车载嵌入汽车电子（共7篇）
车载嵌入汽车电子 篇1
近些年, 汽车工业已发展成国家支柱性产业, 同时在国家经济发展战略中具有十分重要的地位。据美国公路统计局统计, 2001~2007年美国每年发生汽车侧翻事故高达29 800起, 仅次于正面碰撞的行车事故。汽车侧翻[1]主要由汽车侧向加速度和侧倾角决定。随着用于汽车电子和汽车状态监测的MEMS传感器技术的发展, 可以对其进行监测, 提高其主动安全性能。本文设计的车载通信系统有3大创新点: (1) 基于MEMS传感器预测汽车状态, 在汽车侧翻后实现自动求援, 按一下主控界面的求救按钮, 求救短信 (包括车辆的位置) 会自动发送给急救中心, 从而实现第一时间救援的目的。 (2) 通过GPS进行车辆导航, 向信息数据中心传输车辆的经度、纬度、速度等实时的车辆信息, 这样可以实时地追踪车辆的信息, 便于车辆的调控, 最后实现智能交通的最终目标。 (3) 车载通信系统可以集电话和短信功能为一体, 运用时和手机一样进行拨号, 即可与外界实现交流。
1 车载嵌入式平台的硬件
整个车载嵌入式平台的硬件可以包括几个部分: (1) 采集汽车6自由度运动数据的数据采集模块; (2) 车载嵌入式平台的主控制器; (3) 负责远程通信、汽车地理位置定位的GSM/GPRS/GPS模块。其硬件搭建的原理框图如图1所示。
1.1 Windows CE 6.0操作系统
Windows CE具有快速的开发能力, 与Linux等嵌入式系统相比, Windows CE系统具有开发周期短、开发人员上手快的特点。Windows CE具有强大的开发基础, 提供了众多的模块化组件, 为开发者开发性能可靠、功能各异的多样化、个性化产品提供了方便[2]。
1.2 主控制器S3C6410
基于嵌入式的车载通信系统需要存储大量汽车运行的数据, 实现GSM/GPRS通信、串口通信、界面显示等功能。本文选择三星公司的S3C6410芯片, 它是具有ARM1176JZF-S处理器一切特性的嵌入式处理器芯片, 为需要大量数据存储的嵌入式系统设计提供了众多选择。此外, 它还具有多媒体加速特性和USB特性。
1.3 车辆姿态测量模块设计
为了减轻嵌入式系统的负担, 这里专门开发了10自由度的运动参数测量和姿态解算模块 (IMU) 。该IMU模块上布置了3个MEMS传感器芯片:MPU6050 (测量汽车6个自由度的运动) 、HMC5883 (三轴地磁传感器) , BMP180 (气压高度传感器) , 均通过I2C与STM32F单片机相连, 同时传感器的数据中断引脚与STM32F的IO引脚相连。使得传感器完成一轮ADC轮换后, STM32F就读取最新采集到的测量数据, 快速响应姿态的变化。这样的连接使得控制器拥有最大的主动权, 可快速地获得各传感器的状态和转化结果。
1.4 SIM908
本文选择SIM Com公司的SIM908芯片作为GSM/GPRS通信模块以及GPS定位模块。此芯片融合了GSM/GPRS通信和GPS定位功能, 简化了硬件设计, 并节省了空间和功耗。
2 车载嵌入式平台的软件实现
在基于汽车主动安全的车载嵌入式平台硬件的设计基础上, 进行平台的程序设计。平台软件设计包括三方面: (1) 侧翻预警系统的软件设计; (2) 串口通信的设计; (3) GSM/GPRS/GPS通信设计。其程序的总体设计流程图如图2所示。
2.1 汽侧翻预警程序设计流程图
侧翻预警算法的软件实现主要包括两方面: (1) 利用汽车6自由度数据进行姿态结算, 得到汽车的实时侧倾角, 并计算出汽车侧翻预警危险判别指示; (2) 利用预测预报技术对侧翻危险判别指示进行预测预报, 从而实现汽车侧翻预警[3]。其软件实现流程图如图3所示。
预测预报算法的核心程序如下:
2.2 串口通信设计
数据采集模块以及无线通信、GPS定位模块之间的通信为串口通信。因此, 实现在Windows Embedded CE6.0系统下的串口通信至关重要。本文在Visual Studio2005中选择采用串口API函数进行Windows Embedded CE 6.0系统下的串口通信程序设计。在Windows Embedded CE 6.0中一般采用Close Handle来关闭串口, Create File函数来打开串口。对于串口数据的读取, 本文采用Read File函数, 并采用事件触发形式来触发数据读取。
2.3 GSM/GPRS/GPS通信设计
2.3.1 GSM通信
通过GSM模块进行短信息的发送与接收是利用AT指令来实现的。主控制器通过串口向GSM模块发生相应的AT命令[4], 就可操纵模块进行相应的功能实现。AT指令是以AT开头、以字符结束的字符串, AT指令的响应数据包在中间。每个指令执行成功与否都有相应的返回。AT命令需以AT开头, 加上相应命令, 并以回车符号结束。
GSM通信程序过程为:先进行GSM系统的初始化, 包括短信息格式、短信服务中心号码设置等;然后检测网络信号强度, 有信号时才进行短消息的发生和接收。GSM通信流程图如图4所示。
首先进行系统初始化, 首先是负责GSM通信的串口初始化, 即打开相应串口, 设置串口波特率、校验位、数据位、停止位, 这里设置成115 200 b/s, 无校验位, 8 bit数据位、1位停止位。然后是GSM芯片初始化, GSM初始化步骤为:首先通过串口发送"AT"字符, 确定模块是否存在, 如果GSM芯片返回OK则模块存在;接着发送字符"AT+CLIP=1", 此命令用来设置来电显示, 以方便驾驶员使用系统电话功能;然后发送"AT+CMGF=0", 此命令用来设置短信格式为PDU格式, 此格式短信字符为UNICODE格式字符, 可发送中文短信息;成功后, 紧接着依次发送命令"AT+CGPSPWR=1"以及命令"AT+CGP-SRST=1", 这两个命令用来打开GPS定位功能, 此命令发送后, GPS冷启动一般需要4~5 min时间。系统初始化后, 利用命令“AT+CSQ”检测GSM信号是否正常。信号正常则可使用短信功能和电话功能。
2.3.2 GPRS的数据传输设计
GPRS通用无线分组业务俗称2.5G业务, 是利用当前GSM网络进行数据无线分组传输处理。GPRS可实现无线设备通过GPRS网络与Internet网络进行IP连接, 利用GPRS无线网络实现车载终端与远程控制中心或服务中心的无线通信, 可将行车数据通过网络无线传输到中心, 以减少车载终端的存储压力。Internet网络通信一般有两种方式, 即UDP方式和TCP/IP方式。UDP方式通信不需对方回复确认, 因此实时性强, 但不能保证数据的完整性;TCP/IP方式通信时, 每次数据传输需对方确认接收完整后才进行下一次数据传输, 因此实时性较弱, 但其能保证数据的完整性。在控制中心或服务中心实现基于Internet网络的通信时, 为保证通信质量以及数据完整性, 一般采用TCP/IP方式通信。车载通信终端利用GPRS网络与Internet网络连接, 然后通过TCP/IP协议与控制中心或服务中心进行数据通信。本文所选的SIM908-C模块内置融合了TCP/IP协议[5]。所以, 利用SIM908-C模块进行GPRS数据传输设计, 同样也可以通过AT指令来实现。
2.3.3 GPS导航解析
SIM908中GPS模块输出的GPS定位信息符合NMEA通信标准, 其输出信号格式为ASCII格式的数据, 其中包含了时间、经度、纬度、数度、航向、高度和卫星数量等信息[6]。模块输出7种不同的定位信息, 包括:$GPGGA、$GPGLL、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG和$GPZDA。可通过命令AT+CGPSINF来设置信息的输出类型。
本文单独开辟一个线程用作GPS信号接收和解析。SIM908中GPS信号同样是通过串口方式向外发送, 因此主控制器同样要利用串行端口接收GPS信号。在进行GPS信号解析之前, 也同样必须进行串口的一些操作, 这里串口波特率设置成115 200 b/s, 数据位设置为8 bit, 无校验位, 停止位设置为1。然后开始读串口中GPS信号并进行解析, 最终将所需的GPS信息保存并显示在GPS显示界面上供驾驶员查看参考。
本文自主开发的基于汽车主动安全的车载嵌入式系统运行良好, 侧翻预警、车载通信功能工作稳定。侧翻预警条、短信、电话、导航及Internet等功能稳定, 能够实现对外界的信息交流和传输。这套系统初步实现了人-车-路的全面感知, 为下一步实现智能汽车、智能交通打下基础, 有着很强的社会经济利益。在本车载通信系统的基础上可以继续对车辆监控调度中心的软件进行研究和开发, 以满足车联网 (智能交通) 进一步的需要。
摘要：防止汽车侧翻是研究汽车主动安全的重要范畴, 侧翻预警是有效防止汽车侧翻事故的重要手段。MEMS传感器的技术发展带动了汽车状态在线监预报测技术的发展。利用Windows CE 6.0嵌入式操作系统设计了汽车侧翻安全预警和车载通信平台。基于Visual Studio 2005中VC++语言设计了汽车主动安全应用软件, 在主控制器中实现汽车侧翻预警、GSM/GPRS通信、GPS解析等功能。这些技术也为车联网的进一步发展提供一定的基础。
关键词：侧翻预警,车联网,车载通信,嵌入式系统
参考文献
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嵌入式车载导航终端的设计 篇2
在现代交通领域,当今世界各国的大城市无不存在着交通拥挤问题,为了提高交通运输的效率,智能交通系统(Intelligent Transportation System,简称ITS)应运而生。车载导航系统是ITS中当前需求较为迫切、应用比较广泛的一个重要系统。
所谓车载导航,就是在应用GIS(Geographic Information System,地理信息系统)技术构造的路网数字化地图的基础上,运用GPS(Global Position System,全球定位系统)、DR(Dead Reckoning,推算定位)等定位技术进行车辆定位,确定最优行驶路线,为出行者提供动态的或实时的最优出行路线信息,并在出行过程中对驾驶员适时地作出路线指引。
车载定位导航系统主要由中心服务器端、探测车车载端、普通车载用户端组成。中心服务器端是基于PC机的软件平台,它与交通信息平台相结合,兼具探测车信息采集中心和交通诱导服务器的功能。探测车车载端采集实时交通信息,在普通车载端的基础上添加信息上传功能模块。普通车载用户端实现整个车载移动端的诱导功能,这也是本文主要讨论的部分。
1 车载导航终端总体设计
在设计车载终端系统时需要考虑的具体因素包括系统的单位成本、所能提供的定位精度、所支持导航功能的复杂性、是否需要无线通信模块以及扩展功能及是否需要支持其他特定功能等。从功能上划分,一个完整的车载导航终端系统有以下功能模块构成:无线通信模块、定位模块、包含车载导航电子地图数据库的地理信息系统、地图匹配模块、路径规划模块、路径引导模块、人际交互界面、嵌入式操作系统、车载导航终端硬件平台等,车载导航终端系统原理框图如图1所示。
2 车载导航终端硬件设计
由于使用环境的特殊性,汽车在路面上行驶,振动很大,而且全天候作业,因此对车载PC有特定的要求。车载PC是核心部分,除定位和通信外,系统的其他功能模块都以导航计算机为硬件平台,通过应用软件来实现。在性能指标上,由于必须担负地图的显示与刷新、行驶指令计算、定位数据的处理与转换等具有较高实时性要求的任务和路径规划等计算量大的任务,因此导航计算机必须具备足够的运算能力。从功能上看,导航计算机应具备基本的多媒体功能,强大的控制和通信能力以及良好的扩展性和兼容性。从车载环境的要求看,导航计算机还需具备良好的抗震性能。根据车辆使用的频繁性以及道路的复杂性的要求,系统必须可靠性要高。
因此,作为系统核心的导航计算机必须体积小、集成度高、功耗低、成本低、处理能力强、操作简单便捷、可靠性高且扩展性和兼容性要好、性能满足一定要求,同时可以根据应用需要灵活选择硬件和软件部件。
鉴于以上因素,在系统设计中,采用嵌入式技术设计方案。车载导航终端的硬件体系结构如图2所示。
中央处理器选用AMD公司的Geode SC2200处理器,它集成了一个Geode GX1 32位X86兼容微处理器和一个支持CRT/TFT/STN的图形处理器芯片(2D图形加速)以及支持SUPER I/O模块。而且,它具有体积小、功耗低、成本低而性能高等特点,其强劲的计算能力和控制能力很适合导航系统的需求,因此,它成为车载导航系统的理想运行平台。另外,SC2200处理器的集成化架构通过降低组件个数、系统主板面积和整体功耗简化了系统的设计。
采用3.5″小尺寸高性能主板,占用空间较少,符合车载PC应用环境。使用CS5530A显示芯片,支持CRT和LCD显示,能在高分辨率下,较真实地显示原物体,同时使用LCD也可以进一步节约空间。系统使用的存储设备有两种:SDRAM用于在系统工作时加载和运行应用程序;NAND格式的FLASH用于保存程序和数据,电子地图数据存放在电子盘中,更换起来非常方便。主板设计了5个RS-232接口(与16C550 UARTS兼容),一个并口(支持SPP/EPP/ECP模式),2个USB接口,一个44脚IDE接口和一个高密度IDE扩展接口(附带一个DOC插座)。能在灵活应用系统的同时,随时扩展或升级系统。
GPS模块、GSM模块与SC2200芯片之间通过标准的串行口进行通信。车载终端嵌入式导航计算机硬件结构图如图3所示。
3 车载导航终端软件设计
根据系统软件功能的要求和分析,车载导航系统软件体系可划分为如图4所示的层次结构。
3.1 硬件网络层
硬件网络层为硬件模块如协议解释芯片、寻呼接收模块、智能卡、射频卡、GPS/DR组合定位、GPRS模块等提供底层驱动程序。
3.2 嵌入式操作系统层
嵌入式操作系统是嵌入式产品的核心。在软件设计方面,嵌入式操作系统的选择是至关重要的,它关系到开发工具的选择。由于本系统希望拥有友好的人机交互界面、而且操作简单方便,对实时性要求并不高;所以在进行分析的时候将市场上常见的4种具有良好人机界面、易于开发应用程序的嵌入式操作系统进行对比,它们分别是:Windows CE,Palm,Linux,Symbian。它们之间的比较如表1所示。
根据系统功能的要求,操作系统应提供良好的图形支持和强大的多任务管理能力。从应用层软件开发的角度考虑,应选择平台开发功能强、共享软件资源丰富、驱动程序支持多的操作系统。为适应车载环境,操作系统必须能脱离硬盘直接从ROM或其他非机械式存储媒介中启动,其对内存的开销、存储容量等硬件资源的要求也应尽量降低。
由以上分析以及表1可以看到,Windows CE在作为车载导航终端的操作系统时,具有多方面的优势,因此本课题采用嵌入式操作系统Windows CE进行系统开发。
3.3 数据层
数据层主要用于存储GIS数据以及文件系统,是通过嵌入式GIS来实现的。
嵌入式GIS的主要功能包括以下几个部分:
1)基本地图操作功能。主要用于地图的显示、缩放、漫游、查询等。结合本文前述,该功能应尽量保证具有精简的内核和快速的浏览速度。
2)图层管理功能。根据用户需求可以打开/关闭、显示/隐藏图层,但要避免频繁调入图层数据,以便加快数据的显示速度。
3)查询、检索、分析、导航功能。主要用于目标的查询(包括分类查询、图文互查)、定位以及结合GPS定位数据的导航功能等。本功能与用户需求结合较多,系统设计主要体现用户的意愿。
eSuperMap是某公司开发的嵌入式GIS开发平台,利用它可以为嵌入式设备迅速地开发和构建各种GIS/GPS应用系统,如PDA上的GIS应用和卫星导航终端应用等。eSuperMap实现了GIS与GPS技术的融合,除提供传统GIS的显示、查询、分析等常规功能外,还可以实时接收GPS数据,自动校正GPS数据的漂移,并在电子地图上实时显示移动目标,完成汽车自动导航、路径分析等功能。eSuperMap具有精简内核,运行时占用资源非常少,速度快的特点,可以在各种高低端的嵌入式设备中运行。eSuperMap专门为嵌入式设备量身定做了数据,更适合在资源紧缺的嵌入式设备上使用。eSuperMap的空间数据和属性数据是以PMF(Portable Map File)文件格式存储,精简的PMF文件支持压缩和加密,这对于资源紧缺的嵌入式设备非常重要。
综合各种因素考虑,eSuperMap软件是理想的嵌入式GIS运行平台。
3.4 核心应用层
核心应用层的目的一方面是为了将业务处理和表现分离,使软件结构的各层相对独立,各层的应用可以平行开发;同时也便于上层应用。
核心应用层又分为两层,底层属于一些可能被多种上层应用调用的基本操作,为了提高开发效率,将地图管理、地图显示、支付、TTS语音合成模块、加解密、语音识别、系统设置、费率管理、用户认证处理等功能封装成为多个基础组件,供上层标准应用调用。上层标准应用包括:地图数据下载、交通信息查询、路径规划、目的地查询、地图匹配、路径引导、多媒体播放、游戏、地图更新、增值服务应用等。
3.5 人机界面层
人机界面层对客户端软件进行系统集成,提供几个标准应用的人机界面,包括:路径规划、路径引导、目的地查询、多媒体播放以及交通信息查询等。
4 导航路径优化算法的改进
4.1 车载导航路径优化问题的特点
所谓路径优化,就是在路网中找到任意给定两点之间的最优路径。最优的标准是旅行费用最小或最大。旅行费用可以是距离、时间或速度等因素。路径规划经典算法主要有:迪杰斯特拉(Dijkstra)算法及其改进算法、Floyd算法、启发式搜索算法、双向搜索算法和双向启发式搜索算法等。
由于导航系统本身的特点,实际路网的特点,交通流运行的特性以及交通管理控制措施的影响,使得车载导航的路径优化问题具有以下特点:1)要求占用尽可能少的存储空间;2)对问题求解的时效性要求相当高;3)起点和终点问题;4)交叉口延误的存在使得结点带有权重;5)道路的转弯限制和单行道限制;6)动态道路状况信息的加入。
4.2 导航路径优化算法的改进分析
任何数学模型都只是对现实问题的近似和抽象,因此在解决实际问题上,通常还需要对现实情况进行综合考虑和对建立的数学模型进行改进使之更符合实际应用。对导航路径优化算法的改进思想包括:1)优化道路网络;2)缩小搜索点的范围;3)排序方法的改进;4)数据结构的改进;5)减少存储空间。尽量减少算法占用的存储空间,是适于车载导航的路线优化算法研究的另一重要目标。可从以下两方面来考虑对算法加以改进:采用更为合理的存储结构,以及对数据采取动态管理的策略。6)采用分层搜索。对大型问题,分层搜索是减小搜索空间的有效方法。7)利用实时启发式搜索。
将分层搜索与启发式搜索、双向搜索相结合,从而形成的启发式双向分层搜索算法,将是解决大型路网路经优化问题的最流行和颇有前景的算法。
综合以上的分析,对于车载导航的路径优化问题,采用改进的启发式双向分层搜索算法比较适合。
5 结束语
本文就嵌入式车载导航终端的硬件体系和软件体系等方面的实现方案进行了讨论。重点给出了系统的硬件设计方案和硬件结构,介绍了软件设计的总体思路,并对车载导航系统路径优化问题进行了探索。随着技术的发展和产品性价比的提高,嵌入式车载导航产品在中国必定具有广阔的市场前景。
摘要：本文介绍了基于嵌入式处理器AMD Geode SC2200的车载导航终端的设计,重点给出了系统的硬件设计方案和硬件结构,介绍了软件设计的总体思路,并对车载导航系统路径优化问题进行了探索。
关键词：车载导航系统,嵌入式GIS,Windows CE
参考文献
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车载嵌入汽车电子 篇3
系统CPU:Intel Xscale PXA270, 运行频率520MHz;内存:128MB Mobile DDR2+32MB NorFlash;LCD:5.0"TFT (320X240) ;带电阻式触摸屏;Audio Codec:Philips UCB1400, AC97接口;音频:1路MIC输入, 1路立体声耳机输出和1路2W功放输出接喇叭;2个RS232串口 (其中1个用于GPS模块) ;1路USB2.0 full speed Host接口;1路USB2.0 full speed Device接口;具备独立RTC电路, 带锂备份电池;1个SD存储卡接口;采用GPS模块实现导航功能;24V AC Adaptor 电源输入;操作系统:WinCE 4.2。
2 系统设计
采用低功耗嵌入式 CPU作为车载导航终端的核心器件, 由主板、系统电源DC24V、液晶显示器、触摸屏接口、SD卡接口、GPS模块、串口构建整个系统, 结构如图1所示。
2.1 主板设计
选用Intel公司生产低功耗Xscale PXA270 CPU, 其主频最高可达624MHz, 该CPU集成ARM5VTI内核及各种外部接口控制电路, 主要有3个标准串行接口、1个满足USB 1.1标准协议的USB Host接口、1个USB Device接口、1个标准SD卡接口、1个用于音频扩展的I2S接口、1个数字式LCD显示接口、1个可随意定义的矩阵键盘接口等。该CPU具有处理能力强、功耗低、集成度高等特点, 适合于手持式设备应用的嵌入式微处理器。
将CPU及其配套的高度集成化的周边控制芯片安装在多层PCB板上, 该主板主要配置有128MB SDRAM、32MB FLASH、3.5" 或5" 640×480的LCD接口、1个100Mbps网络接口、3个串行接口、1个USB Host/Device接口、1个标准SD卡接口、1个掉电保护的RTC时钟、矩阵按键及触摸屏接口等。通过这一设计, 不但增强了设备的功能性, 还增强了设备的可扩展性, 从而实现设备在不同领域的应用。
2.2 电源设计
电源采用高效率、低功耗、高可靠的DC-DC转换设计。电源输入级提供过压、欠压、过流等保护电路, 防止外供电输入不稳定对设备的损坏, 经过DC-DC转换提供给液晶屏、GPS模块、音频模拟电路和主板芯片所需电压, 所有DC-DC转换器均采用开关电源工作原理, 提供低纹波、高稳定性、可靠的电源输出。
3 软件系统设计
3.1 总体设计
开始串口初始化, 接收GPS数据, 判断是否为GPGCA, 是则接受并缓存数据, 否则返回重新接受GPS数据。系统支持LCD和GPS模块, 完成提取GPS定位信号的数据、坐标转换、电子地图的显示等功能。
3.2 提取并输出GPS
GPS模块通电后, 自动搜索到卫星导航信号。从串口输出数据结果。通用的NMEA格式输出数据通过GPS接收机实现。NMEA-0183协议定义的语句格式较多, 常用且兼容性较广的语句有:$GPGSA、$GPGSV、$GPGGA、$GPGLL、$GPRMC等。
连接宿主机与开发板的串口0。宿主机进入Linux操作系统, 打开Minicom终端设备, 设置波特率115 200、8位数据、1位停止、无流控、无校验。串口的设备文件为/dev/ttyS*, 其中ttyS0为串口1, ttyS1为串口2, 其余类同。在对串口进行通信之前, 首先要对串口的参数进行初始化设置、保证通信双方的通信参数一致。初始化串口完毕之后, 就可以进行读取操作。GPS发送的数据类型都是以&GPGGA符号开头, 如果检测到是GPGGA符号, 则需要进行下一步处理。部分代码如下:
3.3 GPS坐标转换
国内地图一般是以54北京坐标系作高斯·克吕格平面投影。本系统输出的地理坐标采用的是WGS-84坐标系, 所以需要作一个坐标转换, 即将GPS坐标 (WGS-84坐标系) 转换到电子地图坐标 (54北京坐标系) 。其坐标转换的具体过程如下:
空间直角坐标转换成国家大地坐标, 国家大地坐标转换成地图平面坐标。
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3.4 重构电子地图
电子地图包含的数据格式一般都不能直接用于嵌入式平台中, 因此需要提取、存储、重构电子地图的数据。该系统设计使用了美国MapInfo公司的桌面电子地图系统, MapInfo数据格式可分为Mif和Tab两种格式, 而MIF格式是MapInfo公司提供的一种与外界交换数据的格式, 主要用于保存空间对象的几何数据, 读出电子地图的数据, 通过嵌入式平台, 采用绘图工具重新组成电子地图。部分实现代码如下:
4 结语
本文主要进行了主板设计、电源设计, 完成了提取GPS定位信号的数据、坐标转换、电子地图显示功能的实现。经测试, 该平台具备升级能力。GPS定位数据到电子地图数据转换的算法需进一步完善, 以提高系统的运行效率和数据的准确性。
摘要：根据用户车载导航终端的系统要求, 进行了基于嵌入式导航终端的系统设计, 提取了GPS定位信号的数据, 转换了坐标, 实现了电子地图的重构。系统软硬件平台有较强的升级能力, 可靠性较高。
关键词：车载导航终端,嵌入式系统,GPS模块
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基于嵌入式技术的GPS车载终端 篇4
1 GPS系统概述
全球定位系统(Global Positioning System 简称GPS)是美国第二代卫星导航系统。于20世纪70年代开始研制的,历时20年,耗资200亿元,于1994年建成。GPS能提供全天候、连续、实时高精度导航参数,实现三维定位,并可提供精确的时间信息。
GPS由3个独立的部分组成:
(1) 空间部分。21颗工作卫星,3颗备用卫星。
(2) 地面控制部分。1个主控站,3个注入站,5个监测站。
(3) 用户设备部分。接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作。
由于GPS具有全球覆盖以及精度高、定位速度快、实时性好、抗干扰能力强等特点。近年来GPS在国内外得到广泛的应用,在各个领域发挥了极大的作用,已成为信息时代不可缺少的一部分。
2 GPS车载终端
车载终端的GPS模块实时接收全球定位卫星的位置、时间等数据,根据远程监控中心的命令要求,数据将通过MC39I模块发送到远程监控中心服务器,使得监控中心能实时得到所有车辆的状态或位置信息,给车辆的安全监控以及远程调度提供了基础。
2.1 硬件部分
2.1.1 电源部分
电源模块采用LM317,最大输入电压为直流40V,车载电源一般为直流12V或24V。LM317最大输出电流1.5A,输出电压1.2V-37V可调。由于ARM7-LPC2131单片机、MC39I和Lassen IQ模块都可以在3.6V时正常工作,所以调节电阻R1和R2,使LM317输出电压为3.6V。实践证明LM317能很好的满足工作要求。图1为LM317外围电路图。
2.1.2 ARM7-LPC2131单片机
随着信息技术的飞速发展,基于ARM的技术方案是最具市场前景和市场优势的解决方案,它是一种具备低功耗、高性能以及小体积等特性的32位嵌入式微处理器。
Philips LPC2131是基于ARM7TDMI-S的高性能32RISC微处理器,它一方面具有ARM处理器的所有优点:低功耗、高性能;同时又具有较为丰富的片上资源,非常适合嵌入式产品的开发。图2为LPC2131和IQ模块、MC39I接口电路图。
其特点如下:
·集成了Thumb扩展指令集;
·8KB的片内静态RAM和32KB的片内Flash程序存储器,具有向量中断控制器;
· 2个UART、2个高速I2C总线、1个8路10位的A/D转换器、2个32位定时器/外部事件计数器、PWM单元(6路输出)、看门狗定时器WDT和47个通用I/O引脚(可承受5V电压);
·CPU时钟高达60MHZ,具有片内晶体振荡器和片内PLL。
LPC2131、MC39I和Lassen IQ模块都是由3.6V供电的,所以LPC2131串口1可直接和Lassen IQ的串口连接,LPC2131串口2可直接和MC39I的串口连接,串口通信正常。
2.1.3 西门子MC39I模块
西门子MC39I是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块,可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。其特点如下:
★ 支持EGSM900和GSM1800双频,支持数字、语音、短消息和传真;
★ 低功耗:处于睡眠状态时电流为3mA,支持三种语言编码的传送速率;
★ 基本免提操作,标准协议的认证、采用GSM Phase2/2+标准;
★ SIM卡连接方式: 外接;
★ 音频接口: 模拟信号(麦克风,耳麦,免提手柄);
★ AT命令编程,在本系统中用到的命令举例如下:
初始化模块,AT^SSYNC=1;
短消息以PDU格式发送,即设置AT+CMGF=0;
设置短消息存储空间,AT+CNMI=2,1,2,0,1;
设置信息存储位置,AT+CPMS=SM,SM,SM;
关闭回显,ATE0。
2.1.4 天宝Lassen IQ模块
采用天宝突破型FirstGPS技术,模块能够输出位置、速度、时间(PVT)信息给用户。Lassen IQ模块只需少量的电量、空间即可传输充分可靠的PVT结果。
Lassen IQ采用TSIP、TAIP(天宝标准界面协议)和NMEA0183协议。通常采用NMEA0183格式的数据。模块置于一个金属外壳内以便于携带。该外壳起了保护和屏蔽的作用。
用IQ_CHAT.EXE软件可对IQ模块进行设置。波特率(2400～38400)选任;
选择输出数据包的时间间隔,1～20秒任选;输出格式选择NMEA;输出语句只选择$GPRMC,实际采集到的GPRMC命令数据。
$GPRMC,133541.00,A,3638.4912,N,11702.5695,E,000.8,356.7,280806,05.3,
W,A*11
此命令中包含时间、定位状态、经纬度、速度、方向、日期等信息,基本满足所需要的数据。
2.2 软件部分
要实现车载终端与监控中心的正确通信,就需要实现LPC2131串口0对IQ模块串口的数据接收;LPC2131串口1对MC39I模块串口数据的接收和发送,其实就是LPC2131通过与GSM短信息有关的AT指令控制MC39I的控制技术,如读取MC39I的短消息内容,删除短消息内容等。
2.2.1 串口0接收中断
2.2.2 串口1接收中断
2.2.3 串口1的发送中断
2.2.4 电话处理部分
由于本车台是为了对汽车负责,所以对于所有打入的电话一律进行直接挂断处理
3 结束语
该系统以ARM芯片作为主控制器,综合运用了GPS卫星定位技术和无线网络传输技术,将两者结合应用在车载导航和监控调度中,可以实现对汽车的监听、寻址、跟踪、电源欠压报警,抢劫报警等多项功能。该系统可以应用于各类营运车辆,现在已在出租车、租赁车辆和物流车辆上应用,运行可靠稳定,取得了良好的效果。
参考文献
[1]LPC2131/LPC2132/2138Product data.Philips Semiconduc-tors.2004.
[2]周立功,张华.深入浅出ARM7-LPC213x/214x.北京航空航天大学出版社,2006.3.
[3]MC39i Hardware Interface Description,version02.00.2005.9.
[4]Lassen iQ GPS Receiver System Designer Reference Manual,2005.2.
车载嵌入汽车电子 篇5
随着生活水平的日益提高,越来越多的家庭拥有私家车,随之而来的,一些不法分子打起了私家车的主意,私家车被盗以及车内物品被盗的案件也逐渐增多。做为私家车的车主,谁也不可能随时随地守着车、随时随地看着电脑、随时随地了解某个经纬度的地址是具体哪个地方,那么对于私家车来说,对车辆的管理最需要的是将移动通讯和传统GPS行业紧密结合的专业GPS产品,将移动通讯、安全防范融为一体。目前,汽车防盗措施多采用形式单一的自身声光报警,汽车一旦丢失车主便难以找回。针对这一问题,利用当今电子技术中最具有生命力和发展前景的嵌人式系统设计开发技术,并结合通信和计算机技术,设计实现一套车载远程监控系统势在必行,也具有较好的现实意义。
2 系统总体方案及硬件实现
2.1 系统总体方案设计
当驾驶者未通过身份验证,但汽车有移动时,此时为非法异常状态,车载多媒体监控终端将通过GPRS网络自动向服务中心发送报警信息。服务中心接受报警后,可控制车载摄像头对车内拍照,并控制车载GPS1模块获得G P S定位信息。照片和G P S经纬度信息通过GPRS不间断地传送到服务中心。服务中心管理者可通过集成软件查看汽车内的状况,并在电子地图上查看汽车的位置,以便及时找到丢失的汽车[1]。
根据系统需求,故本系统所设计的总体结构如图1 所示。
在上图中,我们主要是对车载终端硬件部分的设计,以及软件部分的设计(包括车载终端系统软件和服务中心软件的设计)。其中,车载终端系统软件又分为前台和后台软件,前台软件主要负责对车主身份的验证及进入用户功能主界面;后台软件程序除了监控汽车状态外,还负责各个软件模块之间的消息转发等功能。
2.2 系统硬件平台的设计
车载终端以S3C2416处理器为核心[2],串口0连接GPS定位模块,串口1连接GPRS模块,Device USB接口连接摄像头,Host USB接口连接U盘,该终端硬件设计框图如图2所示。
系统初始化时S3C2416首先初始化USB摄像头,使USB摄像头能正常采集处理图像数据。在图像采集过程中,视频采集卡将图像数据缓存至闪盘里待S3C2416读取,当系统需要获取图像时,系统通过V4L接口读取闪盘里的图像数据,再进行图像压缩、存储和图像传输等工作。
GPS模块和GPRS模块通过串口与S3C2416进行通信:A R M通过串口1接收G P S定位数据,然后经串口0通过GPRS无线网络发送GPS和其他状态数据到监控中心服务器,同时终端也可接收由监控中心下发的控制命令,如对车内状况拍照等指令,并执行相应的功能。同时把报警信息和采集的图片发送给监控中心进行处理。
3 嵌入式Linux的移植与开发环境的构建
常见的嵌入式系统开发有两种方式,笔者采用P C机使用windows操作系统,利用虚拟机安装Linux操作系统,在虚拟机下建立ARM Linux开发环境。[3]构建嵌入式系统开发平步骤如下:
1. PC宿主机环境的创建;在PC机平台下通过Vmware虚拟机软件安装RedHatLinux9.0
2.安装交叉编译环境;本设计编译工具closs-3.4.1. tar.bz2,安装此编译器在PC机上Linux系统的/usr/local/arm目录下。
3. Bootloader的配置和编译;
4. Linux内核的配置和编译;
5.文件系统制作;本设计主要制作yaffs2文件系统需要用到的工具是mkyaffs2image。
6.目标板Linux系统的创建;
(1)Bootloader的烧写,本设计通过H-FLASHER烧写Bootloader网上提供了0.9.2版本的h-jtag软件,也可以到H-JTAG官方网站上下载高版本软件。用H-Flasher烧写Bootloader最低需要0.9.2版本。打开H-JTAG,检测到CPU。打开H-Flasher(是随H-JTAG一起安装的)按图示提示进行配置。
(2)Linux系统的下载
(1)进入vivi的下载模式,在宿主机上,进入image目录,启动超级终端minicom。按住键盘的空格键,复位目标板,此时将打印vivi的启动信息。
(2)Flash分区vivi>bon part 0 192k lM分区后存储器分配如下:
(3)下载Boot loader映像文件
(4)下载Linux内核映像文件
(5)下载根文件系统
4 车载远程监控系统软件设计与实现
在车载终端软件前台和后台之间的通信中,采用层次结构的通信方式。即在调用过程中既有上层对下层的调用(主程序调用库函数),也有下层对上层的间接调用(库函数调用回调函数),这种调用关系既没有增加下层对上层的依赖关系,又实现了灵活性。车载监控终端软件采用Qtopia在Linux操作系统下编写。
4.1 车载终端前台程序
通过Linux操作系统下的QtDesigner设计车载终端前台图像界面,再通过g c c交叉编译器编译适合开发板运行的二进制文件,最后下载到板子运行[4]。如图3所示。
在身份验证界面中,驾驶者输入用户名和密码利用信号和槽的机制响应用户的操作。当响应次数超过3次时,验证不通过时初始化S3C2416及相关模块。首先初始化USB摄像头,使USB摄像头能正常采集处理图像数据。在图像采集过程中,视频采集卡将图像数据缓存至闪盘里待S3C2416读取,当系统需要获取图像时,系统通过V 4 L接口读取U盘里的图像数据,再进行图像存储到FramBuffer(帧缓冲区)中。通过调用下层函数get_gps()函数对车的地理位置接收和提取,把提取的数据用AT命令通过GPRS模块发送到车主的手机中。
在系统中,当驾驶者在前台未通过身份验证时,将触发GPS模块接收和提取地理位置的坐标,通过GPRS模块发送到车主的手机上。我们通过QtDesigner编写的应用程序,通过交叉编译成功并且下载到开发板上。为了方便演示整个系统的运行情况,现模拟现场的操作情况,启动开发板时设置自启动我们的应用程序,其界面如图4所示。在界面上点击GPS按钮着表示触发GPS模块,界面右边将显示地理位置的坐标,其界面如图5所示。当点击GPRS按钮着表示将地理位置信息发送到车主的手机上,如图6所示。车主手机接收到的GPS地理信息,如图7所示。
4.2 车载终端后台程序
后台程序一直处于运行状态,它不间断地检测车俩的状态,若驾驶者未通过身份认证,则后台程序首先调用GPS模块子程序即获取车辆的地理位置,然后再通过GPRS模块子程序立即向监控中心发送报警机车辆位置信息,调用时钟延迟函数每隔2分钟唤醒一次,对车辆信息进行实时监控[5]。
1.后台GPS模块信号的接收
在本设计中,为了更好的了解后台程序(即底层硬件系统)接收GPS信号的情况,我们在虚拟机的Linux操作系统通过串口编程与外部设备的GPS模块进行通讯。前提条件是PC机的超级终端已经连接上开发板的Linux操作系统。运行时,其输入命令为#./gps其接收到的信息如图8所示。
2.摄像头图像的获取
在本设计中,U S B摄像头对图像的获取,我们直接采用motion运动图像的软件包。该包集成了图像运动检测,保存变化的图片;在探测到运动时,可执行所设定目录里的文件(或脚本)等功能。我们把摄像头采集到的信息保存到U盘中。
运行时用手在摄像头前面慢慢晃动,则开发板就把采集到的图片和视频存储在U盘中了,摄像头采集到的图片如图9所示。
4.3 监控中心软件设计
监控中心与监控终端之间的通信有两种模型,由于条件的因素,在本设计中笔者采用B/S模型,即浏览器/服务器模型,用户在客户端采用浏览器实现对Web服务器的访问,服务器在后台运行程序,把结果返回给浏览器显示。在系统中,客户端为任何一台局域网内连网的PC,在浏览器地址栏内输入视频服务器的IP地址,就能在网页里显示摄像头的监控图像。
1.视频监控主页的编写
为了在客户端浏览器下能够访问嵌入式w e b服务器实现视频数据的播放,编写主idex.htm页面。此页面中嵌入了Java Applet小程序,客户端访问主页后就能自动运行该部分Java程序,实现视频图像的播放。
2.客户端视频数据接收的实现
为了在客户端浏览器下能够访问嵌入式w e b服务器实现视频数据的播放,编写主i d e x.h t m页面。此页面中嵌入了Java Applet小程序,客户端访问主页后就能自动运行该部分J a v a程序,实现视频图像的播放。
在此之前要先安装一个软件Java Web Start,安装了之后具体操作如下:(这一切是在板子已经启动并插好摄像头之后作的)在板子的命令行输入如下命令[6]:
当提示Got connection from IP时,就说明arm板已经和PC连上了。这时打开IE浏览器,在菜单栏选择“选项->internet选项->连接”在连接的窗口右下角有”局域网设置”进入局域网设置,取消代理服务器然后确定退出。在IE的地址栏内输入http://192.168.0.16/camera/index.html就可以在网页上看到摄像头相应的内容了,这时还要要给板子插上网线并且摄像视频的网页显示功能还需要一个安装在PC机上的JAVA插件,名字是j2re-1_4_2_15-windows-i586-p.exe(编写好的小应用程序)。这时局域网上的其他机子输入该地址也能看到,这样就实现了远程监控。
5 结束语
本设计是在ARM9-S3C2416硬件开发平台和Linux操作系统软件开发平台的基础上,实现了基于ARM9车载远程监控系统中的关键技术。完成的工作主要有以下几个方面:
1.详细研究了Linux操作系统的体系结构和配置、编译方法,完成了Linux.2.6.12向S3C2416开发平台的移植,并定制并移植yaffs为根文件系统,建立了嵌入式Linux的开发平台,为后续开发打下基础。
2.在PC机的Linux操作系统中编写程序,通过gcc交叉编译生成二进制文件下载到开发板,实现对GPS地理位置的接收提取。
3.在PC机的Linux操作系统中,通过修改motion运动图像的软件包的环境配置以至于运行该软件包,实现USB摄像头对图像的采集和存储。
4.在监控中心与监控终端之间的通信中,通过编写Java Applet小程序,完成监控中心软件的编程。
参考文献
[1]韩山,郭云,付海艳.ARM微处理器应用开发技术详解与实例分析[M].北京:清华大学出版社,2007.
[2]Samsung Electronics.S3C2440X 32-BIT micropro-cessor user's manual[Z].REVision 1.1.2003.
[3]李新峰,何广生,赵秀文.基于ARM9的嵌入式Linux开发技术[M].北京:电子工业出版社,2008.
[4]Jasmin Blanchette,Mark Summerfield.C++GUIProgramming with Qt4[M].2006,Prentice Hall.
[5]Christoffer Andersson.GPRS and 3G wirelessapplications[M].Jilin:Jilin Changbai-shan Press,2001.
车载嵌入汽车电子 篇6
本系统使用的主控芯片为Hi3512,是深圳华为海思半导体有限公司推出的第二代嵌入式高性能通信多媒体处理芯片,其硬件支持H.264和MJPEG等多种协议[4],可广泛应用于实时视频通信、数字图像监控、网络摄像机等领域。
1 列车车载监控的总体结构
车载监控主要用于汽车,列车使用相对较少,主要原因在于列车上的电源系统差异较大,同时列车对车载产品的安全等级要求较高,需要经过相关部门的严格检验才能使用。
本文设计的嵌入式列车车载监控系统由嵌入式列车车载录像机和PC端录像回放分析系统两部分组成。由于列车存在移动距离远、行驶地点偏僻等特点,使得实时监控并不适用于列车。同时考虑到列车的运行时间较长,因此选择较低成本较大容量的硬盘作为监控录像存储介质。列车运行到站后,将硬盘取下到PC端做回放分析。
PC端回放分析软件不仅要回放音视频监控画面,更重要的是要取出混合于视频中的机车号、机车速度、机车位置、车重、计长等信息数据和各种报警信息。这些信息数据和报警信息是通过串口从机车安全信息综合监控装置(TAX箱)采集进监控系统,然后与音视频文件一起混合打包,最后在PC端分离,做进一步分析。通常的机车TAX箱上能够监控到机车运行状况的各种信息,并且可以实时显示出来,但是并不能保存下来。而通过本系统,就可以在回放视频监控画面的同时,回放机车运行的一切操作信息,对分析监控机车的运行状况,有非常重要的作用。
本文设计的列车车载监控系统,可以同时录制4路视频,其中有2路视频用于监控机车主要部件的运行状况,传输至驾驶舱进行实时显示,并同时写入录像文件中;另2路视频监控并记录驾驶员的操作,以预防操作失误。这样一个文件就能全面监控列车的运行信息、机器状况、驾驶员操作、现场环境状况等各种信息,为列车的运行提供了安全保障,可以满足分析潜在隐患、查找分析事故原因等多种功能要求。
2 嵌入式车载系统的硬件设计
主控芯片采用华为海思的Hi3512,该芯片是基于H.264 BP算法的视频压缩芯片,采用ARM9+DSP+硬件加速引擎多核的高度集成的SoC架构,具备强大的视频处理能力。片内具有独立的16 KB的指令cache和16 KB的数据cache,内置MMU。内嵌的DSP内核具有3个ALU,8级流水线设计,支持MPEG-4 AVC/H.264等协议。
整机硬件框图如图1所示,系统采集到的模拟视频信号和模拟音频信号,经过A/D转换后送入Hi3512芯片中的DSP进行压缩;同时又将采集到的数字信号进行合成,经D/A转换后送入驾驶舱实时显示。车次号、机车号、机车速度、机车位置、车重、计长等信息数据和各种警报信息等TAX箱数据,通过RS485传入主控芯片,与压缩好的音视频数据一起混合打包和存储。
本系统的转换器采用Techwell公司的TW2835,该芯片可以同时支持4路模拟音频输入,4路模拟视频输入,1路模拟音频输出,2路模拟视频输出。Flash用于存储机内嵌入式Linux操作系统和应用程序等相关文件。DDR2作为程序运行内存使用。SATA接口与硬盘连接,用于存储录像文件。RS232接口用于调试机内软件。网络接口用于下载机内软件。USB接口可以升级机内软件,也可以用于存储或导出录像文件。
列车上的电源为110 V直流电源。由于列车上的用电设备多,电路复杂,因此,列车上的用电设备对可靠性、稳定性等要求很高,需要经过相关部门专业检测才能使用。本系统电源部分电路可以适应输入电压在60 V～130 V之间的变化,峰值可过滤300 V,稳定输出为12 V且已经通过相关部门的检测。图2是车载监控系统电源部分的电路。
3 嵌入式车载系统的软件设计
该嵌入式列车车载监控系统采用嵌入式Linux系统[5],海思公司针对Hi3512芯片,提供了一个Linux的软件开发包(SDK)。SDK中包括基于U-boot1.1.4开发的Bootloader和基于标准Linux内核2.6.14移植的Linux内核文件,以及基于busybox 1.1.2版本制作的根文件系统,也包含了一些常用的Linux命令。用户程序开发库则依赖于glibc 2.3.4版本。同时还提供了音视频开发工程的函数库,利用这些函数库,用户可以比较容易地直接使用硬件资源,以快速开发充分利用芯片性能的用户应用程序。
本系统的应用程序用来完成控制视频的采集、压缩、存储等功能。应用软件采用模块化设计,分为VI(VideoInput)、AI (AudioInput)、VIU (VideoInsertUserdate)等几个模块,当需要时可加载运行。
主控芯片硬件支持H.264编码和解码,并且具有基于H.264视频压缩的一系列优点[6],本系统选择H.264视频编解码处理视频。音频部分采用8 kHz采样率、16 bit精度的ADPCM(Adaptive Differential Pulse Modulation)编码。
视频、音频、信息数据分别按照各自规则压缩编码、添加时间戳,最后混合打包成一个文件。此文件可以在监控机上回放,也可以在PC端做进一步分析。
图3为音视频采集复合软件模块流程图,图4为用户数据插入软件模块流程图。
4 PC端分析回放系统设计
录制的音视频文件有一个文件头,其中保存一些固定信息,如车次、司机号、录像文件通道、制式、码率以及清晰度等,其后是交错排列的音频帧和视频帧。其中信息数据帧添加在视频帧中,根据H.264标准,I帧包含的信息量大,为关键帧。以每秒25帧的录制速度为例,每秒只有一帧I帧,其余为P帧,P帧包含的是与前一帧的差值。同时,TAX箱中的数据并不是更新得很快,所以在每秒1帧的I帧中插入TAX数据,P帧为全部视频数据,这样就能够满足存储所有的TAX箱数据,也大大减小了冗余数据的存储。必要时也可添加TAX箱数据到P帧,其中音、视频帧交错排列,音频帧就可以不需要时间戳等与视频帧同步的信息,解码完一帧视频数据后立即解码音频帧,就可以做到音视频同步。
视频帧结构如图5所示。音频帧结构如图6所示。
其中音视频帧数据都是8 B对齐,即包括帧头在内,占用磁盘空间大小为8的整数倍个字节,当一帧数据不是8的整数倍时,末尾加0填充,这样解码时就可以快速搜索到帧头,在用户拉动进度条跳播时,可以快速定位。
根据视频文件结构,PC端视频文件处理的主程序结构如下:while (1)
其中,视频帧中的TAX箱数据和视频数据是放在一起的,当判断出是视频帧后,程序立即进入TAX箱数据提取,提取的TAX箱数据送到TAX箱数据的处理线程,将车次、司机号、速度、公里标等信息输出到屏幕上相应位置。提取出TAX箱数据后的视频帧数据,送入H.264视频解码器,视频解码后输出的是YUV视频数据,再借助微软公司的DirectX SDK9.0中的Directshow,将视频YUV数据绘制到用户屏幕。
判断出是音频帧后,将音频帧中的音频数据,送入音频解码器。注意音频帧数据中还包含有音频帧头,其帧头中包含的信息是帧长度和循环次数信息,解码后输出的是脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)录音原始音频采样数据。PCM音频数据也通过微软公司的DirectX SDK9.0中的Directsound进行回放。需要注意的是,音频压缩帧是160 B/帧,解码后是480 B/帧。逐帧音频回放时会有停顿的情况,若将多帧融合,再做回放,又会产生明显的音视频不同步现象,所以最终是将两帧音频合在一起一次回放。
PC端软件是基于Microsoft Visual Studio 2005 MFC文档/视图结构开发的,其中,视频解码和音频解码均使用了海思公司提供的解码库,音视频回放使用了DirectX SDK9.0。
本文给出了一种基于Hi3512芯片的嵌入式列车车载监控系统的设计与实现方案,Hi3512采用ASIC芯片硬件实现视频的编解码,与采用ARM芯片加DSP软件编解码方案相比,开发难度和成本都比较低。使用与Hi3512芯片相配合的操作系统和应用软件开发包,进一步降低了系统的开发周期和成本。同时,本文还介绍了一种视频信号中混合机车TAX箱信号的方法以及视频信号混合机车运行信号的设计和回放分析提取的具体流程。近一年的调试和实际运行测试表明,本设计产品能够完成最初的设计要求,可以规模化使用,有广泛的应用前景。
参考文献
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[2]周辉,叶桦,仰燕兰.基于WebGIS与车载移动视频的智能车辆监控系统[J].东南大学学报,2010,40:192-197.
[3]李渊,于海勋.基于Hi3510的车载监控系统的设计[J].微计算机应用,2008,29(1):67-69.
[4]深圳市海思半导体有限公司.Hi3511/Hi3512硬件设计用户指南[z].2009.
[5]深圳市海思半导体有限公司.Hi3511/Hi3512_linux开发环境用户指南[z].2008.
车载嵌入汽车电子 篇7
在互联设备日渐丰富的今天, 汽车已不仅仅是帮助我们从A点到B点的工具。在对未来的规划中, 减少事故的发生, 解放人类成为了新时代研发的愿景, 基于嵌入式的电子化智能系统成为了达到这一目标的利器。如何将汽车主动安全的理念与飞速发展的电子系统相结合, 成为了当今重要的研究课题。
1 总体设计
基于人—车—路危险状态监控的汽车主动安全预警与干预系统, 主要包括行车环境与车辆状态的全向感知技术、基于驾驶人监控与行为辨识技术的安全驾驶策略优化技术、基于交通环境和驾驶人状态的适应式干预技术等关键技术。该系统以人 (驾驶员) 为中心, 人与车载系统, 以及道路系统的反馈, 达到共同感知、共同决策, 协同工作, 实现功能互补。
系统的功能结构如图1 所示。在这个系统中, 动态环境信息、汽车运行状态信息在被驾驶员感知的同时, 通过各种车载传感器传递到嵌入式系统。嵌入式系统将决策结果一部分直接传递给汽车各种主动安全装置, 一部分传递给驾驶员, 供驾驶员参考、决策。驾驶员结合自己的实际情况, 作出相应的决策, 采取相应的措施, 实现各种先进技术的一体化。
在汽车主动安全系统中, 驾驶员能够访问诸如:道路情况、线路方向、故障诊断、防撞警告和驾驶员的身体状况等多方面信息。由于相关数据过多, 会引起在某个给定时间内, 驾驶员难以同时接受大量的信息。那么, 就需要汽车本身具有“数据过滤”的过程, 在“安全优先”为最高优先级别的总原则下, 进行数据信息的过滤。
2 城市低速主动制动方案
主动刹车制动是指车辆在非自适应巡航的情况下正常行驶, 如车辆遇到突发危险情况时能自身主动产生制动效果让车辆减速 (但具备这种功能的车辆并不一定能够将车辆完全刹停) , 从而提高行车安全性的制动方案。
有数据统计表明, 75% 的追尾事故都发生在大约30km/h的速度下, 而本系统能够有效避免这些追尾事故:当车辆的速度达到30km/h时, 这套主动制动系统就会自动启动, 通过前风挡上的光学雷达系统监视交通状况, 尤其是车头前6 米内的情况。如图2 所示, 当前车刹车、停止或者有其它障碍物的时候, 这套系统首先会自动在刹车系统上加力, 以帮助驾驶员在做出动作前缩短刹车距离;或者它还可以通过调整方向盘, 来改变车辆行驶路径, 以避开障碍物。当然, 如果距离障碍物已经很近, 这套系统会自动紧急刹车而无需驾驶员的操作, 帮助驾驶员避免城市交通常见的低速行驶时的追尾事故。
由于是低速主动制动, 因此该系统的分析计算速度达到每秒50 次即可, 根据距离和车速等方面准确的分析出, 需要在什么时候刹车才能够避免事故的发生。而且这套系统在白天和夜间都可以正常使用, 不过和其它雷达装置一样, 在有雾、下雨和下雪的时候都会受到一定的限制。
3 高速主动制动安全方案
在高速紧急制动过程中, 采用电子机械制动系统 (electro-mechanical braking, 简称EMB作为制动方案。所谓电子机械制动系统, 就是将传统液压或气压制动执行元件转变为电驱动元件, 便于实现线控制动 (BBW:brake-bywire) 。它是一种全新的制动理念, 主要采用制动系统ECU控制直流力矩电机产生制动力, 形成行车制动。由于线控制动系统均采用电子控制装置, 能更好的与ABS、ESP等其他电子控制方式结合, 易于融入整车的电子通讯网络, 明显提高汽车的主动安全性;并且使用电控方式取消了各种液压元件, 减少了液压油由油泵通过液压管路传递到制动主缸的时间消耗, 响应速度得以极大提升。
由于EMB完全采用电子控制装置, 如图3 所示, 在系统设计时, 易于融入整车电子通讯网络, EMB系统的电子控制器根据电子踏板模块传感器的位移和速度信号, 并且结合车速等其它传感器信号, 通过整车的电子通讯网络与ABS、ESP、ACC、EFBA等其他控制方式相结合, 向车轮制动模块的电机发出信号, 控制其电流和转子转角, 进而产生所需的制动力, 能极大的提高汽车主动安全性能。
在本方案设计过程中, 主要考虑以下因素:
在约90% 的紧急制动情况下, 驾驶员往往缺乏果断, 不能迅速踩下制动踏板产生紧急制动的效果;或即使能迅速踩下制动踏板, 但却力度不足, 制动系统会判断驾驶员采用的是点制动, 同样不能产生紧急制动。
在这些情况下, 制动系统ECU利用踏板位移传感器、踏板力模拟机构、踏板力传感器等感知驾驶员对制动踏板踩踏的速度和力度大小, 得到驾驶员的目标制动力信号, 以此判断驾驶员此次制动的意图。
因此, 经驾驶员意图感知系统计算, 如果分析其属于非常紧急的制动, 制动系统ECU就会指示制动系统产生更高的制动力, 控制ABS发挥作用, 从而使制动力快速产生, 减小制动距离;而对于正常情况的制动, ECU则会通过判断不予启动ABS。通常情况下, 制动踏板的感知及判断响应速度都会远远快于驾驶员, 这大大的缩短了制动距离, 极大的增加行车主动安全性。
4 夜间预警方案
在夜间开车时, 多数驾驶人从发现前方有人或障碍物, 到做出刹车动作的应急反应时间大约为1 秒, 即汽车在120km/h的速度时已经跑了33m, 而从120km/h到完全停止的制动距离在50m以上。因此, 当驾驶员在120km/h的速度时, 必须看到前方80m以外的视野, 至少要给驾驶员3 秒的应急处理时间。可是, 汽车近光灯的有效可视距离为30-50m, 远光灯的有效可视距离70m, 故在夜间行车必须注意力非常集中, 一点都不能分神, 否则后果很严重。
在夜间行车时, 采用“近红外汽车夜视系统技术”作为预警方案。所谓近红外主动成像, 就是通过主动发出近红外光进行成像的技术。采用该技术, 在夜间行车时, 能见度无论高低, 可自动匹配车速, 智能变焦, 给驾驶员带来更宽、更远的视野范围, 距离可达150 米-400 米, 这意味着采用近红外汽车夜视系统, 可以让驾驶员提前3-6 秒发现人或障碍物, 可提前做好应急处理, 为夜晚行车的安全系数提高2-3 倍。
汽车夜视系统主要由嵌入式主控制器与四大传感器组成。
汽车夜视安全系统配置的4 大传感器 (如图4 所示) 分别为:
(1) 图像传感器, 在低照底或者零照度时, 通过红外补光, 感应波长为近红外的波段进行成像。
(2) 照度传感器, 自动检测场境的照度高或低, 当检测到场景为高照度时, 红外夜视不会启动, 当检测到场景为低照度或照度为零时, 红外夜视会自动启动, 为汽车主动安全系统补光, 给驾驶员带来更宽更远的行车视野, 当遇到强光时, 则会对强光进行抑制。
(3) 行人探测传感器, 当检测到前方有行人或大型障碍物时, 系统会自动发出语音报警。
(4) 车道偏离传感器, 当检测到汽车偏离行车道时, 系统会自动发出语音警报。
夜视系统为嵌入式主控制器分别连接摄像头和视频显示器;主控制器对摄像头采集的夜视图像进行分析, 确定当前道路环境符合远光灯的开启条件后主控制器控制汽车远光灯开启进行夜视补光。由于采用上述的结构, 该系统利用图像处理技术识别道路环境, 结合道路安全行驶的法规, 自动控制远光灯的开启和关闭, 充分利用远光灯来实现近红外夜视系统的补光, 提高了夜间驾车的安全性和舒适性。
5 道路反馈方案
随着汽车上传感器收集的信息越来越多, 通过路口设立道路信号状态监视、信息发送系统, 如图5所示, 车辆可实时得到更丰富的路况信息, 由此, 进行准确的逻辑判断, 不仅增添躲避拥堵的功能, 还能加入云端技术, 当众多车辆反馈一个地区运动、拥堵情况较严重时, 系统可以给车辆分配正确行驶路线, 从躲避拥堵, 变为疏通拥堵。
6 结论
通过利用智能化的嵌入式电子信息技术、传感技术、图像监控系统、近红外夜视技术和电子机械制动系统等技术的车载主动安全系统的方案设计, 拓展了驾驶员的认知局限性, 在人—车—路的综合信息中辨识是否存在安全隐患, 并有效的提前避免。开发高性能的行车安全状态监控技术和信息服务平台, 可为驾驶员提供有效的驾驶辅助, 有效主动降低交通事故的发生率。
摘要：通过对车载主动安全系统的研究, 设计在事故发生前提醒, 避免事故发生的主动安全预防的解决方案。以实现降低交通事故发生率, 减小交通事故带来的危害的目的。本方案主要通过嵌入式系统的智能化, 结合传感器、图像监控系统、近红外夜视技术和电子机械制动系统等技术, 提出方案设计的思考。同时, 采用嵌入式技术, 还可有效解决以往通过PC机平台出现的冗余功能部分和相对庞大的体积等, 给车载系统带来的不利影响和高额成本。
关键词：车载主动安全系统,主动制动,夜间预警,道路反馈
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