基于嵌入式Linux與QT的汽車虛擬儀表設計

　　摘 要：為了簡化汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)，降低汽車制造成本，提高人車交互界面的友好度，設計并實現(xiàn)了一種新型的汽車虛擬儀表。采用以ARM 處理器S3C6410為核心的硬件平臺和以嵌入式Linux系統(tǒng)為核心的軟件平臺，并在此基礎上采用開放源代碼的圖形界面庫QT開發(fā)儀表終端應用程序。經(jīng)試驗驗證，虛擬儀表系統(tǒng)具有成本較低、界面友好、反應靈敏等特點，并在跨平臺性、可擴展性等方面得到了顯著改善。

　　0 引 言

　　儀表作為汽車整個系統(tǒng)中十分重要的部分，是提高汽車綜合性能的重要方面之一。隨著計算機軟硬件技術、總線技術、電子技術等的快速發(fā)展，控制系統(tǒng)臃腫、接線布線復雜、占用空間大的傳統(tǒng)電磁機械儀表漸漸被淘汰，虛擬儀表正以傳統(tǒng)機械儀表無法比擬的速度迅猛發(fā)展。目前虛擬儀表通常包括純數(shù)字儀表和虛擬儀表盤儀表2種：純數(shù)字儀表成本較低，但功能和界面比較簡單，滿足不了一般駕駛員的需求;而現(xiàn)有的虛擬儀表盤儀表雖然功能和界面比較豐富，但又存在著開發(fā)成本高、可移植性和可重繪性差、可擴展性不足等缺點，不利于大范圍的推廣與應用。

　　針對傳統(tǒng)儀表和現(xiàn)有儀表存在的不足，本文提出了一種新型的車載虛擬儀表設計方案，采用ARM 處理器S3C6410為核心的硬件平臺和以嵌入式Linux系統(tǒng)為核心的軟件平臺，并在此基礎上采用開放源代碼的圖形界面庫QT開發(fā)儀表終端應用程序。該虛擬儀表可讀性好，讀數(shù)精度高，在可移植性、可維護性和成本方面都得到了良好的改善，具有較大的科研價值和商業(yè)使用價值。

　　1 系統(tǒng)總體設計

　　本文所介紹的車載虛擬儀表的基本設計思想是將汽車上安裝的各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行智能化的處理，然后在運行于嵌入式Linux系統(tǒng)的使用QT設計的虛擬儀表盤上進行顯示，以便于監(jiān)測汽車各系統(tǒng)的工作狀況，如剩余油量、當前車速、行駛里程等，并在某狀態(tài)出現(xiàn)異?；虼嬖谖ｋU時向駕駛員提示報警。

　　如圖1所示，本車載虛擬儀表系統(tǒng)的設計總體由3個部分組成：

　　(1)信號采集：對汽車上安裝的的各種傳感器采集的速度、剩余油量等汽車狀態(tài)信息，經(jīng)過處理轉換后，將其轉換為計算機可以識別的數(shù)字量;(2)數(shù)據(jù)處理：將“信號采集”過程傳輸來的數(shù)據(jù)進行必要的處理，將有用的數(shù)據(jù)保存，以便于顯示和報警，本過程主要由嵌入式處理器完成;(3)人機交互：將“數(shù)據(jù)處理”過程處理完成的數(shù)據(jù)，在使用QT設計的虛擬儀表盤上動態(tài)顯示，主要顯示內(nèi)容有：當前速度、燃油箱的存油量、時間日期、行駛里程、報警燈等;在某項狀態(tài)出現(xiàn)異常時，通過報警模塊向駕駛員提示報警。

　　圖1 虛擬儀表系統(tǒng)結構框圖

　　2 虛擬儀表硬件設計

　　虛擬儀表的硬件結構圖如圖2所示。虛擬儀表的核心處理器采用ARM1176JZF-S核的S3C6410芯片，其主頻最高可達到667MHz，內(nèi)部繼承了強大的多媒體處理單元，帶有3D圖形硬件加速器，并支持2D圖形圖像的平滑縮放等操作，有利于為用戶提供高靈敏度的汽車狀態(tài)動態(tài)顯示;外接256 MB SDRAM 和2GBNANDFLASH;串口連接信號轉換處理模塊，轉換處理模塊內(nèi)部集成CAN-RS232轉換器及24位的A/D轉換器LTC2414，接收相關傳感器采集的各種汽車狀態(tài)信號，并經(jīng)過處理后，將處理完成的數(shù)據(jù)上傳至處理器;外接LCD模塊采用8寸TFT液晶顯示屏，處理器內(nèi)部集成的LCD控制器信號線經(jīng)過驅動電路后即可連接LCD模塊，為虛擬儀表顯示提供了硬件平臺;外接由語音芯片組成的報警模塊，在必要的時候可以由處理器驅動報警模塊以語音的形式向駕駛員提示報警。

　　圖2 虛擬儀表的硬件結構圖

　　3 虛擬儀表軟件設計

　　本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在Linux平臺下編寫虛擬儀表的驅動程序和應用程序，采用QT/embedded設計虛擬儀表軟面板。應用程序的主要功能有，當接收到各個經(jīng)轉換處理的傳感器采集到的信號后，將其有用的數(shù)據(jù)提取并加以存儲，然后調(diào)用儀表顯示程序，將需要顯示的內(nèi)容顯示到不同的虛擬儀表盤中，同時并行判斷各項參數(shù)是否正常，若出現(xiàn)異常則調(diào)用語音報警程序和顯示程序提示報警。虛擬儀表軟件結構圖如圖3所示。虛擬儀表軟件開發(fā)主要有2個內(nèi)容：開發(fā)環(huán)境的搭建、虛擬儀表應用程序的設計。

　　圖3 虛擬儀表的軟件結構圖

　　3.1 開發(fā)環(huán)境的搭建

　　為了開發(fā)滿足功能的應用程序，本文采用的軟件開發(fā)環(huán)境是Vmware WorkStation 7虛擬機和Fedora 13操作系統(tǒng)，在此環(huán)境中安裝交叉編譯器ARM-linux-gcc 4.5.1，用來完成包含相關驅動程序的虛擬儀表系統(tǒng)內(nèi)核、QT庫和應用程序的編譯;編譯安裝QT/Embedded庫，用來支持虛擬儀表人機交互界面程序的開發(fā)并生成虛擬儀表系統(tǒng)中需要的QT庫文件;編譯Tslib觸摸屏庫，為虛擬儀表系統(tǒng)添加觸摸屏支持;在Fedora13系統(tǒng)中安裝QT Creator軟件，用于完成虛擬儀表系統(tǒng)應用程序的開發(fā);移植嵌入式設備的系統(tǒng)引導程序U-boot;編寫硬件平臺相關驅動，然后裁剪編譯Linux2.6.10內(nèi)核并在其中加載已編譯的相關驅動;制作硬件平臺需要的根文件系統(tǒng)，在其中移植已配置、編譯過的tslib庫和QT/Embedded庫。

　　3.2 應用程序開發(fā)

　　本虛擬儀表系統(tǒng)的的應用程序基于QT/Embedded平臺，使用QT的輕量級集成開發(fā)環(huán)境QT Creator完成開發(fā)，最后在已搭建的開發(fā)環(huán)境中編譯生成可執(zhí)行二進制文件，并將其移植到硬件平臺中的文件系統(tǒng)中進行測試。

　　虛擬儀表系統(tǒng)應用程序的主要工作流程如圖4所示，在系統(tǒng)上電后，應用程序開始運行，要實現(xiàn)汽車虛擬儀表系統(tǒng)的功能，應用程序需要完成虛擬儀表面板和后臺處理程序的開發(fā)：

　　圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖

　　3.2.1 虛擬儀表面板的繪制

　　虛擬儀表面板主要將汽車的一些基本狀態(tài)在LCD上通過表盤和數(shù)字直觀、動態(tài)的顯示出來，本設計中采用速度、油量、電池電量、時間日期、安全帶、安全氣囊、行駛里程等狀態(tài)。

　　為了提高本虛擬儀表的可擴展性和可維護性，在本設計中，為每種具體的虛擬儀表對象定義一個抽象類。

　　下面即以儀表盤類(QMeter)為例介紹本系統(tǒng)中虛擬儀器面板的繪制。

　　在需要顯示的各種狀態(tài)中，速度和油量通常以儀表盤形式顯示，虛擬儀表模塊中的虛擬儀表盤采用QT的二維圖形引擎的基礎類QPainter開發(fā)。QPainter具有豐富的圖形圖像繪制函數(shù)，并支持反走樣、漸變填充、像素混合、線性變換等特性，利用這些函數(shù)完成儀表盤的繪制。

　　QMeter類的定義如下：

　　3.2.2 后臺處理程序

　　后臺處理程序主要將系統(tǒng)下層采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，將有用的數(shù)據(jù)傳送至虛擬儀表面板顯示，實現(xiàn)虛擬儀表的動態(tài)顯示，同時以多線程的方式不斷檢測汽車各項狀態(tài)，當某項狀態(tài)出現(xiàn)異?；虼嬖谖ｋU時驅動LCD和語音芯片向駕駛員報警，其中異常狀態(tài)有超速、存油量過低、電池電量過低等。下面以報警子程序為例講解后臺處理子程序。

　　報警子程序在后臺處理程序中新建一個線程，通過多線程的方式以輪詢的方式查詢各個傳感器的狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)某個狀態(tài)存在危險時，驅動語音芯片發(fā)出相應的報警信息。其定義如下：

　　QT特有的信號與槽(signal/slots)機制實現(xiàn)方式如下：

　　通過調(diào)用QObject對象的connect函數(shù)，將報警線程的sendData信號與主線程的槽函數(shù)Deal()關聯(lián)，當報警偵聽線程發(fā)射信號時，主線程槽函數(shù)及時被調(diào)用，驅動報警。

　　4 應用程序示例

　　將裁剪、編譯過的內(nèi)核與制作的帶QT庫的文件系統(tǒng)燒寫到開發(fā)板。在開發(fā)環(huán)境內(nèi)交叉編譯編寫的應用程序，得到可執(zhí)行二進制文件，將此文件移植到開發(fā)板，即可實現(xiàn)應用程序的發(fā)布。重新開機，運行應用程序即顯示虛擬儀表界面，如圖5所示。

　　圖5 基于嵌入式Linux與QT的汽車虛擬儀表主界面

　　通過汽車上的各種傳感器采集數(shù)據(jù)，通過控制器和高速CAN總線傳送到S3C6410硬件平臺解析，應用程序得到解析后的數(shù)據(jù)后，即可動態(tài)的顯示當前車輛的各種狀態(tài)及報警情況。

　　5 結 語

　　本文設計的汽車虛擬儀表，具有優(yōu)良的跨平臺性能;該設計方案使得儀表信息量增大，操作簡單，易于維護，界面友好;采用開放源碼設計，使得本系統(tǒng)開發(fā)成本降低;使用雙緩沖技術消除了儀表顯示頁面的閃爍;采用多線程技術，使處理、顯示與報警同時進行，提高了系統(tǒng)的實時性與靈敏度;將具體的虛擬儀表對象定義為抽象類，增強了虛擬儀表的擴展性。經(jīng)實驗測試，本虛擬儀表系統(tǒng)的所有功能模塊均能正常運行，該系統(tǒng)的應用將對降低汽車的成本，縮短汽車儀表系統(tǒng)的研發(fā)周期，提供高友好度的人機界面具有重要的意義。