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1 終端功能 本監控終端除了具有傳統的記錄儀所擁有的事故分析功能外，還能在汽車(chē)駕駛員超速行駛時(shí)發(fā)出超速報警聲，以提醒駕駛員減速行駛，并詳細記錄車(chē)輛每次的開(kāi)車(chē)時(shí)間、行駛里程、行駛時(shí)間、最高車(chē)速，以及每次最高車(chē)速的持續時(shí)間，方便交通管理部門(mén)根據所記錄的有關(guān)數據對車(chē)輛進(jìn)行有效的管理；同時(shí)，該設備可實(shí)現多種信息處理，顯示汽車(chē)狀況，進(jìn)行自我診斷，對車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、水溫、油壓、剎車(chē)氣壓、輪胎壓力和蓄電池電壓等一系列參數進(jìn)行有效監控；通過(guò)控制發(fā)光二極管、液晶顯示、蜂鳴器等報警手段，為司乘人員提供直接的汽車(chē)狀況信息并發(fā)出各種超限情況的報警等，可有效防范和化解車(chē)輛事故的發(fā)生。另外，終端具有GPRS和GPS模塊，可將各種監測數據實(shí)時(shí)傳至公司管理中心，方便了公司車(chē)輛的統一調度和行車(chē)監測，利于提高公司管理水平。 2 終端功能模塊設計 選用帶有ARM7TDMI-S內核的LPC2292微控制器，可實(shí)現對車(chē)速、轉速信號、開(kāi)關(guān)量信號以及水溫、剎車(chē)氣壓、輪胎壓力等模擬量信號的采集、處理以及數據的實(shí)時(shí)存儲和顯示，通過(guò)串口、USB接口可以實(shí)現與PC機之間的數據通信，通過(guò) CAN和LIN總線(xiàn)接口可實(shí)現與汽車(chē)上的CAN或LIN節點(diǎn)間的數據通信。該系統的外圍接口模塊有電源模塊、車(chē)速等脈沖信號采集模塊、水溫等模擬信號采集模塊、鍵盤(pán)接口模塊、存儲器模塊、GPS定位模塊、GPRS通信模塊、LCD顯示模塊、胎壓監測以及通信接口模塊，系統的組成框圖如圖1所示。限于篇幅，本文僅就若干特色功能模塊設計作詳細分析。 2．1 車(chē)速、轉速信號采集電路設計 現有運輸車(chē)輛一般都裝有霍爾式集成傳感器，車(chē)速轉換成的電壓信號直接送至車(chē)速表，信號采集比較方便，具體處理方法是直接從車(chē)速表的接線(xiàn)端子取得車(chē)速信號。具體接線(xiàn)方式根據車(chē)速表信號輸出電路來(lái)確定。信號出車(chē)速表端子后送至光耦4N35高速隔離開(kāi)關(guān)，再送至集成運放LM358D前置差分電路，進(jìn)一步去除干擾并有效放大，由LM358D輸出端(7腳)送至9013進(jìn)行次級放大，至此車(chē)速信號已是占空比為50％的方波信號，并已剔除雜波，可直接送至微控制器定時(shí)捕獲端口進(jìn)行計數，具體電路如圖2所示。經(jīng)反復實(shí)驗優(yōu)化，本電路抗干擾能力很強，實(shí)車(chē)測試時(shí)無(wú)論低速狀態(tài)或超過(guò)110 km／h車(chē)速時(shí)，均可穩定準確地檢測到速度信號。同理，發(fā)動(dòng)機轉速信號亦可采取類(lèi)似方法進(jìn)行處理(在此不再贅述)。 2．3 CAN總線(xiàn)接口功能設計 CAN正常工作需要具備CAN控制器以及CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器。前者實(shí)現網(wǎng)絡(luò )層次結構中數據鏈路層和物理層的功能，后者則提供CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口以及對CAN總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。LPC2292微控制器包含兩個(gè)CAN控制器，單個(gè)總線(xiàn)上的數據傳輸速率高達1 Mbps，具有32位寄存器和RAM訪(fǎng)問(wèn)功能，帶有全局濾波器和驗收濾波器。本系統采用CTM8251D雙路帶隔離CAN收發(fā)器，至少可連接110個(gè)節點(diǎn)，通過(guò)擴展CAN總線(xiàn)接口，使得串行通信方式的選擇更加多樣化。當車(chē)內儀表也具有CAN總線(xiàn)接口的時(shí)候，它們可以直接利用此接口與記錄儀通信。CAN總線(xiàn)接口電路如圖4所示。 CAN通信與一般的串口通信類(lèi)似，在數據通信前先要對CAN總線(xiàn)進(jìn)行初始化操作，包括CAN控制器的選擇、數據寄存器的設置、通信波特率的設置等。初始化完成后，需要設置雙方的通信協(xié)議，建立彼此的連接。只有在同一協(xié)議下工作的雙方才能正確進(jìn)行數據的交換。本系統設置的CAN通信協(xié)議為：無(wú)過(guò)濾條件、 bypass模式、波特率可以預先設置。 本系統提供的CAN-BUS通信函數接口如下： ①初始化CAN：int CAN_Init(int cannum，uint32volatile baudset)。 函數入口參數：cannum為CAN控制器的選擇標志符，為1選擇CAN0控制器，為2選擇CAN1控制器；baudset為波特率，可以預先設置。 函數出口參數：初始化成功返回0，失敗則返回1。 函數功能：對CAN控制器進(jìn)行初始化。 ②CAN總線(xiàn)發(fā)送數據：int CAN_SendData(int can-num，uint32 volatile frameinfo，uint32 volatile senddatal，uint32 volatile senddata2，uint32 volatile canmode)。 函數入口參數：cannum同上；frameinfo為幀信息，用于設置幀信息寄存器；senddata1和senddata2分別為要發(fā)送的數據，用于設置數據寄存器A和B；canmode用于設置CAN工作模式。 函數出口參數：數據發(fā)送成功返回0，失敗則返回1。 函數功能：CAN總線(xiàn)進(jìn)行數據發(fā)送。 ③CAN總線(xiàn)接收數據：int CAN_RcvData(int can-num。uint32 volatile *pdatal，uint32 volatile *pdata2)。函數入口參數：cannum同上；pdata1和pdata2為接收數據指針。 函數功能：CAN總線(xiàn)接收數據，并從數據寄存器CANRDA和CANRDB中將數據讀進(jìn)對應的指針中。 2．4 LIN總線(xiàn)接口電路設計 LIN是低成本網(wǎng)絡(luò )中的汽車(chē)通信協(xié)議標準，可以提高通信質(zhì)量、降低成本，將是在汽車(chē)中使用汽車(chē)分級網(wǎng)絡(luò )的重要因素。LIN總線(xiàn)是一種簡(jiǎn)單的單總線(xiàn)系統，其軟件協(xié)議棧比較簡(jiǎn)單。一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)主機節點(diǎn)和一個(gè)以上的從機節點(diǎn)組成，所有的節點(diǎn)都包括有從機服務(wù)程序，用來(lái)發(fā)送和接收數據，僅有一個(gè)節點(diǎn)包含有主機服務(wù)程序。主機程序主要用于發(fā)送同步間隔、同步場(chǎng)和ID場(chǎng)(或命令)，以控制和協(xié)調各個(gè)節點(diǎn)的有序通信。 LPC2292微控制器集成有實(shí)現LIN總線(xiàn)節點(diǎn)的必要硬件，包括UART、捕獲輸入和足夠的定時(shí)器，特別是其捕獲輸入功能，為L(cháng)IN的幀頭識別、幀同步 &波特率測量提供了極大的便利。LIN總線(xiàn)接口電路如圖5所示，主要由LIN物理層接口芯片TJA1020構成，與LPC2292串口2相連，其主要完成MCU通信信號與LIN物理總線(xiàn)信號之間的相互轉換，為MCU提供一個(gè)與LIN物理總線(xiàn)的接口。 2．5 紅外通用接口模塊 出于用戶(hù)統一采集數據需求考慮，本系統設計了通用的紅外接口。它能夠支持紅外遙控和數據通信，支持IrDA協(xié)議，能夠方便地與各種符合協(xié)議標準的設備進(jìn)行通信。該模塊由HSDL7001編解碼芯片和HSDL3600紅外收發(fā)芯片組成。 HSDL7001與MCU串口相連，原理框圖如圖6所示。 HSDL7001可驅動(dòng)IrDA兼容的收發(fā)器，最高傳輸速率達11 502 kbps，其內部有1個(gè)SIR編碼器和1個(gè)SIR解碼器，支持內部(外接3．* MHz晶振)和外部16XCLK輸入兩種模式。當使用內部時(shí)鐘時(shí)，波特率可通過(guò)A0、A1和A2進(jìn)行調整。 3 終端軟件設計 嵌入式μClinux具有結構小巧、實(shí)時(shí)性強、穩定性高、可定制性強的特點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò )通信方面，嵌入式操作系統支持TCP／IP及其他協(xié)議并提供通信協(xié)議動(dòng)態(tài)掛接技術(shù)，以及操作系統內部的進(jìn)程通信應用接口技術(shù)。本設計采用穩定的2．4版本的內核，并對它進(jìn)行合理的裁減和加載，作為操作平臺。μClinux己對本系統采用的主控器有了很好的支持，但在編譯本系統的內核前，需要修改 uclinux／linux-2．4．x／arch／armnommu／config．in文件中關(guān)于外部存儲空間的定義，以滿(mǎn)足本系統關(guān)于外部 Flash、CH375B和LCD液晶屏等器件的存儲空間的劃分。 3．1 進(jìn)程管理 μClinux的進(jìn)程調度沿用了Linux的傳統，系統每隔一定時(shí)間掛起進(jìn)程，同時(shí)系統產(chǎn)生快速和周期性的時(shí)鐘計時(shí)中斷，并通過(guò)調度函數(定時(shí)器處理函數)決定進(jìn)程何時(shí)擁有相應的時(shí)間片，然后進(jìn)行相關(guān)進(jìn)程切換，這通過(guò)父進(jìn)程調用：fork函數生成子進(jìn)程來(lái)實(shí)現。 本系統中，為每個(gè)任務(wù)建立數據處理子進(jìn)程，包括：車(chē)速、轉速等信號采集處理任務(wù)、串口定時(shí)通信任務(wù)、USB數據傳輸任務(wù)、GPRS數據傳輸任務(wù)、LCD數據顯示更新任務(wù)等。子進(jìn)程采用由μClinux內核中的cron組件觸發(fā)任務(wù)機制。系統中的crontab文件記錄了終端的定時(shí)數據處理任務(wù)信息(可由系統前臺設定任務(wù)執行周期)，時(shí)間一到即可被cron觸發(fā)其相應的子進(jìn)程。由于采用多進(jìn)程處理，終端可方便地實(shí)現多種信號的實(shí)時(shí)采集以及數據的及時(shí)處理、存儲和上送。 3．2 設備驅動(dòng)程序編寫(xiě) 設備驅動(dòng)程序是內核與硬件之間的唯一接口，也是內核代碼的一部分。當硬件設備要與內核進(jìn)行交互時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，通過(guò)驅動(dòng)程序預定義的入口點(diǎn)進(jìn)入內核，入口點(diǎn)將此信號保存在棧中并保存被中斷任務(wù)的寄存器的值。內核提取保存在棧中的中斷信號，再由內核調用相應的中斷處理程序。應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作。 本系統用到LPC22292的4路A／D采樣接口對水溫、剎車(chē)氣壓以及發(fā)動(dòng)機電壓狀態(tài)等參數進(jìn)行采集。下面以A／D采樣驅動(dòng)程序為例進(jìn)行分析： ①應用程序只有通過(guò)對設備文件的open、close、read／write、ioctl等進(jìn)行操作才能訪(fǎng)問(wèn)硬件設備，Linux的擴展文件操作結構 file_operations實(shí)現了標準的文件操作到硬件設備操作的映射，每個(gè)設備驅動(dòng)程序都要實(shí)現這個(gè)接口所定義的部分或全部函數。A／D驅動(dòng)程序的擴展文件操作結構如下： ②在設備驅動(dòng)程序中使用中斷，是提高系統數據處理速率的有效手段。有兩項工作要做： 第一，在初始化函數中的register_chrdev()調用之后，使用request_irq()函數安裝中斷處理程序。request_irq()函數聲明如下： 其中的參數irq是驅動(dòng)程序使用的設備中斷號；handler是中斷服務(wù)函數指針；flags是一個(gè)與中斷管理有關(guān)的各種選項的字節掩碼；device在／proc／interrupts中用于顯示中斷的擁有者；dev_id這個(gè)指針用于共享的中斷信號線(xiàn)，返回0成功，非0失敗。 A／D驅動(dòng)程序安裝如下一個(gè)中斷處理程序： 第二，實(shí)現這個(gè)中斷服務(wù)程序，參數必須與request_irq()登記時(shí)要求的一致，且不能有返回值。 ③A／D初始化 結 語(yǔ) 基于A(yíng)RM核的LPC2292為控制核心的嵌入式車(chē)輛行駛監控終端，在現有行車(chē)記錄儀基礎上增加了若干新功能。它具有以下特點(diǎn)： ①以μClinux系統為數據處理平臺，通過(guò)多任務(wù)進(jìn)程調度機制大大提高了系統處理海量數據的能力，實(shí)時(shí)性得到很大提高，對于車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速、剎車(chē)氣壓等監測頻率要求高的參數可以精確監測，增強了車(chē)輛行駛安全性。 ②先進(jìn)的通信功能。CAN、LIN總線(xiàn)接口使得終端可以與具備通用總線(xiàn)接口的車(chē)輛融為一體，作為車(chē)輛的內置診斷裝置，可全方位獲取車(chē)輛參數。USB接口使得監控數據可以方便地保存至系統后臺，利于數據分析。 ③完善的數據上傳與車(chē)輛定位跟蹤功能。管理者不僅可以實(shí)時(shí)了解車(chē)輛的位置現狀，而且可以實(shí)時(shí)監控車(chē)輛的運行狀態(tài)，通過(guò)司機與管理者的雙重監控，可以有效保證車(chē)輛的安全運行，這對于從事高危運輸行業(yè)的車(chē)輛具有重要意義。 總之，將高性能的ARM微控制器與嵌入式操作系統運用于車(chē)輛行駛監控終端中，既能大大提高車(chē)輛數據采集與分析的效率和準確性，又可實(shí)現對車(chē)輛多種性能參數的實(shí)時(shí)監控，是今后車(chē)輛遠程實(shí)時(shí)監控技術(shù)的發(fā)展趨勢。 |
