多功能嵌入式车辆行驶监控终端设计

摘要 介绍基于LPC2292和μClinux系统的多功能嵌入式车辆行驶监控终端的结构和功能模块的设计；对系统设计的硬件和软件部分进行详细的分析，并就嵌入式系统中的驱动程序的建立进行详细讨论。监控终端可以对车辆各种性能参数进行全方位监控，并将总线接口作为车辆在途维护与诊断工具；结合无线通信模块可以建立远程车辆的全方位监控系统，提高车辆管理水平。
关键词 嵌入式系统 车辆监控CAN驱动程序 CTM8251 TJA1020

1 终端功能
    本监控终端除了具有传统的记录仪所拥有的事故分析功能外，还能在汽车驾驶员超速行驶时发出超速报警声，以提醒驾驶员减速行驶，并详细记录车辆每次的开车时间、行驶里程、行驶时间、最高车速，以及每次最高车速的持续时间，方便交通管理部门根据所记录的有关数据对车辆进行有效的管理；同时，该设备可实现多种信息处理，显示汽车状况，进行自我诊断，对车速、发动机转速、水温、油压、刹车气压、轮胎压力和蓄电池电压等一系列参数进行有效监控；通过控制发光二极管、液晶显示、蜂鸣器等报警手段，为司乘人员提供直接的汽车状况信息并发出各种超限情况的报警等，可有效防范和化解车辆事故的发生。另外，终端具有GPRS和GPS模块，可将各种监测数据实时传至公司管理中心，方便了公司车辆的统一调度和行车监测，利于提高公司管理水平。

2 终端功能模块设计
    选用带有ARM7TDMI-S内核的LPC2292微控制器，可实现对车速、转速信号、开关量信号以及水温、刹车气压、轮胎压力等模拟量信号的采集、处理以及数据的实时存储和显示，通过串口、USB接口可以实现与PC机之间的数据通信，通过 CAN和LIN总线接口可实现与汽车上的CAN或LIN节点间的数据通信。该系统的外围接口模块有电源模块、车速等脉冲信号采集模块、水温等模拟信号采集模块、键盘接口模块、存储器模块、GPS定位模块、GPRS通信模块、LCD显示模块、胎压监测以及通信接口模块，系统的组成框图如图1所示。限于篇幅，本文仅就若干特色功能模块设计作详细分析。

2．1 车速、转速信号采集电路设计
    现有运输车辆一般都装有霍尔式集成传感器，车速转换成的电压信号直接送至车速表，信号采集比较方便，具体处理方法是直接从车速表的接线端子取得车速信号。具体接线方式根据车速表信号输出电路来确定。信号出车速表端子后送至光耦4N35高速隔离开关，再送至集成运放LM358D前置差分电路，进一步去除干扰并有效放大，由LM358D输出端(7脚)送至9013进行次级放大，至此车速信号已是占空比为50％的方波信号，并已剔除杂波，可直接送至微控制器定时捕获端口进行计数，具体电路如图2所示。经反复实验优化，本电路抗干扰能力很强，实车测试时无论低速状态或超过110 km／h车速时，均可稳定准确地检测到速度信号。同理，发动机转速信号亦可采取类似方法进行处理(在此不再赘述)。

2．3 CAN总线接口功能设计
    CAN正常工作需要具备CAN控制器以及CAN总线驱动器。前者实现网络层次结构中数据链路层和物理层的功能，后者则提供CAN控制器与物理总线之间的接口以及对CAN总线的差动发送和接收功能。LPC2292微控制器包含两个CAN控制器，单个总线上的数据传输速率高达1 Mbps，具有32位寄存器和RAM访问功能，带有全局滤波器和验收滤波器。本系统采用CTM8251D双路带隔离CAN收发器，至少可连接110个节点，通过扩展CAN总线接口，使得串行通信方式的选择更加多样化。当车内仪表也具有CAN总线接口的时候，它们可以直接利用此接口与记录仪通信。CAN总线接口电路如图4所示。

    CAN通信与一般的串口通信类似，在数据通信前先要对CAN总线进行初始化操作，包括CAN控制器的选择、数据寄存器的设置、通信波特率的设置等。初始化完成后，需要设置双方的通信协议，建立彼此的连接。只有在同一协议下工作的双方才能正确进行数据的交换。本系统设置的CAN通信协议为：无过滤条件、 bypass模式、波特率可以预先设置。
    本系统提供的CAN-BUS通信函数接口如下：
    ①初始化CAN：int CAN_Init(int cannum，uint32volatile baudset)。
    函数入口参数：cannum为CAN控制器的选择标志符，为1选择CAN0控制器，为2选择CAN1控制器；baudset为波特率，可以预先设置。
    函数出口参数：初始化成功返回0，失败则返回1。
    函数功能：对CAN控制器进行初始化。
    ②CAN总线发送数据：int CAN_SendData(int can-num，uint32 volatile frameinfo，uint32 volatile senddatal，uint32 volatile senddata2，uint32 volatile canmode)。
    函数入口参数：cannum同上；frameinfo为帧信息，用于设置帧信息寄存器；senddata1和senddata2分别为要发送的数据，用于设置数据寄存器A和B；canmode用于设置CAN工作模式。
    函数出口参数：数据发送成功返回0，失败则返回1。
    函数功能：CAN总线进行数据发送。
    ③CAN总线接收数据：int CAN_RcvData(int can-num。uint32 volatile *pdatal，uint32 volatile *pdata2)。函数入口参数：cannum同上；pdata1和pdata2为接收数据指针。
    函数功能：CAN总线接收数据，并从数据寄存器CANRDA和CANRDB中将数据读进对应的指针中。
2．4 LIN总线接口电路设计
    LIN是低成本网络中的汽车通信协议标准，可以提高通信质量、降低成本，将是在汽车中使用汽车分级网络的重要因素。LIN总线是一种简单的单总线系统，其软件协议栈比较简单。一个LIN网络由一个主机节点和一个以上的从机节点组成，所有的节点都包括有从机服务程序，用来发送和接收数据，仅有一个节点包含有主机服务程序。主机程序主要用于发送同步间隔、同步场和ID场(或命令)，以控制和协调各个节点的有序通信。
    LPC2292微控制器集成有实现LIN总线节点的必要硬件，包括UART、捕获输入和足够的定时器，特别是其捕获输入功能，为LIN的帧头识别、帧同步 &波特率测量提供了极大的便利。LIN总线接口电路如图5所示，主要由LIN物理层接口芯片TJA1020构成，与LPC2292串口2相连，其主要完成MCU通信信号与LIN物理总线信号之间的相互转换，为MCU提供一个与LIN物理总线的接口。

2．5 红外通用接口模块
    出于用户统一采集数据需求考虑，本系统设计了通用的红外接口。它能够支持红外遥控和数据通信，支持IrDA协议，能够方便地与各种符合协议标准的设备进行通信。该模块由HSDL7001编解码芯片和HSDL3600红外收发芯片组成。 HSDL7001与MCU串口相连，原理框图如图6所示。

    HSDL7001可驱动IrDA兼容的收发器，最高传输速率达11 502 kbps，其内部有1个SIR编码器和1个SIR解码器，支持内部(外接3．684 MHz晶振)和外部16XCLK输入两种模式。当使用内部时钟时，波特率可通过A0、A1和A2进行调整。

3 终端软件设计
    嵌入式μClinux具有结构小巧、实时性强、稳定性高、可定制性强的特点。在网络通信方面，嵌入式操作系统支持TCP／IP及其他协议并提供通信协议动态挂接技术，以及操作系统内部的进程通信应用接口技术。本设计采用稳定的2．4版本的内核，并对它进行合理的裁减和加载，作为操作平台。μClinux己对本系统采用的主控器有了很好的支持，但在编译本系统的内核前，需要修改 uclinux／linux-2．4．x／arch／armnommu／config．in文件中关于外部存储空间的定义，以满足本系统关于外部 Flash、CH375B和LCD液晶屏等器件的存储空间的划分。
3．1 进程管理
    μClinux的进程调度沿用了Linux的传统，系统每隔一定时间挂起进程，同时系统产生快速和周期性的时钟计时中断，并通过调度函数(定时器处理函数)决定进程何时拥有相应的时间片，然后进行相关进程切换，这通过父进程调用：fork函数生成子进程来实现。
    本系统中，为每个任务建立数据处理子进程，包括：车速、转速等信号采集处理任务、串口定时通信任务、USB数据传输任务、GPRS数据传输任务、LCD数据显示更新任务等。子进程采用由μClinux内核中的cron组件触发任务机制。系统中的crontab文件记录了终端的定时数据处理任务信息(可由系统前台设定任务执行周期)，时间一到即可被cron触发其相应的子进程。由于采用多进程处理，终端可方便地实现多种信号的实时采集以及数据的及时处理、存储和上送。
3．2 设备驱动程序编写
    设备驱动程序是内核与硬件之间的唯一接口，也是内核代码的一部分。当硬件设备要与内核进行交互时，就会产生一个中断信号，通过驱动程序预定义的入口点进入内核，入口点将此信号保存在栈中并保存被中断任务的寄存器的值。内核提取保存在栈中的中断信号，再由内核调用相应的中断处理程序。应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。
    本系统用到LPC22292的4路A／D采样接口对水温、刹车气压以及发动机电压状态等参数进行采集。下面以A／D采样驱动程序为例进行分析：
    ①应用程序只有通过对设备文件的open、close、read／write、ioctl等进行操作才能访问硬件设备，Linux的扩展文件操作结构 file_operations实现了标准的文件操作到硬件设备操作的映射，每个设备驱动程序都要实现这个接口所定义的部分或全部函数。A／D驱动程序的扩展文件操作结构如下：

    ②在设备驱动程序中使用中断，是提高系统数据处理速率的有效手段。有两项工作要做：
    第一，在初始化函数中的register_chrdev()调用之后，使用request_irq()函数安装中断处理程序。request_irq()函数声明如下：

其中的参数irq是驱动程序使用的设备中断号；handler是中断服务函数指针；flags是一个与中断管理有关的各种选项的字节掩码；device在／proc／interrupts中用于显示中断的拥有者；dev_id这个指针用于共享的中断信号线，返回0成功，非0失败。
    A／D驱动程序安装如下一个中断处理程序：

      
    第二，实现这个中断服务程序，参数必须与request_irq()登记时要求的一致，且不能有返回值。
    ③A／D初始化

结 语
    基于ARM核的LPC2292为控制核心的嵌入式车辆行驶监控终端，在现有行车记录仪基础上增加了若干新功能。它具有以下特点：
    ①以μClinux系统为数据处理平台，通过多任务进程调度机制大大提高了系统处理海量数据的能力，实时性得到很大提高，对于车速、发动机转速、刹车气压等监测频率要求高的参数可以精确监测，增强了车辆行驶安全性。
    ②先进的通信功能。CAN、LIN总线接口使得终端可以与具备通用总线接口的车辆融为一体，作为车辆的内置诊断装置，可全方位获取车辆参数。USB接口使得监控数据可以方便地保存至系统后台，利于数据分析。
    ③完善的数据上传与车辆定位跟踪功能。管理者不仅可以实时了解车辆的位置现状，而且可以实时监控车辆的运行状态，通过司机与管理者的双重监控，可以有效保证车辆的安全运行，这对于从事高危运输行业的车辆具有重要意义。
    总之，将高性能的ARM微控制器与嵌入式操作系统运用于车辆行驶监控终端中，既能大大提高车辆数据采集与分析的效率和准确性，又可实现对车辆多种性能参数的实时监控，是今后车辆远程实时监控技术的发展趋势。
    编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet．com．cn。