基于嵌入式的智能車載多媒體控制終端設計與實現(xiàn)

林彥廷，師文慶

（廣東海洋大學 電子與信息工程學院，湛江 524088）

汽車，是人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｓ么焦ぞ咧唬矊⑹俏覈粋€新的家庭消費熱點，汽車的潛在市場、經(jīng)濟利益巨大[1]。隨著國內(nèi)汽車使用量增加，汽車電子在未來汽車產(chǎn)業(yè)中的地位越來越重要，近年來最為突出的是智能車載系統(tǒng)，隨著人工智能進入人類視野，人們對于無人駕駛車載系統(tǒng)越發(fā)感興趣，對智能車載系統(tǒng)的各種需求也會大大增加，就像當年智能手機一樣，逐漸融入人們的生活。對于人們的生活來說，汽車早已不再滿足于一種單一的交通工具，汽車的數(shù)字化、多媒體化、多功能化、智能化將是未來汽車電子產(chǎn)品的必然趨勢，汽車導航、多媒體功能以及網(wǎng)絡通信系統(tǒng)成為未來汽車的必備[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)技術在汽車領域的發(fā)展及應用，智能汽車及智能車載系統(tǒng)已經(jīng)是一個重要的研究方向[3]。為此，文中提出了基于嵌入式的智能車載多媒體控制終端設計，基于安全、實用、娛樂理念設計了4項功能：①可視化倒車雷達報警；②天氣預報；③音樂播放器；④系統(tǒng)硬件控制。

1 智能車載多媒體控制終端總體方案

目前，電子信息技術飛速發(fā)展，出現(xiàn)一些處理能力強、外設接口豐富的處理器芯片，比如ARM架構(gòu)系列處理器，為開發(fā)多功能的車載終端提供了硬件技術基礎[4]。此外，由于Linux操作系統(tǒng)的開源性，每年開發(fā)人員的大量投入，平臺日漸成熟穩(wěn)定，且所支持的外設驅(qū)動豐富，被高端消費電子產(chǎn)品廣泛應用，也為該終端的設計開發(fā)提供了強大的軟件系統(tǒng)支撐。

按照所設計的車載多媒體控制終端的需求分析以及現(xiàn)有材料，采用S5P681處理器為核心板，應用軟件運行以嵌入式Linux為平臺為主，基于Cortex-A53和Linux嵌入式技術，通過LCD觸摸屏實現(xiàn)音頻播放終端控制、可視倒車、倒車距離實時報警、實時天氣預報等，使用方便，交互界面清晰簡潔。

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在智能車載多媒體控制終端的設計方案中，智能多媒體車載控制終端的硬件平臺主要以ARM處理器為主，由S5P6818處理器核心板、超聲波模塊、攝像頭模塊和LCD觸摸屏人機交互模塊等部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。各模塊與Linux系統(tǒng)構(gòu)成了完整的智能多媒體控制終端。模塊完成功能，Linux系統(tǒng)進行調(diào)度。

圖1 智能多媒體車載控制終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of intelligent multimedia on-board control terminal

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

不同嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)有自身不同的的開發(fā)特點，從而構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的多樣性和復雜性。嵌入式系統(tǒng)是面向特定應用的系統(tǒng)，一般先進行硬件功能的開發(fā)，再根據(jù)設計需求分析移植對應操作系統(tǒng)，最后對底層的硬件驅(qū)動程序進行設計。設計中首先構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)，在64位Cortex-A53平臺上構(gòu)建起完整的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，在此基礎上進行音頻、攝像頭等各個模塊的開發(fā)設計，通過交叉編譯，生成可應用軟件，然后應用在ARM平臺上，通過Linux系統(tǒng)進行調(diào)度[5]。

2 嵌入式操作系統(tǒng)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)的高效率，不僅僅體現(xiàn)在減少了系統(tǒng)的開發(fā)工作量，還體現(xiàn)在系統(tǒng)合理地調(diào)度多任務，合理利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及接口，提高嵌入式軟件的可移植性。嵌入式Linux系統(tǒng)是一個完全內(nèi)存保護、多任務、多線程的操作系統(tǒng)，是完成開源的，可以減少大量開發(fā)費用[6]，同時也促進了促進了嵌入式的發(fā)展。

2.2 軟件系統(tǒng)設計

嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度一般分為以下四方面：

1）Bootloader Bootloader啟動引動程序，是系統(tǒng)啟動加載的第一段匯編代碼，主要負責系統(tǒng)硬件的初始化，引導并加載Linux內(nèi)核參數(shù)，最后根據(jù)參數(shù)啟動Linux內(nèi)核。

2）Linux內(nèi)核 Linux內(nèi)核面向不同的場景，在不同嵌入式系統(tǒng)設計中會對內(nèi)核進行裁剪、定制和移植，制作適合用戶需要的嵌入式內(nèi)核，包括內(nèi)存管理、進程管理、虛擬文件系統(tǒng)等。

8.請附作者簡介，包括姓名（使用筆名者請附真實姓名），出生年月，性別，民族(漢族可省略)，籍貫，職稱，學位，簡歷及論著情況(任選)，工作單位，通訊地址，聯(lián)系電話，郵政編碼。

3）根文件系統(tǒng) Linux系統(tǒng)的宗旨是“一切皆文件”，根文件系統(tǒng)就是Linux掛載在虛擬文件系統(tǒng)的第1個文件系統(tǒng)，根文件系統(tǒng)和Linux內(nèi)核配合使用，建立在動態(tài)隨機存儲器上的根文件系統(tǒng)和建立在Flash設備上的文件系統(tǒng)，通常用動態(tài)隨機存儲器上的文件系統(tǒng)為根文件系統(tǒng)[7]。

4）用戶應用程序 應用程序、Linux系統(tǒng)和硬件平臺之間的關系如圖2所示。Linux驅(qū)動的設計大大降低了應用層和硬件平臺之間的耦合度，應用軟件只需調(diào)用系統(tǒng)提供的接口即可控制硬件，無需關心硬件如何工作，大大提高了應用程序的可移植性以及開發(fā)人員的開發(fā)效率。

圖2 系統(tǒng)關系邏輯Fig.2 Logical diagram of system

應用軟件設計的基本過程如圖3所示。由車載系統(tǒng)智能終端的需求分析以及設計總體框架開始，到系統(tǒng)移植、各模塊的集成，再到功能模塊測試階段，最后完成設計。

圖3 應用軟件設計的基本過程Fig.3 Brief process of APP design

3 多媒體音頻開發(fā)

雖然Linux系統(tǒng)自帶Media Player播放器，但由于系統(tǒng)自帶的播放軟件所支持的多媒體格式非常有限，所以在程序設計時，移植了第三方多媒體播放軟件Mplayer[8]。音頻播放器設計原理如圖4所示。Mplayer一大特點是支持廣泛的輸出設備。設計中最重要的是MPlayer還支持通過硬件MPEG解碼卡顯示。

圖4 音視頻軟件模塊工作流程Fig.4 Flow chart of audiovisual software modules

4 可視化倒車和倒車距離實時報警

該軟件模塊的工作流程如圖5所示。這一模塊主要分為攝像頭采集一幀一幀的圖片數(shù)據(jù)和超聲波的測量距離顯示到LCD屏上，提醒用戶。用戶空間要控制這2個硬件模塊需要對其設計相應的驅(qū)動程序，如超聲波驅(qū)動、蜂鳴器驅(qū)動和攝像頭驅(qū)動等。當超聲波測出的距離小于設定的距離，LCD屏上開始顯示距離，同時蜂鳴器報警。

圖5 可視化倒車工作流程Fig.5 Flow chart of visualized backing off

4.1 驅(qū)動程序設計

設計中集成了LED驅(qū)動模塊、蜂鳴器驅(qū)動模塊、超聲波驅(qū)動模塊。在此，以超聲波模塊的設計為例，給出其驅(qū)動程序的設計流程。基于嵌入式系統(tǒng)的應用程序開發(fā)，如圖2所示，應用程序不能直接訪問硬件，故設計了驅(qū)動程序，以此作為中間橋梁，給應用層提供訪問硬件的接口，通過驅(qū)動程序來對系統(tǒng)內(nèi)核訪問硬件寄存器從而達到控制硬件的效果。

4.2 超聲波模塊驅(qū)動程序設計

超聲波模塊驅(qū)動程序的編寫以及設計使用混在設備驅(qū)動模型，大致流程如下：

1）定義文件操作集file_operations和混雜設備miscdevice，將文件操作集放到混雜設備中。

3）編寫文件操作集file_operations里面各個函數(shù)指針所指的具體函數(shù)如 read，write，ioctl，等，即為系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)。

4.3 攝像頭模塊驅(qū)動程序設計

同樣地，由于Linux系統(tǒng)集成了攝像頭的驅(qū)動，應用程序只要通過系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)打開攝像頭設備，即可訪問攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)。Linux內(nèi)核中采用V4L2的機制來管理攝像頭圖像信息。V4L2的運行原理如圖6所示，通過完成1個隊列來存儲攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)，申請3個或者3個以上內(nèi)核數(shù)據(jù)緩存，并將它們依次插入到隊列中，然后將緩存區(qū)通過系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)mmap將緩存映射到用戶空間，這樣就可以采集圖像數(shù)據(jù)并進行操作或顯示，攝像頭每采集1幀數(shù)據(jù)就做1個出隊操作，讀取數(shù)據(jù)后再入隊，如此循環(huán)往復[10]。

圖6 攝像頭的V4L2的運行原理Fig.6 Operation principle of V4L2 of camera

5 實時顯示天氣預報

天氣查詢Api是一個HTTP接口的簡單應用，根據(jù)請求輸入的報文頭信息，查詢當前/未來的天氣狀況，服務器會返回Json數(shù)據(jù)，在程序中對其進行解析出天氣數(shù)據(jù)，從而應用自己編寫的程序中，獲得的實際效果如圖7所示。天氣預報模塊的工作流程如圖8所示。

1）購買天氣預報查詢接口Api，在此為阿里云全國天氣預報查詢（免費版）Api；

2）應用Qt中的QNetwork類實現(xiàn)http獲取實時天氣預報；

3）發(fā)送請求，請求方式為GET；

netrequest->setUrl （QUrl（"http：//jisutqybmf.market.alicloudapi.com/weather/query?city="+city））；

netrequest->setHeader （QNetworkRequest：：UserAgentHeader，"RT-Thread ART"）；

httpManager->get（*netrequest）；

4）返回類型為Json數(shù)據(jù)，并對Json數(shù)據(jù)進行解析。

圖7 天氣預報的實際效果Fig.7 Visual effect of weather forecast program

圖8 網(wǎng)絡實時獲取天氣預報工作流程Fig.8 Flow chart of obtaining weather forecasts in real-time from the web

6 結(jié)語

所設計的基于嵌入式Linux系統(tǒng)的車載終端控制系統(tǒng)，自動掃描U盤中MP3文件進行音頻播放，可控制LED燈和蜂鳴器，可通過http協(xié)議訪問實時天氣預報，利用攝像頭和超聲波模塊實現(xiàn)可視倒車及倒車距離報警等功能，實現(xiàn)了集娛樂、安全、網(wǎng)絡為一體的智能車載多媒體終端控制系統(tǒng)。