器模塊采集車內(nèi)各CAN節(jié)點(diǎn)的報(bào)文信息，其通過SPI接口與主處理器進(jìn)行通信；GPS模塊提供車輛的實(shí)時(shí)定位信息；通過GPRS模塊可將車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)與移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)行信息交換；存儲(chǔ)模塊主要儲(chǔ)存車輛的故障信息，方便車輛的維護(hù)和保養(yǎng)；人機(jī)交互模塊主要用來顯示針對(duì)本系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用軟件，給用戶以人性化體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)

主控芯片采用基于ARMv7架構(gòu)的Cortex-A8處理器，其主頻達(dá)1 GHz，是三星推出的一款適用于智能手機(jī)和平板電腦的應(yīng)用處理芯片。本系統(tǒng)采用的開發(fā)平臺(tái)具有豐富的板載資源：板載 RS232串口、RS485串口、外擴(kuò)I2C、SPI、PWM等接口，板載 CAN總線接口、GPS模塊、工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊等，大大方便了本系統(tǒng)的開發(fā)。

其中，CAN總線模塊主要由CAN獨(dú)立控制器、CAN收發(fā)器和時(shí)鐘電路組成?？刂破鬟x用MCP2510，并以晶振電路作為時(shí)鐘源；收發(fā)器選用CTM1050T(內(nèi)部集成光電隔離電路)。電源部分：MCP2510采用3.3 V電源供電，CTM1050T采用5 V供電，與CAN總線電源電壓一致。由于CTM1050T內(nèi)部集成了光電隔離電路，因此GND和CANG兩個(gè)接地引腳，分別接系統(tǒng)地線和CAN總線地線。數(shù)據(jù)線接線部分：MCP2510通過標(biāo)準(zhǔn)SPI串行接口與Cortex-A8通信，通過收發(fā)器CTM1050T與車內(nèi)CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接。信號(hào)線接線部分：MCP2510有8個(gè)中斷源，有中斷發(fā)生時(shí)，通過INT引腳向主處理器發(fā)送中斷請(qǐng)求，然后主處理器通過查詢中斷標(biāo)志寄存器(CANINTF)確定中斷源。另外，接收緩沖器滿引腳(RX0BF和RX1BF)也可用來顯示有效報(bào)文是否分別成功載入RXB0或RXB1。本設(shè)計(jì)使用中斷引腳INT與Cortex-A8的外部中斷引腳EINT19相連，用于發(fā)送中斷信息，RX0BF和RX1BF外接LED，用于指示數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。CAN總線模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 CAN總線模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的車載信息服務(wù)系統(tǒng)是基于操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品。傳統(tǒng)的基于操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品可以分為應(yīng)用層、文件系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)層和底層3個(gè)部分。借助于功能強(qiáng)大的Cortex-A8嵌入式開發(fā)平臺(tái)，本文主要工作集中在應(yīng)用層上面，其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。系統(tǒng)地看，CAN設(shè)備經(jīng)過驅(qū)動(dòng)以后，從車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)上接收?qǐng)?bào)文，讀取設(shè)備文件函數(shù)后，數(shù)據(jù)流向后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序，經(jīng)過后臺(tái)數(shù)據(jù)處理，最后交由前端Qt頁面顯示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

本系統(tǒng)所做工作的核心部分即為后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)和前端人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)。后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序接收CAN報(bào)文后，基于SAE J1939協(xié)議進(jìn)行解析處理；人機(jī)交互是將處理后的數(shù)據(jù)顯示在用戶圖形界面上。

3.1 SAE J1939協(xié)議

SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）在CAN2.0B協(xié)議基礎(chǔ)上制定的針對(duì)客車和貨運(yùn)車網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層協(xié)議，目前在汽車電子網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。SAE J1939協(xié)議以CAN2.0B協(xié)議為基礎(chǔ)，所不同的是在很多方面做了更具體的規(guī)定。例如，在物理層，選用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率規(guī)定為250 kb/s；在數(shù)據(jù)鏈路層使用CAN擴(kuò)展幀，并對(duì)CAN標(biāo)識(shí)符重新定義，摒棄了CAN協(xié)議中對(duì)報(bào)文標(biāo)識(shí)的方法，重新采用對(duì)節(jié)點(diǎn)地址編號(hào)。SAE J1939協(xié)議總體按照ISO/OSI模型制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在CAN2.0B協(xié)議的基礎(chǔ)上又增加了應(yīng)用層定義、網(wǎng)絡(luò)層定義、網(wǎng)絡(luò)管理和故障診斷定義，傳輸層、會(huì)話層和表示層暫未定義。SAE J1939協(xié)議各層使用的是格式統(tǒng)一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(Protocol Data Unit)，每個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元的功能由所攜帶的參數(shù)組編號(hào)PGN(Parameter Group Number)標(biāo)識(shí)。SAE J1939作為一種控制局域網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是以參數(shù)的形式在應(yīng)用層完成傳遞的。

下面以動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗為例說明報(bào)文解析的具體過程：如接收到的 PDU的幀 ID為 0x18FEF200，其數(shù)據(jù)區(qū)前兩個(gè)字節(jié)值為 138（0x008A），則該報(bào)文部分域值如圖4所示。

圖4 示例報(bào)文

由圖4可知，優(yōu)先級(jí) P為 6，目標(biāo)地址 PS為 0xF2，源地址SA為0x0。此時(shí)地址為0xF2的節(jié)點(diǎn)會(huì)接收該報(bào)文并交由上層應(yīng)用程序處理，而其他節(jié)點(diǎn)則不進(jìn)行處理，直接丟棄。 根據(jù) R(保留位)、DP(數(shù)據(jù)頁)、PF(PDU 格式)、PS(特定PDU)的值的計(jì)算可得本報(bào)文的參數(shù)組編號(hào)PGN為0x00-FEF2。SAE J1939對(duì)該參數(shù)組編號(hào)定義如表1所示。

表1 SAE J1939中PGN65266定義

由表1可知，此報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)攜帶了4個(gè)參數(shù)，前兩個(gè)字節(jié)內(nèi)定義的參數(shù)是燃油使用率，可疑參數(shù)編號(hào)SPN為183。具體燃油使用率的值可以按照SAE J1939協(xié)議對(duì)SPN183的定義計(jì)算出來，協(xié)議對(duì)SPN183的定義如表2所示。

表2 SAE J1939中SPN183定義

由表2，根據(jù)計(jì)算公式：參數(shù)實(shí)際值=分辨率×總線傳輸數(shù)值+偏移量，代入數(shù)據(jù)便可以得到參數(shù)的實(shí)際物理值：瞬時(shí)油耗=0.05 L/h×138+0=6.9 L/h。

3.2 CAN總線底層配置

CAN總線驅(qū)動(dòng)程序的報(bào)文發(fā)送、接收任務(wù)都是圍繞控制器MCP2510展開的，因此驅(qū)動(dòng)程序主要是對(duì)控制器MCP2510內(nèi)部寄存器進(jìn)行操作。在Linux為所有設(shè)備都提供的統(tǒng)一函數(shù)接口file_operations中，其中can_ioctl()函數(shù)可以設(shè)置CAN總線通信波特率、通信幀ID、CAN總線接收濾波器以及MCP2510工作模式等參數(shù)。因此CAN總線驅(qū)動(dòng)程序主要內(nèi)容就是對(duì)CAN總線控制器MCP2510的操作和file_operations結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3.2.1 CAN總線控制器MCP2510的設(shè)置

首先對(duì) MCP2510進(jìn)行初始化，具體步驟為：(1)軟件復(fù)位，進(jìn)入配置模式；(2)設(shè)置 CAN總線波特率；(3)關(guān)閉中斷，設(shè)置ID過濾器；(4)切換MCP2510至工作狀態(tài)；(5)清空接收和發(fā)送緩沖區(qū)；(6)開啟接收緩沖區(qū)，開中斷。

由于 MCP2510與 Cortex-A8的 SPI0直接相連，因此接下來需要編寫驅(qū)動(dòng)SPI0控制器的接口函數(shù)，具體包括 SPI_init()、SPI_putch()、SPI_getch()、SPI_mcp_select()、SPI_mcp_unselect()函數(shù)等。它們的作用分別是初始化SPI控制器；通過SPI發(fā)送一個(gè)字節(jié)；通過SPI接收一個(gè)字節(jié)；后兩個(gè)函數(shù)是MCP2510的片選的選擇和取消。

MCP2510為微控制器提供讀指令、寫指令、請(qǐng)求發(fā)送指令、狀態(tài)讀指令、復(fù)位指令和位修改指令6種指令操作。編寫的相應(yīng)的SPI接口函數(shù)為：SPI_mcp_RD()讀操作；SPI_mcp_WR()寫操作；SPI_mcp_rts()請(qǐng)求發(fā)送操作；SPI_mcp_RD_status()狀態(tài)讀操作；SPI_mcp_reset()復(fù)位操作；SPI_mcp_write_bits()位修改操作。

3.2.2 CAN驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

CAN設(shè)備屬于字符設(shè)備，根據(jù)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通用模式，CAN驅(qū)動(dòng)程序軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CAN總線驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)框圖

由圖5可知，CAN總線驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)具體步驟如下：

（1）通過 can_init()函數(shù)實(shí)現(xiàn)初始化，具體包括：初始化硬件、注冊(cè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、注冊(cè)中斷和創(chuàng)建設(shè)備文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。硬件的初始化主要通過調(diào)用函數(shù)SPI_init()和mcp_init()實(shí)現(xiàn)。注冊(cè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)是通過register_chrdev()函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。向內(nèi)核注冊(cè)中斷使用了函數(shù)request_irq()。創(chuàng)建設(shè)備文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)則是通過函數(shù)devfs_register()實(shí)現(xiàn)的，它將為CAN總線設(shè)備創(chuàng)建文件節(jié)點(diǎn)/dev/can。

（2）CAN驅(qū)動(dòng)程序的編寫選擇適用的文件操作接口file_operations結(jié)構(gòu)，具體如下所示：

在該結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用程序可以通過can_ioctl()函數(shù)改變CAN總線通信中諸如CAN總線通信波特率、通信幀ID、CAN總線接收濾波器以及MCP2510工作模式等參數(shù)的設(shè)置。

（3）通過函數(shù)can_exit()用來卸載和取消設(shè)備。在模塊被卸載時(shí)，可以通過調(diào)用 unregister_chrdev()和 free_irq()函數(shù)注銷字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)和已經(jīng)申請(qǐng)的中斷。

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件是車載信息系統(tǒng)的重要組成部分。本系統(tǒng)使用Qt/Enbedded應(yīng)用程序架構(gòu)開發(fā)應(yīng)用程序。根據(jù)車載信息系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)分為人機(jī)交互界面、CAN總線數(shù)據(jù)處理、GPS、GPRS信息處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分。由于需要執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，若在單一線程里實(shí)現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致阻塞、降低系統(tǒng)整體性能。因此，本系統(tǒng)采取多線程技術(shù)，可以提高處理器效率，還能避免程序阻塞、交互界面卡頓等現(xiàn)象。本文著重介紹車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)部分。

車輛狀態(tài)監(jiān)控主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛各項(xiàng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和故障信息。結(jié)合前面的報(bào)文解析過程，其流程圖如圖6所示。

圖6 車輛狀態(tài)監(jiān)測程序流程圖

根據(jù)SAE J1939協(xié)議的規(guī)定，車輛各項(xiàng)參數(shù)會(huì)以規(guī)定周期在網(wǎng)絡(luò)上廣播，如果有故障發(fā)生，就會(huì)廣播相應(yīng)的故障碼。本程序只需監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提取攜帶這些有用信息的報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)的解析即可。該部分功能在車輛狀態(tài)監(jiān)控子線程中實(shí)現(xiàn)，該線程啟動(dòng)后循環(huán)讀取來自MCP2510從總線上接收的報(bào)文。如果報(bào)文中攜帶的是車輛狀態(tài)參數(shù)，則根據(jù)相應(yīng)的PGN查表確定該報(bào)文數(shù)據(jù)域的參數(shù)和它們的SPN，再根據(jù)SPN查表獲得這些參數(shù)在數(shù)據(jù)域中的位置、數(shù)據(jù)分辨率、數(shù)據(jù)長度和偏移量等信息，最后通過計(jì)算獲得該參數(shù)具體的物理值；如果是故障報(bào)文，則需要根據(jù)報(bào)文中的診斷故障代碼（DTC）來確定故障參數(shù)和故障類型。獲得以上這些信息后把它們存入到相應(yīng)的全局變量以供其他線程使用，同時(shí)刷新LCD顯示值。

本文設(shè)計(jì)的車載信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面如圖7所示。在實(shí)際測試中，本系統(tǒng)能穩(wěn)定地顯示車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便車主對(duì)車輛進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，滿足用戶的基本需求；人性化的操控界面和快捷靈敏的反應(yīng)速度使本系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖7 車載信息服務(wù)系統(tǒng)測試畫面

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