基于嵌入式平台的车载终端设计与应用Word下载.docx
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2车载终端嵌入式平台构建方案
2.1嵌入式系统设计思路
嵌入式系统设计开发过程中,需依据一定的幵发流程,正确合理地进行系统开发[26]。
(1)系统需求分析:
根据需求确定系统设计的实现功能和目标。
并制定可行性方案,
综合考虑设计系统需完成的基本功能、系统性能,以及设备开发成本,功耗等因素。
(2)系统结构设计:
依据系统的设计任务与目标,设计实现目标方法,选择合适的
处理器,以及选择嵌入式操作系统。
(3)硬件与软件设计:
根据系统需实现功能的特点和实际拥有的设备条件,进行相
应的软件与硬件模块设计。
(4)系统集成:
对系统的软硬件进行集成调试,改正设计过程中出现的错误。
(5)系统测试:
对系统进行测试,测试其是否达到设计目标,最终生成产品。
2.2车载终端平台设计
2.2.1车载终端平台设计目标
本课题是在ARM7核处理器上构建|aC/OS-n实时操作系统的软件平台,完善操作
系统内核功能。
在^iC/os-^系统内核基础上移植^iCFS文件系统,mCGUI图形界面系
统,TCP/IP协议栈,实现完整的操作系统应用平台,并在构建平台的基础上实现上层车
载终端导航功能。
车载终端通过GPS模块获得当前设备的位置、速度、时间信息,将
车载终端当前位置通过液晶显示器显示在由GIS生成的电子地图上。
存储设备实现重要
的状态信息存储。
车载终端设备通过网络实现与监控中心间信息交互,监控中心可通过
浏览器查询当前终端状态。
系统组成结构如图2.1所示。
信息监控倍息存储电子地图GPS信息
^^n
\7
II
网络
图形交互界面
iz
ik
嵌入式nc/os-n操作系统
图2.1系统组成结构
Fig.2.1Structureofsystem
-4-
大连理工大学硕士学位论文
根据车载终端导航系统的设计需求,系统需实现以下功能:
(1)构建完整的嵌入式操作平台。
车载嵌入式处理器为车载终端实现的核心,负责
整个系统的功能实现。
需要稳定,健全的系统平台满足其上层的多任务管理调度,选择
合适的操作系统,构建完整的操作系统平台。
稳定的平台基础是应用层实现车载终端的
前提条件。
(2)GPS数据信息读取与存储功能。
获取当前车载终端GPS数据,是系统实现其
他功能任务的基础,系统获得GPS接收机传送的数据信息,处理器处理GPS模块传送
的数据,提取与系统所需相关的经讳度、时间、速度、日期信息。
根据用户需求将这些
信息通过文件系统存储与Flash设备当中,作为黑匣子进行数据备份,以便用户对当前
数据与历史数据的查询,并且处理器处理的位置数据需要达到一定的精度,确保设备位
置信息的准确性。
(3)电子地图功能。
电子地图作为车载终端系统实现的主要功能,决定了车载终端
的使用意义与价值。
Mapinfo软件导出GIS文件中大连市地图路况信息存入相关文件中,
系统通过读取相关数据信息,通过点、线、面的形式将路况数据分层显示在液晶显示器
上构成完整的电子地图,系统结合GPS数据实现车载静态定位功能。
系统提供地点查
询,电子地图显示,电子地图缩放、移位以及路径导航等功能。
(4)人性化人机交互功能。
车载终端为用户提供信息提示服务,简洁规整的提示界
面便于用户操作,节省了驾驶人员读取信息时间。
终端提供系统化的操作界面,并结合
简单易懂的文字提示,方便驾驶员进行相关操作。
(5)监控中心功能。
在处理器上构建B/S模式服务器,每辆车载终端具有独立固定
的IP地址。
监控中心通过网络打开浏览器,登录相应网址获取当前设备的状态信息,
便于监控中心对车辆进行调度,提供相应帮助与服务功能。
2.2.2硬件平台
车载终端系统硬件设计主要包括S3C44B0处理器,GPS接收机模块,LCD触摸屏
人机交互模块,以太网接口模块,Flash存储器模块等几部分组成。
其中S3C44B0处理
器是整个系统设计的核心。
GPS接收机模块获取全球定位系统发送的数据信息,以太网
模块负责车载终端与监控中心的数据通信,LCD触摸屏模块主要功能为接收用户操作输
入,与车载导航系统的电子地图与数据信息的显示。
Flash存储模块负责存储重要的数
据信息。
系统的硬件平台框图如图2.2所示。
-5-
网络化也是嵌入式系统发展的必然趋势,将嵌入式系统与互联网相连,依据信息时代的
电子设备联网需求,使得嵌入式设备幵发支持TCP/IP协议等软件,提供标准网络接口
[〗3]。
目前国外的嵌入式商用操作系统例如VxWorks高性能操作系统支持多种开发平台,
WindowsCE是由微软推出的嵌入式操作系统,具有与Windows—致的开发界面,但其
内存占用过大[14]。
这些操作已经是成熟,提供方便的开发与调试工具,但是由于其价格
昂贵,致使幵发成本较高,商业化的操作系统受着用户需求以及硬件资源的限制随
着Linux操作系统的产生,开源代码的操作系统受到追捧,开源代码操作系统产品得到
广泛推广。
iiC/OS-II是一种高性能的嵌入式操作系统,具有源代码公开,占用资源少,
实时性能高的特点[16]。
PC/OS-II大部分代码由C语言编写,内核便于剪裁,可根据用
户不同需求增减相应功能模块,非常适合小型嵌入式系统幵发,具有很大的灵活性。
国
内自主的嵌入式操作系统主要有silver公司推出的DeltaOS操作系统,桑夏2000操作系
统以及中科院推出的Hopen操作系统等,具有一定的应用价值,但是推广程度不够117]。
1.3车载终端系统的发展现状
GPS是由美国国防部研制的卫星导航定位系统,起初为军方服务用于收集情报,定
位导航,通过太空卫星定位计算,地面接收机接收当前位置信息数据[“8]。
自市场化以来
GPS导航技术得到推广,GPS能够为全世界用户提供及时,精确的位置,速度以及时间
信息。
随着GPS成本降低,其应用范围也越来越广,在测量、航海、航空、气象、定
位跟踪、车载导航等领域有着重要的作用。
GIS将计算机技术,数据库技术与测绘技术
相结合[I9]。
GIS通过测绘技术得到与地理相关的位置、大小、形态等数据信息,并将这
些地理信息数据转化为可用点、线、面来描述的数据对象存储与数据库中,并配有相关
的属性信息,GIS将类型相近的地理数据归为同一图层,电子地图由不同图层的绘制而
成,便于用户查询路况信息。
将GPS技术与电子地图数据结合的车载导航系统使得GPS
在汽车行业得到广泛应用[20]。
用户根据车载导航系统显示的电子地图确定行驶路径,系
统为用户提供可靠及时的信息服务。
我国汽车销量每年持续增长,世界各大汽车公司将企业发展的战略重心转移到中国
市场,车载导航产品研发迅速[2^。
国外的基于GPS智能导航产品十分成熟,美国通用
的On-Star系统,将无线技术与GPS技术相结合,为驾驶员提供安全服务。
福特的
Wingcast系统,日本作为智能交通系统最为发达的国家之一,由丰田公司的G-Book系
统,基于3G联网为用户提供智能的信息服务都已经成为健全完善的服务平台。
内汽车信息服务系统起步较晚处于研究阶段,在国内由于一些关键技术较为滞后,例如
GIS,GPS和无线通信技术,以致我国的车辆导航系统研究与开发较晚I23]。
此外,道路
-2-
JTAG调试^=0
触摸屏
Flash
LCD
、^嵌入式处、^
理器
I、S3C44B0,J
SDRAM
<
^=C>
网卡
RS-232¢=^
GPS
图2.2系统硬件平台框图
Fig.2.2Diagramofsystemhardwareplatform
(1)S3C44B0处理器
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,S3C44B0是ARM7系列32位处理器,提供了
丰富的内置部件其中包括:
外部存储器控制器、LCD控制器、UART串口、A/D转换器,
定时器、外部中断、可选的内部SRAM、PPL倍频模块使最高工作频率高到66MHZ等
功能其功能满足设计需求,可作为核心处理器。
(2)SDRAM模块
本系统中使用的SDRAM模块为16位的数据宽度,存储容量为8M字节I29]。
当系
统启动时,处理器CPU从复位地址运行,为减少Flash的读写次数以及提高数据读取
速度,将程序代码加载到SDRAM中运行。
(3)Flash模块
本系统中使用Hash模块为16位数据宽度,存储容量为4M字节,系统设计分配
2M存储空间作为程序代码段,1M空间作为重要数据信息存储区,Flash生产及使用过
程中都有可能产生坏块,这会造成数据无法正常写入存储器内。
系统用1M的空间作为
坏块的备份空间。
(4)触摸屏模块
S3C44B0处理器内置LCD控制器,可以支持256级颜色的彩色LCD屏,采用系统
存储器作为触摸屏的显示缓冲区触摸屏尺寸为320X240,较高的屏幕刷新速率为
用户提供清晰细腻的现实界面。
本系统为提供更清晰地图显示功能另采用800X480分
辨率液晶显示器作为显示界面。
该显示器通过串口实现与处理器通信,屏满足用户对图
面的显示高清晰度的需求。
(5)GPS接收机模块
-6-
交通设施不断建设更新使中国幵的车辆导航系统成果并不理想,随着国内相关技术的发
展,车辆导航系统已经成为交通和自动控制领域的热点课题[24]。
2011年我国发射北斗
导航卫星,北斗导航卫星系统已经进入试运行阶段,预计2020年通过发送更多卫星后,
定位范围将覆盖全球。
同年,我国大唐电信与长春一汽启明公司发展合作关系,研发具
有自主产权的汽车导航服务系统[25]。
我国车载信息系统技术的研发需要不断探索与创
新。
1.4论文的主要内容
论文共分为五个部分。
第1章:
绪论。
分析了车载导航系统对嵌入式系统的性能需求,介绍了嵌入式系统
的应用现状和发展趋势以及车载导航系统的特点和发展,最后介绍本文研究的主要内容
和方法。
第2章:
嵌入式系统平台总体设计。
介绍嵌入式系统设计发开思路,车载导航系统
设计目标,软硬件平台的选择与设计。
第3章:
操作系统C/OS-II内核改进。
详细描述了C/OS-II操作系统内核存在的
优先级反转问题,并提出内核动态切换的改进方法。
第4章:
操作系统平台构建。
通过移植文件系统,图形界面系统,TCP/IP协议构成
完整的嵌入式操作系统平台,
第5章:
车载终端多任务设计。
并将平台与外围设备相连,设计车载终端多任务应
用程序,最终实现车载终端系统的上层应用幵发。
最后对本文研究内容和方法进行了总结,并对以后的工作提出展望。
-3-
基于嵌入式平台的车载终i晶设计与应用
(1)Bootloader设计
Bootloader程序通常存放在系统的Hash存储器上,系统掉电程序信息不丢失,嵌
入式系统上电后即可从起始地址执行Bootloader程序,Bootloader作为整个系统软件的
设计基础,决定着系统的资源配置,对于系统的稳定高效运行起着重要作用。
(2)嵌入式操作系统
嵌入式操作系统为程序扩展功能提供软件平台,对于决定整个系统的性能起着至关
重要的作用。
目前嵌入式操作系统的种类特点各异,^iClinux开放源代码,具有优秀的
网络功能,标准丰富的API接口,但是供实时性操作的实时软件模块在内核空间运行时
会影响系统的可靠性;
VxWorks,WindowsCE等商业操作系统具有高效的任务管理功
能,然而由于其价格昂贵,软件的研发和维护成本都很高;
^iC/OS-II源代码公开,内核
小巧,扩展能力强,可根据系统设计需要,增添相应功能模块,灵活性强。
选择hC/OS-II
作为操作系统不但低成本且能根据设计需求扩展相应功能模块满足设计需求[33]。
l^C/OS-II是一种支持多任务实时调度系统内核,内核主要五个部分核心部分:
主要
负责操作系统的初始化,设置时钟节拍,任务调度等;
任务处理部分:
在^1(3/05-11中以
任务为单位进行程序调度,对任务进行基本处理操作;
时钟部分:
时钟节拍是^1(:
/05-11
中任务切换的最小时钟单元;
通信部分:
liC/OS-II以信号量、邮箱、队列的方式实现任
务间同步与通信;
与处理器接口部分:
i-iC/OS-II作为通用性的的操作系统,需要根据具
体处理器寄存器特点编写相应的移植程序。
^iC/OS-II内核具体特点如下[35]:
①公开源代码:
源代码可免费获取,内核可以根据设计需要对其进行修改与裁剪;
②可移植性强:
代码绝大部分是用C语言编写,移植部分用汇编语言编写,便于移
植到处理器上;
③稳定性高:
^iC/OS-II目前已广泛应用于商业应用设计;
④抢占式内核:
实时处理优先级最高的就绪任务。
⑤多任务:
用户根据系统需求将程序以任务为单元模块化调度,并根据任务的特性
分配不同的优先级;
⑥系统服务:
nC/OS-II提供多种通信机制,保证任务在互不影响的前提下资源共享;
(3)文件系统
由于嵌入式系统设备资源有限,需要外接存储设备。
但由于嵌入式系统对数据存储
量大,数据刷新频繁,这使得延长Flash存储器的使用寿命,减少对其的擦写次数非常
重要[36]。
由于嵌入式设备中数据存储量大,存储类型不同,可移植文件系统,实现对存
储的数据进行管理[37]。
分层设计嵌入式软件系统,文件系统作为中间层,设计在内核与
应用程序之间,是软件设计的基础与支撑,对优化嵌入式应用软件性能有重要作用,决
-8-
JP-13型GPS接收机作为GPS接收模块,在GPS接收机在通电的情况下接收定位
系统传送的数据信息,数据遵循NMEA0183协议[31]。
处理器通过串口与接收机连接,
通过解析接收机传送的数据,获取相应的经讳度、速度,时间信息,为设备其他功能提
供数据。
(6)以太网模块
CS8900网卡作为硬件设备,数据传输速率为10M。
通过配置网卡的MAC地址,
工作模式初始化网卡,在网卡上移植TCP/IP协议找实现网卡的基础通信[32]。
并在处理
器上构建B/S模式服务器,构建车载终端网站。
监控中心通过登录网站获当前车载终端
状态信息。
2.2.3软件平台
本课题在硬件模块的基础上以嵌入式操作系统UC/OS-II为软件核心,UC/OS-II操
作系统内核小巧,便于移植,可方便用户系统进行开发。
基于操作系统多任务调度优点,
便于系统上层应用程序的模块化调度。
在操作系统内核的基础上通过扩展支持图形界面
系统,文件系统,网络系统使操作系统平台更加健全,功能更加丰富。
在构建的操作系
统平台上实现上层车载终端应用程序开发,实时为驾驶员提供导航位置信息等。
嵌入式
操作系统实现车载模块多任务总体调度。
图形系统设计可以提供用户操作串口界面,实
时显示当前位置图形信息以及速度时间等相关信息,便于用户轻松操作。
文件系统的设
计可以将所需的重要信息进行备份,便于车辆出现故障时,为发现故障原因提供可靠的
参考数据。
网络系统设计,个体车辆将当前数据通过网络反馈到信息中心,便于信息中
心及时掌握当前车辆运行信息,对车辆进行控制调度。
相关模块在操作系统内核上的移
植以及上层应用程序的设计至关重要。
系统软件平台框图如图2.3所示。
上层应用程序
^图形界面系统
件
h络
^
$
HC/OS-II内核会;
Bootloader启动程序
图2.3系统软件平台框图
Fig.2.3Diagramofsystemsoftwareplatform
-7-
定着整个系统的可扩展性。
缩短嵌入式系统幵发周期,通过文件系统可以很好的实现操
作系统数据管理。
在数据交互日益频繁的电子设备中,使得嵌入式系统需要文件系统的
支持,而uC/OS-II内核不包含文件系统,开发人员需要根据系统设计建立相应的文件
系统。
文件系统种类繁多,广泛应用的文件系统有FAT12、FAT16、FAT32、YAFFS,NTFS
等[38]。
在嵌入式系统中一般采用FAT12/16/32文件系统,使得设备存储数据文件与PC
机存储文件格式一致,便于进行信息的交互[39]。
文件系统实现嵌入式设备对Flash存储
器以块为单位操作,并且文件系统申请数据缓存区,减少了系统对的擦写次数,
延长了Hash存储设备的使用寿命。
FAT16是微软较早推出的文件系统,数据按照目录
索引以及簇链式结构存储,广泛应用与存储设备中[4^。
uC/FS文件系统是Micrium公
司开发的一种针对嵌入式设备的文件系统,与WC/OS-II操作系统具有相似的设计风格,
易于UC/OS-II操作系统结合实现系统平台构建,UC/FS文件系统具有如下特点[4〗]:
①支持FAT12、FAT16、FAT32多种文件格式,可根据设计需求定义系统文件格式;
②提供多种硬件存储器驱动接口,使系统实现访问不同类型的存储器;
③支持操作系统,^10?
5可以移植到任何操作系统中,支撑系统的多任务调度;
④模块化分层设计,提供标准API接口,硬件驱动结构简单仅需编写硬件初始化以
及读写程序即在存储器上建立文件系统;
(4)图形界面系统
嵌入式显示界面中带触摸屏的液晶显示技术已成为主流,为使设备提供美观的显示
界面,系统更加注重图形界面的开发由于嵌入式系统内存资源有限,如windows
这样占用内存较大的显示界面不适宜应用在嵌入式设备中。
故设计需要具有占用内存少
功能完善的图形界面系统。
uCGUI是Micrium公司开发的专门面向嵌入式系统开发的图形界面系统,是高效
的用户图形接口,可独立于处理器及LCD控制器应用于使用LCD图形显示的设备上[43]。
口CGUI可在多任务的系统上运行,具有很强的可移植性,并且消耗较少的系统资源,
占用RAM和ROM的空间都很小,适用于嵌入式系统的多任务管理。
CGUI作为嵌入
式支撑软件,是应用程序设计的基础,决定着整个系统的可扩展性与稳定性通过y
CGUI图形界面系统可以很好的实现操作系统图形与界面的管理。
CGUI具有如下特
点、[45-46]:
①可移植到8、16、32位嵌入式处理器上,提供标准的API接口,显示屏大小可配
置,支持比实际显示器更大尺寸的虚拟显示功能;
-9-
②支持彩色LCD显示与多边形绘制,并且提供有效的位图转换器,便于用户开发直
接将图片转化为相应代码便于应用开发;
③为应用程序提供不同种类的字体,提供字体转换器,并且可以根据用户需求定义
新的字体;
④支持视窗管理与相应的窗口控件,支持触摸屏以及鼠标操作,触摸屏与视窗控件
是UCGUI系统输入输出的完整统一,支持触摸屏的功能将CGUI系统与触摸屏相结
合,充分体现界面系统的实用价值;
(5)TCP/IP协议栈
开发人员在设计与研制新型电子相关产品时都会留有网络接口,以实现设备间远程
数据的传输和监控TCP/IP协议是Internet的重要组成部分,系统设计中考虑到嵌入
设备资源限制以及网络结构复杂实现难度较大,TCP/IP协议栈作为网络系统的一部分,
将其移植入嵌入式处理器中可以实现网络功能【48]。
UC/OS-II操作系统内核并不支持网络功能,需要移植协议栈构成完整操作平台。
目前嵌入式领域中应用较为广泛的协议找有C/IP,UIP,LwIP等。
uC/IP是专门为U
C/OS设计的协议栈,但是由于其网络应用支持不足,应用具有局限性LwIP是Light
WeightIP协议的缩写。
LwIP幵发源代码,按照分层结构设计,够独立实现TCP/IP协
议的套件。
LwIP在较少资源使用量的同时实现TCP/IP协议功能,这使得LwIP适用于
拥有几KB的RAM与40KB的ROM的嵌入式系统中。
LwIP协议栈具有如下特点
①支持DHCP客户端,DNS客户端,APIPA自动私有IP地址,SNMP简单网络管理
协议代理;
②专有API接口增强系统性能,可选择的Berkeley接口;
③支持扩展功能:
多个网络接的IP转发,TCP拥塞控制、RTT估计和快速恢复/快
速重新传输;
④支持插件的应用:
HTTP服务器、SNTP客户端、SMTP客户端、Ping、NetBIOS
命名服务器;
-10-
3操作系统yC/OS-II内核改进
3.1车载终端多任务调度特点
车载终端嵌入式系统需实现较多应用功能,需通过与GPS接收机相连获得当前设
备的经炜度信息与时间速度等状态信息。
显示界面实现实时显示当前位置图形信息及速
度时间等相关信息。
系统需将所需的重要状态信息进行备份。
并
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