基于arm和嵌入式linux的汽车仪表盘的设计与实现

基于arm和嵌入式linux的汽车仪表盘的设计与实现内容摘要：

以上在基于当今成熟技术的基础上，对未来汽车仪表的发展方向做些简单设想。 也许，未来汽车仪表的发展将远远超出我们今天的想象。 但有一点是肯定的，带有 E(Ⅳ的数字技术在汽车仪表上的广泛应用，将是汽车仪表发展的必然。 汽车仪表信息技术的发展趋势 随着计算机技术的日渐成熟，在车辆制造行业对于仪表的数字化已经成为 — 种 (AD， D/A等 )与数据分析、图形用户界 面软件等有机结合的仪表系统。 嵌入式数字汽车仪表具有功能及参数能自动定义、动态画面可视性强的特点。 4 汽车仪表信息系统就是在搭建好汽车仪表的基础上，利用基本的计算机强大的处理功能，加上网络系统和汽车娱乐系统等，构建一个功能更强大的综合系统。 现代计算机技术不断发展和扩展，并与无线电通信技术融合渗透，形成应用广泛的汽车信息技术。 汽车信息技术是计算机技术与通讯技术的汇聚，即利用计算机和无线电话来做一些事情，如 Inter 登录、网上冲浪、实时交通信息查询等。 现在人们已将汽车信息技术的定义做了一定程度的扩展，即将计 算机驱动的、与驾驶员和乘客有关联的各种技术(如独立匣用导航技术、自适应巡航自控制技术 )也收入到汽车信息技术的范畴之列。 汽车信息技术的发展，使汽车功能、驾车方式和驾车体验发生根木的改变。 汽车信息技术飞速发展将使未来驾车不再乏味。 随着汽车技术从机械向信息通讯电子和控制技术的转交，汽车上的电子，电气部件成本也不断上升。 人们把电波接受器、光信号、卫星电话、卫星数字广播等通讯设备以及个人计算机、信息终端、电视机、传真机、游戏机等办公和家庭所需的信息机器带入车内，这些信息处理器与地面上的信息网连接在一起，把汽车变成 一个移动的办公室。 随着信息科技的发展，未来人们完全可以实现车辆驾驶的全程自控 — 汽车自动驾驶。 尽管要实现这一切还需跨越许多技术障碍，但随着电子技术与计算机技术以及智能高速公路系统研究的深入进行，可以肯定实现汽车自动驾驶不会太遥远。 目前，一些发达国家在这方面的工作走在了前面，如美国政府每年用在智能高速公路系统上的费用达 10 亿美元，并在 2020 年初就完成智能高速公路计划；日本则计划在 2020年全面完成这项工作。 汽车信息技术的发展为美国国内汽车市场提供了巨大的商机，同时也拓展了相关硬件、软件和信息服务的市场空 问。 据分析， 10 年内美国销售的汽车中将有 1/3 安装巡航系统和汽车电脑。 作为汽车制造业的巨人，通用汽车公司 — 直看好汽车数字化技术的发展前景，专家预计，仅此 — 项将使该公司每年获利 4 亿～ 6 亿美元。 信息技术在明天的汽车上将无所不在，并将成为一个反映汽车技术水准的巨大“差别器”。 课题研究的背景及意义 本课题的主要研究内容以嵌入式 ARM11 E6Core 为核心板的开发板和以 Linux/Unix 为硬件和软件为开发环境构建嵌入式数字汽车仪表信息系统。 该系统以 E6Core 芯片为核心，对汽车的各种信息状态，如电池 电压、车速等参数进行采集、处理、显示和报警提示，驾驶员根据报警提示的结果进行相应的处理，以使汽车安全正常行驶。 我参与本课题中嵌入式芯片的选型，硬软件环境的搭建，以及整个系统软件的编程，调试工作。 系统的设计要求是： 汽车仪表综合信息必须完成车况的数字显示和监测；车况的数字显示和监测是对车辆所有重要部件的性能和工作状态的显示和监测，以保证驾驶员能够及时了解车辆工作状况，迅速对各种异常情况做出对应措施。 而且车辆运行状态的监测是保障车辆正常工作、进行故障诊断和设备维修的基础。 使车辆具有娱乐功能，可上网、 播放音乐、播放视频文件等；实现存储空间的扩展； 5 实现车辆的黑匣子功能，将汽车行驶的综合信息、通过软件保存； 充分考虑系统功能的可扩展性根据系统的设计要求，本系统的硬件和软件均采用模块化、标准化、系列化的设计方法，并充分考虑系统的扩展能力。 本章小结 汽车仪表信息系统是汽车仪表系统功能的扩展，常规仪表的显示是汽车仪表信息系统最基本也是最重要的部分。 本章介绍了汽车仪表的发展历程，从最初的机械式仪表到基于电测原理的电气式仪表，再到模拟电路电子式仪表，发展至现在较先进的全数字汽车仪表，汽车仪表己走 过了 4 代。 分析国内外汽车仪表的现状及发展趋势，综合考虑我国汽车仪表工业发展水平同发达国家的差距，我们提出了嵌入式数字汽车仪表信息系统的概念。 从汽车仪表的发展趋势我们还可看出，未来的汽车仪表向多功能、集成化、智能化方向发展，这也就是汽车仪表信息系统。 本章还介绍了汽车信息技术的发展趋势，分析了开发汽车仪表信息系统的关键技术。 最后介绍了本课题的背景意义，以及本课题所要研究的内容，以及我在本课题中所承担的任务。 6 第 2 章 嵌入式系统及其实现 嵌入式系统是以应用为中心、 以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是硬件和软件的有机结合体，并以硬件的形式表现。 嵌入式系统最典型的特点是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品，小到 MP3，PDA，玩具等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器，医疗器械，各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。 嵌入式系统被认为是后 PC时代，汽车电脑也属于嵌入式系统的应用范畴。 嵌入系统的特点 l、嵌入式系统通 常是面向特定应用的。 嵌入式 a， U 与通用型的最大不同就是嵌入式CPU 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用 CPU 中许多任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。 这一点就决定了它必然是 — 个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 嵌入式系统和具体硬件有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是只能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 嵌入式系统的概念 随着现代计算机 技术的飞速发展，逐渐形成了计算机系统的两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统。 通用计算机系统的硬件以标准化形态出现，它通过安装不同的软件满足各种不同的要求。 而嵌入式计算机系统则是根据具体应用对象，软件硬件采用量体裁衣方法定制的，不以一般计算机形态出现的专用计算机系统。 通用计算机系统采用标准化的设计，采用通用的 CPU 和大容量的外部存储设备，可进行高速、海量的数据处理。 嵌入式系统与通用计算机系统一样，也是一种计算机系统，具有计算机的一般特点，拥有中央处理器、存储设备、输入输出设备等。 但是嵌入式系统不以一般 的计算机形态出现，它服务于所嵌入的应用对象，其功能、可靠性、成本、尺寸及 7 功耗等方面受到应用需求及应用对象的制约。 从嵌入式系统所运行的软件看，嵌入式系统的软件固化在硬件系统中，与硬件形成一个不可分割的整体。 它所 执行的功能也是面向特定的应用，同一个嵌入式硬件系统一般很难采用更改软件的方法用于其它领域。 这意味着，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，不可能像通用计算机那样只要更改应用软件就可以适应不同的应用。 从资源的使用角度看，嵌入式计算机系统是计算机能力和数据存储能力等资源受限的计算机系统。 其外形、尺寸、功能、功耗 等都受限于应用对象的设计需求，因而不可能有一个标准化的设计。 嵌入式系统最大的特点也就在于此，其系统构成多种多样，需要根据具体应用量身定制。 嵌入式系统的分类 根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。 根据嵌入式系统的复杂程度可以简单将它分为简单嵌入式系统和复杂嵌入式系统。 简单嵌入式系统很早就已经存在，这些嵌入式系统一般都很简单，系统软硬件复杂度都很低，例如常用的单片机系统。 然而随着复杂控制、汽车电子、医疗仪器、数字通信、 Inter网络应用和信息家电等复杂需求的出现，简单的嵌入式系统已 无法满足需求。 为了满足日益复杂的软硬件需求，出现了以32位 SoC(SystcmonChip)为硬件核心，以嵌入式操作系统的使用为标志的复杂嵌入式系统。 这类系统硬件集成度高，外部接口众多，软件功能丰富。 嵌入式系统的组成 从组成上看，嵌入式系统可分为嵌入式硬件系统与嵌入式软件系统两大部份，如图 21所示。 嵌入式硬件系统主要由嵌入式处理器及相关支撑硬件和外围电路等组成。 其中，嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位，按照功能和用途划分，它可以进一步细分为以下几种类型：嵌入式微控制器 (Embedded Microcontroller)、嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor)和嵌入式数字信号处理器 (Embedded Digital signal Processor)。 嵌 入 式 软 件 系 统 嵌 入 式 硬 件 系 统 嵌入式应用软件 嵌入式中间软件 嵌入式操作系统 嵌入式处 理器 外围接口电路及其他硬件支持 8 图 21 嵌入式系统组成 嵌入式软件系统通常可划分为嵌入式操作系统和应用软件两部份。 在一些复杂的系统中，为简化应用开发，还提供了一个中间层 (嵌入式中间层 )。 在早期的嵌入式系统中，系统的复杂性较低，这时的嵌入式系统通常不使用操作系统，而是由应用程序直接控制和管理硬件。 例如现 在还大量存在的基于 8位单片机的系统，一般仅完成单一的控制功能，其功能与硬件复杂度都较低，其软件通常都只有一个简单的控制程序。 在这类简单系统中没有使用操作系统的必要。 随着技术的进步与复杂需求的出现，嵌入式系统进入了一个新的阶段。 这个阶段的嵌入式系统硬件大多采用了 32 位的嵌入式SoC 处理器，软件系统则增加了嵌入式操作系统。 从图 21可以看出，操作系统处于上层软件与嵌入式硬件系统中间，在整个嵌入式系统中处于重要的地位，起着至关重要的作用。 它负责控制与管理嵌入式硬件系统，将硬件的复杂性隐藏起来，为上层软件设计提供 一个统一易用的应用程序编程接口以降低应用软件开发的复杂性。 同时，作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，它负责系统软硬件资源的调度与分配，保证系统资源被有效合理地使用。 总而言之，嵌入式操作系统的出现与使用是嵌入式系统发展过程中的一 个重要的里程碑，它掩盖了底层硬件的复杂性，提高了软件的开发效率和可维护性。 嵌入式系统的应用范围及发展趋势 由于嵌入式系统具体体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已广泛地应用于军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制等领域。 嵌入式系统可以说 无所不在、无处不在，就周围的同常生活用品而言，各种电子手表、电话、手机、 PDA、洗衣机、电视机、电饭煲、空调器都有嵌入式系统的存在，如果说我们生活在一个到处嵌入式的世界，是毫不夸张的。 今后，嵌入式系统将会有以下发展趋势： 1)经济性。 计算机要很便宜，让更多人买得起。 2)嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 3)网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益提高，使得以往单一功能的设备功能不再单一，结构更加 复杂。 4)可靠性。 能在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行。 5)精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 嵌入式微处理器 ARM 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。 嵌入式微处理器一般具备以下 4个特点： 1)实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并具有较短的中断响应时间，从而使 9 内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 2)有功能很强的存储区保护功能。 这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软 件诊断。 3)可扩展的处理器结构，以能最迅速地满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 4)嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有 MW 甚至 UW 级。 ARM(Advanced 对 SC Machines)高级对 SC微处理器，是通用的 32位微处理器，是一种低功耗、高性能的产品，它是基于 glSC(精简指令集计算机 )构建的。 RISC 的英文全称为“ Reduced Instruction Set Computing”，中文即“精简。