基于嵌入式Linux與QT的汽車虛擬儀表設(shè)計(jì)

　　摘 要：為了簡(jiǎn)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(shè)計(jì)并實(shí)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(tái)和以嵌入式Linux系統(tǒng)為核心的軟件平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上采用開(kāi)放源代碼的圖形界面庫(kù)QT開(kāi)發(fā)儀表終端應(yīng)用程序。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，虛擬儀表系統(tǒng)具有成本較低、界面友好、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，并在跨平臺(tái)性、可擴(kuò)展性等方面得到了顯著改善。

　　0 引 言

　　儀表作為汽車整個(gè)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(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、總線技術(shù)、電子技術(shù)等的快速發(fā)展，控制系統(tǒng)臃腫、接線布線復(fù)雜、占用空間大的傳統(tǒng)電磁機(jī)械儀表漸漸被淘汰，虛擬儀表正以傳統(tǒng)機(jī)械儀表無(wú)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)成本高、可移植性和可重繪性差、可擴(kuò)展性不足等缺點(diǎn)，不利于大范圍的推廣與應(yīng)用。

　　針對(duì)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(shè)計(jì)方案，采用ARM 處理器S3C6410為核心的硬件平臺(tái)和以嵌入式Linux系統(tǒng)為核心的軟件平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上采用開(kāi)放源代碼的圖形界面庫(kù)QT開(kāi)發(fā)儀表終端應(yīng)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(hù)性和成本方面都得到了良好的改善，具有較大的科研價(jià)值和商業(yè)使用價(jià)值。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本文所介紹的車載虛擬儀表的基本設(shè)計(jì)思想是將汽車上安裝的各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的處理，然后在運(yùn)行于嵌入式Linux系統(tǒng)的使用QT設(shè)計(jì)的虛擬儀表盤上進(jìn)行顯示，以便于監(jiān)測(cè)汽車各系統(tǒng)的工作狀況，如剩余油量、當(dāng)前車速、行駛里程等，并在某狀態(tài)出現(xiàn)異常或存在危險(xiǎn)時(shí)向駕駛員提示報(bào)警。

　　如圖1所示，本車載虛擬儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體由3個(gè)部分組成：

　　(1)信號(hào)采集：對(duì)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(guò)處理轉(zhuǎn)換后，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量;(2)數(shù)據(jù)處理：將“信號(hào)采集”過(guò)程傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，將有用的數(shù)據(jù)保存，以便于顯示和報(bào)警，本過(guò)程主要由嵌入式處理器完成;(3)人機(jī)交互：將“數(shù)據(jù)處理”過(guò)程處理完成的數(shù)據(jù)，在使用QT設(shè)計(jì)的虛擬儀表盤上動(dòng)態(tài)顯示，主要顯示內(nèi)容有：當(dāng)前速度、燃油箱的存油量、時(shí)間日期、行駛里程、報(bào)警燈等;在某項(xiàng)狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)報(bào)警模塊向駕駛員提示報(bào)警。

　　圖1 虛擬儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 虛擬儀表硬件設(shè)計(jì)

　　虛擬儀表的硬件結(jié)構(gòu)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(dá)到667MHz，內(nèi)部繼承了強(qiáng)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(dòng)態(tài)顯示;外接256 MB SDRAM 和2GBNANDFLASH;串口連接信號(hào)轉(zhuǎn)換處理模塊，轉(zhuǎn)換處理模塊內(nèi)部集成CAN-RS232轉(zhuǎn)換器及24位的A/D轉(zhuǎn)換器LTC2414，接收相關(guān)傳感器采集的各種汽車狀態(tài)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)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(hào)線經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后即可連接LCD模塊，為虛擬儀表顯示提供了硬件平臺(tái);外接由語(yǔ)音芯片組成的報(bào)警模塊，在必要的時(shí)候可以由處理器驅(qū)動(dòng)報(bào)警模塊以語(yǔ)音的形式向駕駛員提示報(bào)警。

　　圖2 虛擬儀表的硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3 虛擬儀表軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在Linux平臺(tái)下編寫虛擬儀表的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，采用QT/embedded設(shè)計(jì)虛擬儀表軟面板。應(yīng)用程序的主要功能有，當(dāng)接收到各個(gè)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理的傳感器采集到的信號(hào)后，將其有用的數(shù)據(jù)提取并加以存儲(chǔ)，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(shí)并行判斷各項(xiàng)參數(shù)是否正常，若出現(xiàn)異常則調(diào)用語(yǔ)音報(bào)警程序和顯示程序提示報(bào)警。虛擬儀表軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。虛擬儀表軟件開(kāi)發(fā)主要有2個(gè)內(nèi)容：開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建、虛擬儀表應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

　　圖3 虛擬儀表的軟件結(jié)構(gòu)圖

　　3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建

　　為了開(kāi)發(fā)滿足功能的應(yīng)用程序，本文采用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是Vmware WorkStation 7虛擬機(jī)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(lái)完成包含相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的虛擬儀表系統(tǒng)內(nèi)核、QT庫(kù)和應(yīng)用程序的編譯;編譯安裝QT/Embedded庫(kù)，用來(lái)支持虛擬儀表人機(jī)交互界面程序的開(kāi)發(fā)并生成虛擬儀表系統(tǒng)中需要的QT庫(kù)文件;編譯Tslib觸摸屏庫(kù)，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(yīng)用程序的開(kāi)發(fā);移植嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)引導(dǎo)程序U-boot;編寫硬件平臺(tái)相關(guān)驅(qū)動(dòng)，然后裁剪編譯Linux2.6.10內(nèi)核并在其中加載已編譯的相關(guān)驅(qū)動(dòng);制作硬件平臺(tái)需要的根文件系統(tǒng)，在其中移植已配置、編譯過(guò)的tslib庫(kù)和QT/Embedded庫(kù)。

　　3.2 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

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

　　虛擬儀表系統(tǒng)應(yīng)用程序的主要工作流程如圖4所示，在系統(tǒng)上電后，應(yīng)用程序開(kāi)始運(yùn)行，要實(shí)現(xiàn)汽車虛擬儀表系統(tǒng)的功能，應(yīng)用程序需要完成虛擬儀表面板和后臺(tái)處理程序的開(kāi)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(guò)表盤和數(shù)字直觀、動(dòng)態(tài)的顯示出來(lái)，本設(shè)計(jì)中采用速度、油量、電池電量、時(shí)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(kuò)展性和可維護(hù)性，在本設(shè)計(jì)中，為每種具體的虛擬儀表對(duì)象定義一個(gè)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(chǔ)類QPainter開(kāi)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(tái)處理程序

　　后臺(tái)處理程序主要將系統(tǒng)下層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)虛擬儀表的動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)以多線程的方式不斷檢測(cè)汽車各項(xiàng)狀態(tài)，當(dāng)某項(xiàng)狀態(tài)出現(xiàn)異?；虼嬖谖ｋU(xiǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD和語(yǔ)音芯片向駕駛員報(bào)警，其中異常狀態(tài)有超速、存油量過(guò)低、電池電量過(guò)低等。下面以報(bào)警子程序?yàn)槔v解后臺(tái)處理子程序。

　　報(bào)警子程序在后臺(tái)處理程序中新建一個(gè)線程，通過(guò)多線程的方式以輪詢的方式查詢各個(gè)傳感器的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)狀態(tài)存在危險(xiǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音芯片發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。其定義如下：

　　QT特有的信號(hào)與槽(signal/slots)機(jī)制實(shí)現(xiàn)方式如下：

　　通過(guò)調(diào)用QObject對(duì)象的connect函數(shù)，將報(bào)警線程的sendData信號(hào)與主線程的槽函數(shù)Deal()關(guān)聯(lián)，當(dāng)報(bào)警偵聽(tīng)線程發(fā)射信號(hào)時(shí)，主線程槽函數(shù)及時(shí)被調(diào)用，驅(qū)動(dòng)報(bào)警。

　　4 應(yīng)用程序示例

　　將裁剪、編譯過(guò)的內(nèi)核與制作的帶QT庫(kù)的文件系統(tǒng)燒寫到開(kāi)發(fā)板。在開(kāi)發(fā)環(huán)境內(nèi)交叉編譯編寫的應(yīng)用程序，得到可執(zhí)行二進(jìn)制文件，將此文件移植到開(kāi)發(fā)板，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的發(fā)布。重新開(kāi)機(jī)，運(yùn)行應(yīng)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(guò)汽車上的各種傳感器采集數(shù)據(jù)，通過(guò)控制器和高速CAN總線傳送到S3C6410硬件平臺(tái)解析，應(yīng)用程序得到解析后的數(shù)據(jù)后，即可動(dòng)態(tài)的顯示當(dāng)前車輛的各種狀態(tài)及報(bào)警情況。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的汽車虛擬儀表，具有優(yōu)良的跨平臺(tái)性能;該設(shè)計(jì)方案使得儀表信息量增大，操作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，界面友好;采用開(kāi)放源碼設(shè)計(jì)，使得本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本降低;使用雙緩沖技術(shù)消除了儀表顯示頁(yè)面的閃爍;采用多線程技術(shù)，使處理、顯示與報(bào)警同時(shí)進(jìn)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與靈敏度;將具體的虛擬儀表對(duì)象定義為抽象類，增強(qiáng)了虛擬儀表的擴(kuò)展性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本虛擬儀表系統(tǒng)的所有功能模塊均能正常運(yùn)行，該系統(tǒng)的應(yīng)用將對(duì)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(jī)界面具有重要的意義。