基于Android智能手機(jī)平臺的AMT監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

萬曉鳳，雷繼棠，易其軍

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院,江西 南昌 330031)

AMT(機(jī)械式自動變速器)是在原來手動變速汽車的基礎(chǔ)上，不改變原來發(fā)動機(jī)、變速器、離合器的結(jié)構(gòu)，外加一套電控驅(qū)動裝置和控制器，通過模擬最優(yōu)秀的駕駛習(xí)慣控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動離合器、選檔桿、換擋桿完成起步、變檔過程的一系列操作而實(shí)現(xiàn)自動變速[1]。

AMT系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng),參數(shù)不僅多而且變化快,為了實(shí)時觀測AMT系統(tǒng)工作工況、評估系統(tǒng)性能、發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題,在AMT研發(fā)調(diào)試過程中，需要設(shè)計(jì)一個監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)時觀測系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的變化。參考文獻(xiàn)[2]介紹了一種基于LabVIEW的AMT監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)[3]介紹了一種采用VB語言編寫上位機(jī)的AMT監(jiān)測系統(tǒng)，它們都有一個共同的特點(diǎn)就是不能脫離PC機(jī)并且采用有線傳輸方式。由于調(diào)試AMT系統(tǒng)時是在空間有限的汽車駕駛艙內(nèi),同時汽車也是處于行駛狀態(tài)，這些監(jiān)測手段顯得不方便。基于此，本文設(shè)計(jì)了基于Android平臺的AMT監(jiān)測系統(tǒng)，采用藍(lán)牙技術(shù)將需要觀測的參數(shù)通過無線的方式發(fā)送到Android手機(jī)上，在Android手機(jī)上設(shè)計(jì)了應(yīng)用程序?qū)⑦@些信息呈現(xiàn)給開發(fā)人員。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，該系統(tǒng)充分將開發(fā)人員的隨身物品作為科研開發(fā)的工具，不僅簡單方便易于攜帶而且降低了開發(fā)成本。

1 系統(tǒng)原理

AMT監(jiān)測系統(tǒng)的作用是在AMT系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試階段協(xié)助開發(fā)人員實(shí)時了解AMT系統(tǒng)的工作狀態(tài)和評估性能參數(shù),此外開發(fā)調(diào)試AMT系統(tǒng)時是在空間有限的駕駛艙內(nèi)進(jìn)行并且汽車處于行駛的狀態(tài)。因此AMT監(jiān)測系統(tǒng)要滿足以下要求：

(1)能實(shí)時地采集系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)；

(2)提供可視化的、友好的、美觀的界面；

(3)簡單方便，易于攜帶。

為滿足以上要求，以Android智能手機(jī)為平臺，采用無線藍(lán)牙通信技術(shù)是一種比較滿意的方案。

本文設(shè)計(jì)的AMT監(jiān)測系統(tǒng)包括三個部分，分別是AMT系統(tǒng) ECU、藍(lán)牙 RF模塊、Android智能手機(jī)，AMT系統(tǒng)ECU與藍(lán)牙RF模塊為系統(tǒng)下位機(jī)負(fù)責(zé)信息采集發(fā)送，Android智能手機(jī)為上位機(jī)負(fù)責(zé)信息接收以及提供可視化的界面。上位機(jī)與下位機(jī)通過藍(lán)牙進(jìn)行通信。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作原理:在手機(jī)與下位機(jī)藍(lán)牙RF模塊配對建立連接之后，AMT系統(tǒng)ECU通過UART將采集到的數(shù)據(jù)按照定義好的格式發(fā)送給藍(lán)牙RF模塊，藍(lán)牙RF模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線信號，Android系統(tǒng)手機(jī)內(nèi)置的藍(lán)牙將數(shù)據(jù)接收后傳送至應(yīng)用程序，應(yīng)用程序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以可視化的界面呈現(xiàn)給開發(fā)者。

2 系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)包括兩個部分,分別是AMT系統(tǒng)ECU和藍(lán)牙RF模塊。ECU是AMT系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)信號的采集處理和控制決策。由于AMT系統(tǒng)是一個多輸入多輸出、參數(shù)變化快、實(shí)時性要求高的系統(tǒng)，需要AMT的ECU有較高的實(shí)時處理能力；此外，在研發(fā)調(diào)試過程中為監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)而加入的數(shù)據(jù)采集不能影響原有ECU的運(yùn)行流程，必須是一個獨(dú)立的并行運(yùn)行模塊,與原有ECU的運(yùn)行沒有任何的耦合關(guān)系，因此需要ECU有并行處理能力。一般的基于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的微控制都是在時鐘的指揮下串行執(zhí)行程序指令，要想獲得較高實(shí)時性和并行處理需要對軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行高度的實(shí)時性優(yōu)化，這樣的程序設(shè)計(jì)比較困難，因此很難滿足設(shè)計(jì)要求?；诖?，采用FPGA設(shè)計(jì)AMT系統(tǒng)ECU，F(xiàn)PGA通過內(nèi)部邏輯門的互聯(lián)，以硬件的方式實(shí)現(xiàn)對激勵的響應(yīng)，具有很強(qiáng)的實(shí)時性同時還可以并行處理。使用的芯片為 Actel的 A3P250，A3P250是基于Flash架構(gòu)的FPGA，具有上電即可運(yùn)行、抗干擾能力強(qiáng)、無法破解等特點(diǎn)[4]。藍(lán)牙RF模塊采用的是CSR BC04藍(lán)牙芯片，該芯片內(nèi)部集成遵循V2.0藍(lán)牙規(guī)范的藍(lán)牙通信協(xié)議,數(shù)字 2.4 GHz頻段收發(fā)，3.3 V工作電壓,通過 UART與AMT系統(tǒng)ECU通信，ECU只需將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送給藍(lán)牙模塊即可，無需對藍(lán)牙模塊編程。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

圖2 下位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)的軟件功能主要是AMT系統(tǒng)ECU中的數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分。程序結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包含3大部分：數(shù)據(jù)幀封裝部分、發(fā)送控制部分、UART部分。數(shù)據(jù)幀封裝部分將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按一定的格式封裝成數(shù)據(jù)幀，一個數(shù)據(jù)幀包含13 B的數(shù)據(jù)，其中第一個字節(jié)固定為0xbb作為幀的起始標(biāo)志，最后一個字節(jié)的內(nèi)容固定為0xaa作為幀的結(jié)束標(biāo)志，其余11個字節(jié)的內(nèi)容為AMT系統(tǒng)和汽車的狀態(tài)參數(shù)；發(fā)送控制部分在時鐘的統(tǒng)一指揮下產(chǎn)生選通信號和發(fā)送使能信號將一幀數(shù)據(jù)依次傳輸給UART并啟動UART進(jìn)行發(fā)送；UART是軟件的核心部分，AMT的FPGA主控制器A3P250自身不帶UART，因此采用Verilog語言實(shí)現(xiàn)UART的邏輯。在Libero集成開發(fā)環(huán)境下編寫調(diào)試程序，完成下位機(jī)軟件的開發(fā)工作。

3 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)程序是一個Android的應(yīng)用程序運(yùn)行在Android智能手機(jī)上。Android系統(tǒng)為Android應(yīng)用程序提供了5個基本組件類型，應(yīng)用程序按自身需求將對應(yīng)的組件實(shí)例化。5個基本組件類型包括：Activity組件，該組件提供可視化的界面用于人機(jī)交互；Service組件，該組件無可視化的界面而是在一段時間內(nèi)運(yùn)行于后臺；Intent組件,用于組件、應(yīng)用程序之間的消息傳遞；BroadcastReceiver組件,該組件用于接收廣播消息通知并啟動其他組件進(jìn)行處理；ContentProvider組件，該組件用于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)管理。一個Android應(yīng)用程序都由以上的一個或多個組件構(gòu)成[5]。

3.1 軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)采用典型的MCV分層設(shè)計(jì)模型[7]，MCV分別代表模型層、控制層、表示層。表示層工作于前臺，展現(xiàn)模型的狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，提供人機(jī)交互；控制層提供表示層與模型層之間的流程控制，一方面要將表示層的輸入發(fā)送至模型層進(jìn)行處理，另一方面要將模型層的處理結(jié)果反饋到表示層進(jìn)行顯示；模型層工作于后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在本應(yīng)用程序中表示層是界面顯示部分，使用Activity組件實(shí)現(xiàn)，藍(lán)牙業(yè)務(wù)是模型層負(fù)責(zé)建立藍(lán)牙連接和藍(lán)牙通信，使用Service組件實(shí)現(xiàn)，這兩個組件都是獨(dú)立的進(jìn)程，通過Handler實(shí)現(xiàn)跨進(jìn)程的通信，Handler即為控制層。軟件總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件總體架構(gòu)

3.2 用戶界面

系統(tǒng)中需要觀測的參數(shù)有車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位、離合器位置、換擋桿位置、選檔桿位置、加速踏板開度、節(jié)氣門開度等。以上這些參數(shù)都可以直接通過文本框顯示，但是這樣顯示不能反映參數(shù)之間的相互作用關(guān)系。因此有些參數(shù)需要在同一個時間軸上用曲線顯示，比如車速與離合器行程曲線，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與車速曲線。因此界面顯示部分包括兩個界面，一個是文本框顯示界面，一個是曲線顯示界面。

界面的布局和控件資源通過XML文件進(jìn)行定義，采用絕對布局方式。文本框顯示界面包含若干個用于數(shù)據(jù)輸出顯示的EditText控件和作為標(biāo)簽的TextView控件，該界面為程序默認(rèn)顯示界面，應(yīng)用程序一打開就顯示此界面。曲線顯示界面添加了一個SurfaceView控件,用于繪圖操作，兩個界面通過滑動進(jìn)行切換。文本框顯示界面對象繼承Activity類，復(fù)寫其OnCreate方法和On-Start方法，在 OnCreate方法中進(jìn)行變量的初始化、調(diào)用setContentView設(shè)置界面布局的XML文件、調(diào)用find-ViewById方法獲取界面上各個控件對象；在OnStart方法中創(chuàng)建藍(lán)牙業(yè)務(wù)對象和通信接口Handler，同時創(chuàng)建Handler的消息處理函數(shù)，在消息處理函數(shù)中接收藍(lán)牙發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示。

3.3 藍(lán)牙業(yè)務(wù)

Android系統(tǒng)對藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供了支持，提供了一系列基本類和API來實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙通信的基本類有：(1)BluetoothAdapter類，該類代表了一個本地藍(lán)牙適配器，用于掃描其他藍(lán)牙設(shè)備，實(shí)例化藍(lán)牙設(shè)備和建立監(jiān)聽線程來監(jiān)聽來自遠(yuǎn)端設(shè)備的連接；(2)BluetoothDevice類，代表了一個遠(yuǎn)端的藍(lán)牙設(shè)備，封裝了遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的名稱、地址、種類和綁定狀態(tài)等信息；(3)Bluetoothsocket類，代表一個藍(lán)牙套接字接口，作用是通過輸入輸出流提供應(yīng)用程序與其他藍(lán)牙設(shè)備的通信接口；(4)Blueboothserversocket類，用于在主機(jī)端監(jiān)聽可能到來的連接請求；(5)Bluetoothclass類，它是一個只讀性質(zhì)的集描述了藍(lán)牙的特點(diǎn)和能力[6]。

藍(lán)牙設(shè)備之間的通信包括4個步驟：(1)設(shè)置藍(lán)牙設(shè)備;(2)尋找局域網(wǎng)內(nèi)可能或者匹配的設(shè)備;(3)連接設(shè)備;(4)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)兩個藍(lán)牙設(shè)備擁有同一個套接字即在同一個RFECOMM信道上時，這兩個設(shè)備就建立了連接可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了。

藍(lán)牙業(yè)務(wù)對象在文本框顯示界面Activity對象中的OnStart方法中被創(chuàng)建，創(chuàng)建之后作為service工作于后臺進(jìn)行藍(lán)牙業(yè)務(wù)。當(dāng)完成藍(lán)牙設(shè)備的掃描、配對、連接之后，創(chuàng)建數(shù)據(jù)監(jiān)聽線程，監(jiān)聽來自遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，通過 bytes=mmInStream.read(buffer)讀出數(shù)據(jù)，再通過Handler將數(shù)據(jù)發(fā)送給界面顯示的Activity。藍(lán)牙業(yè)務(wù)程序流程圖如圖4所示。在eclipse集成開發(fā)環(huán)境中完成應(yīng)用程序的編寫和調(diào)試工作。

圖4 藍(lán)牙編程業(yè)務(wù)流程

通過這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，極大地方便了AMT的調(diào)試工作，特別是在試車過程中，能實(shí)時地觀測到AMT系統(tǒng)的工作狀態(tài)和汽車相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，評估系統(tǒng)的性能。為AMT的研發(fā)工作提供了極大的便利。

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