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嵌入式车载计算机设计

排行榜 收藏 打印 发给朋友 举报 来源: 泛亚汽车技术中心   发布者:雍建军 张超 魏燕钦
热度766票  浏览49次 时间:2013年7月08日 15:32
[摘要] 首先简要地介绍了多个跨国公司的车载通信技术,然后系统地描述了自主开发的车载嵌入式计算机(Auto PC),该AUTO PC 采用基于Intel 公司的嵌入式处理器XSCALE,内置GPRS 无线通信模块,外扩展全球定位系统GPS 模块,采用嵌入式操作系统WINDOWS CE.NET 实现无线接入INTERNET;通过CAN 总线与车内控制模块进行数据交换和处理;通过监控中心实现在线远程诊断;嵌入GIS 结合GPS 实现车辆自导航;免提电话、来电显示功能;基于WINDOWS 办公软件,实现远程办公;摄像功能;多媒体娱乐及其它辅助功能。拓松汽车户外网 - ^}0a6f3}zJ
关键词:嵌入式车载计算机 WINDOWS CE 操作系统 GPRS 分布式数据处理 全球定位系统拓松汽车户外网 -"}%L:l u4Q
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1 引言拓松汽车户外网 - ` i&wD^ ~ g

Di;X/]f I} KL0车载电子设备以惊人的速度增加,包括应用如导航系统、通信设备和车载娱乐系统。汽车信息通信技术(Telematics)结合了通信和计算机技术为司机和乘客提供信息、通信和娱乐服务。汽车制造商为了从激烈的竞争中脱颖而出,也不断扩展其车内系统的消费类内容和连接能力。因此,毫无疑问:汽车行业的前途在于接入网络、连接数据——在任何时间、任何地点,通过对网络的无线接入,既可以满足用户随时随地的需求,也可以使汽车生产厂商从中获益。也可提供最优质的信息服务给客户,使他们在汽车中和网络的沟通时刻畅通,随时随地获得优质服务。在前端,通过在汽车上采用的IT 解决技术,给汽车制造商提供了利润;同时,IT 技术的应用提供了有用的信息来反馈给后端的设计者们,使得成本降低,并且给用户带来满足需要的产品。通过无线接入将汽车用户变成英特网的一个有机部分,给整个社会带来了数不尽的好处。
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0m(z:E0o qY|v,q0通过无线接入给汽车用户带来的好处包括:拓松汽车户外网 -"~0bG5O$g3\#t.qr#c

6q+K4Y4Kh |X6q0(1) 自诊断 检查过多的燃油或者溢出的洗涤器液,或刹车片磨损过度,或提供行驶路线;拓松汽车户外网 -8J;u'j@\h
(2) 娱乐和通信 在公路上塞车时让孩子们保持安静,和家中的父母保持联系。
3T8T2g0P(T FOy\0(3) 信息 帮助提供实时交通状况和最快捷的路线;在汽车发生故障之前,提供汽车故障服务和修理厂的信息。同时给困境中的司机们提供紧急服务,如车被盗,或者需要大修。
{)^ cy#|0(4) 安全 提供增强的与急救和故障服务中心的通信,汽车保护系统更加智能化,从而减少不必要的报警。拓松汽车户外网 -Mw9lG5B
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同样无线接入会给汽车制造商带来如下好处:
i[}3@_#L_/[&w6{0拓松汽车户外网 -:@D#Z'DV8O'J
(1) 对客户的了解更加详尽 在以前这是不太可能的,可以跟踪汽车的里程,用户是如何驾驶的,耗在汽车上的时间,到访的地点,出行次数。所有的这些信息都可以用于汽车设计和提高服务以满足市场需求。
7Mk4B%d bq$tZ3C0(2) 新利润的来源 向用户提供汽车服务,通信信息,获得再销售机会。拓松汽车户外网 -q:f)lz }4q
(3) 能够减少非市场需要的车型,出产满足市场需要的汽车数量。拓松汽车户外网 -)C7mj D{9E9y
(4) 提高客户关系的管理,促进客户的购买。
&ui"o'?G0p2Fu+oN0拓松汽车户外网 -1^-_)C9S!^M5c
2 国外公司相关车载系统产品简介拓松汽车户外网 -e}.F$[4|&p

iCVu/mCQ3T9r(J0目前的市场上存在多种计算机远程信息处理解决方案,形成了不同服务内容的功能和相同内容不同级别的功能。各种可行的解决方案都是出自满足不同用户的需要。而且,在未来这种趋势将会更加明显。当前市场所提供的相关产品如表1 所示。

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3 信息服务平台系统设计拓松汽车户外网 -1@~ssOy
系统组件,包括主要有三部分组成(参见图1):
I&d@} Z@4r0
vu g8[&HoQ0车载终端设备(嵌入式车载计算机)拓松汽车户外网 -k;L+j'n C#B!S,Y
网络服务供应商拓松汽车户外网 -0P7U@KW1X*^
网络平台监控中心

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图1 系统结构组成拓松汽车户外网 -7D|(C2n"E rG?l%L

整个系统采用计算机和工业控制技术,通过软件和硬件技术的结合实现了对整个系统进行控制和协调,使整个系统能够自动工作。车载终端设备采用工业级嵌入式计算机,对车内功能模块进行控制,采集车内各种数据信息,对数据进行压缩打包,通过网络服务供应商传输到系统监控中心。监控中心通过专用的配套软件对数据进行分析处理后,再通过网络供应商将监控中心的指令下达到车载终端,对车辆进行远程监控,同时提供车辆维护、娱乐、导航、通信等服务。本文仅对车载终端(AUTO PC) 作介绍。拓松汽车户外网 -3h3~3E1pL R Z5\&D@

!x g'S3PZ9z x04 嵌入式车载计算机AUTO PC(车载终端设备)
"X(Nr|u/d3z0拓松汽车户外网 -_/Mm)w6O/w
该设备采用嵌入式系统,把计算机直接嵌入到应用系统之中,融合了计算机软/硬件技术、通信技术和半导体微电子技术。嵌入式系统由嵌入式处理器、嵌入式系统硬件和嵌入式应用软件组成。
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4.1 功能描述拓松汽车户外网 -,u^N`!E

'S6{T~'n\0经研究,我们要开发的嵌入式车载计算机(AUTO PC)应当具有以下功能:拓松汽车户外网 - j+L m"C)v O
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4.1.1 通过GPRS 模块实现无线数据传输与语音通信即实现无线接入INTERNET 和接听电话。通过将因特网的功能集成到车辆中,使人们在车上就可以上网浏览、收发邮件等,使汽车消费者可以方便快捷地享受更丰富的全新的信息服务。采用内置GPRS 模块,实现无线上网。GPRS 是一种高速、高效的无线系统,全称为“通用分组无线业务”(General Packet Radio Service),是在现有GSM 网络上开通的一种新型的分组数据传输技术。它允许移动用户经分组方式发送和接收数据,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输,而这一情形正是大多数互联网应用的特点。高速传输GPRS 采用分组交换的技术,数据传输速率最高理论值可达171.2kbps ,使用的信道类型既可以是DCH(专用信令信道)也可以是TCH(话务信道),但实际速度受到编码的限制和终端的限制,可能会有所不同。
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自动切换的GPRS 系统还具有数据传输与话音传输可同时进行或切换进行的优势。也就是说用户在用移动上网冲浪的同时,可以接收语音电话。利用语言通道控制程序,通过对无线模块的控制,结合多功能电话手柄或触摸屏或语音呼叫完成电话拨号,进行车载电话拨接、免提等功能。
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4.1.2 与车内控制模块的数据交换处理
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J2Rw/h.C0现有的别克车内有CLASS 2 和 CAN 两种总线。其中,发动机动力控制模块(ECM)与车身电子模块(BCM)之间的通信采用CALSS 2 总线,而ECM 与变速箱控制模(TCM)之间是采用CAN 总线进行数据传递。但由于CAN 通信简单(只要求双绞线)、速率快 (高速CAN 可达500Kbit/s) 、抗噪性强、可靠性高(自带错误检查)。在今后几年内CAN 总线将逐步取代CLASS 2 总线。因此,AUTO PC 采用CAN 总线实现与车载模块的通信。
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Wb1o I D+x/DW l0CAN 是一种多主竞争总线形式,废除传统的站地址编码方式,代之以对数据信息进行编码,最多可标识2032(2.0A)或5 亿(2.0B)多个数据块。网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其它节点发送信息,而不分主从。非常适合现代汽车各电子控制单元之间的互连通信。因此,AUTO PC 可以通过CAN 总线获得大量共享数据,从ECM 及时获得发动机运行参数;从BCM 获得车身状态信息。同时,AUTO PC 通过总线下达指令控制各模块,控制发动机的运转、控制车门和车窗的状态。
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^Pm/MuKQ04.1.3 在线远程诊断拓松汽车户外网 -c;l*eVv!f_~
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AUTO PC 通过CAN 总线从各控制模块获得大量的车况信息,如从ECM 获得相关的发动机进气、排气、供油以及各传感器的数据量,变速箱的状态信息,以及相关的车身状态信息,如门状态、窗状态、灯状态等状态信息量。时时追踪车辆信息,同时定位车辆位置,若有故障及时提醒乘客。所有的这些数据采集打包发送到监控服务中心。应用分析软件由于数据量大,占用空间大,同时也为满足多客户要求,只能存放于监控中心。监控中心得到这些数据包后,解压缩释放数据,通过专用的软件分析代码,得出故障信息,若故障原因简单,给出解决方法和步骤,用户可按要求进行,若问题复杂, 由于装配有GPS,系统给出距故障车最近的维修地址和联系方法,同时系统自动通知维修中心故障车所在的当前位置、车主、车号。拓松汽车户外网 -&`.gF#X3bp'{*]

8` Tz"RON5t A0采集到的车辆信息与监控中心的数据传输采用分布式数据处理,采用了基于客户机/服务器的计算环境分布式数据库系统,各终端机(Auto PC)通过远程调用(RPC)以SQL 形式请求服务程序提供服务,服务器(监控中心)执行所需的处理,然后将结果返回给终端机,终端机和服务器之间无线网络实现无缝协同计算;在整个系统中,采用TCP/IP 协议通信,通过数据复制技术、两阶段递交协议等来确保分布在网络各个终端的数据一致性、完整性和可用性。
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nISJ#o,j04.1.4 车辆导航系统拓松汽车户外网 -$W-IcP}

n%z0W5t+IO*e/yQ0现有的车载导航系统大体有:车辆独立导航定位系统、车辆组合导航定位系统。后者又主要有:GPS/DR车辆导航系统、GPS/E-map(电子地图)导航系统。目前,车上预装产品多为GPS/E-map 模式。在国内全球定位系统(GPS) 技术已日益成熟,能够提供车辆导航定位信息。但国内的基础地理贮存信息(GIS)不能满足需求,主要原因是:研发起步较晚;我国正处高速发展进程中,地理信息变化快,未能及时更新。
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xbl UTV el0GPS/E-map 模式中,对E-map 的处理方式主要有两类。一类是将地图贮存在DVD 光盘上;同时与车内的娱乐系统相结合。另一类是WEBGIS,也即地图储存在监控中心,即时局部下载更新使用。日本、韩国等城市建设已逐渐完善,道路交通变化不大。因此,大多使用DVD 光盘地图。我国预装导航系统的车辆大多也采用此模式。但缺点是:由于我国正处于大规模经济建设中,城市发展变化快,地图更新频繁,需要不断更替DVD 光盘。故本系统的地图模式采用WEBGIS。同时,系统还嵌入了最新版本的分布式语音系统,驾驶中无须观看屏幕,语音导航实时报告当前方位,并提前通知行车方向;日夜显示状态切换易于在各种时间观看。拓松汽车户外网 -nZ)gC T hp
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4.1.5 通过USB 接口实现摄像技术
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X*g!pz%b1]U0通过USB接口实现倒车摄像功能,提供倒车防撞服务。当变速杆切换到倒档位置时,Auto PC 显示摄像头摄制的车辆后方画面,方便驾驶员倒车,避免意外发生。拓松汽车户外网 -9[8@!Z)V w8jH8E

9u'h U5B lY04.1.6 车内办公、娱乐功能及其它辅助功能
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YeXb ~^6z0实现移动办公,配置多种办公软件,如WORD, EXCEL,OUTLOOK 等。通过无线接入INTERNET,实现移动多媒体。移动多媒体还体现在智能无线产品、远程通信设备和信息处理产品等方面,其中包括提供语音识别系统,使驾驶者不用手动操作;智能信息/娱乐系统,从而腾出双手控制转向盘。同时采用“即插即用”的方式使汽车消费者可以方便快捷地更新他们的多媒体产品,享受更丰富的全新服务。拓松汽车户外网 -q}XRp|@4`

Jj L'Kd3H? T0根据以上设计要求,下面给出了软硬件系统设计。拓松汽车户外网 -bLN ?;\ G5r

F ~ix!t+J04.2 AUTO PC 系统的硬件设计


SOi o'r[K7b.mc0图2 硬件结构框图

{"_4b.?.f?m2z1z0车载计算机的硬件系统结构框图如图2 所示。其中各主要模块设计说明如下:拓松汽车户外网 -!cn O(};^j3Q qu%q9u
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(1) 嵌入式处理器(Processor)模块:采用Intel 公司32 位的XSCALE PXA250 400MHz 处理器,该处理器是基于面向无线互联网的嵌入式系统架构——Intel 个人互联网用户架构PCA (Personal InternetClient Architecture)。此处理器是为新一代无线手持式应用产品开发的嵌入式处理器。具有高性能,低功耗,电源管理特性:正常模式;空闲(省电)模式;睡眠(省电)模式。可极大限量的节电。
5~kxy8j.Qr6G AJ0(2) 存储和初始化配置模块:Flash 、SDRAM、 内置CF (Compact Flash)或USB 接口外扩存储设备。拓松汽车户外网 -/j z%KLc j8JX9h
(3) 网络接入、通信和导航模块:采用内置GPRS 模块、GPS 模块接口。拓松汽车户外网 --I'w [ zD EE^"E
(4) 显示模块:彩色TFT、 6.4 英寸的LCD。
9X*Dp{.t{ h0(5) 人机界面及外设接口:触摸屏、功能键、USB接口、立体声插口、预留可扩展通用IO 口。拓松汽车户外网 --c;W1{6{OG I$].H
(6) 局部总线模块:采用了CAN 局部总线,实现车载分离模块数据交互。拓松汽车户外网 -f'lP*stE~8f
(7) 电源模块:采用电源:DC+12V。
5@+\-Y-z kV'D/]0拓松汽车户外网 -5f:Yi2}?#v o4^+Z,t
4.3 系统的软件设计拓松汽车户外网 -5\-zJ}K5A\Z
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系统的软件结构如图3 所示。


3w }3CHVk\0图3 软件结构框图拓松汽车户外网 -wfww `+`3]N$f

4.3.1 操作系统
iz V OA}G0拓松汽车户外网 -*I#TJ O7RE?
嵌入式操作系统有编码体积小;面向应用,可裁剪和移植;事时性强;可靠性高等特点。基于XSCALE架构的嵌入式系统,采用嵌入式 Windows CE.NET。拓松汽车户外网 -%Z.kB`~{~~:U2e
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Microsoft Windows CE 是一个多平台的,可裁剪的32 位嵌入式操作系统。针对不同的目标设备硬件环境,可以在内核基础上添加各种模块,形成一个定制的嵌入式操作系统。拓松汽车户外网 -ew@i"_ `{-iE@

md5~q%]|gdT0Windows CE 提供了Windows 程序员熟悉的各种开发环境。同时,内建了对多媒体(包括DirectX)、通信(TCP/IP、SNMP、TAPI 等)的支持。而且,已经含有各种常用的应用程序,如,Pocket Internet Explorer、Pocket Outlook 和Pocket Word 等。利用这些软件开发环境,容易地实现娱乐、通信和办公等嵌入应用。拓松汽车户外网 -8^F3BG;m:SN2q6i

6La7S6? ]@x3@]G0Windows CE 主要包括: 内核,持久存储,图形和多媒体,进程间通信,通信服务,安全服务,用户界面服务,Internet 服务和本地化支持。拓松汽车户外网 -2PO%H&u&Ro

vU:M+q%{0~N*X04.3.2 应用软件模块拓松汽车户外网 -n?/kt{,Q$X7h:T
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Windows CE 下的设备驱动程序将操作系统和硬件联系起来,使得操作系统能够管理硬件设备,向应用程序提供访问使用硬件的调用。拓松汽车户外网 -Jm+BZ9S.cV(MG

{6ZB9_3Ee+A0在Windows CE 平台上,嵌入地理信息管理子系统、语音合成子系统及多个程序模块组成包括无线通信/电话管理程序模块、图像采集处理程序模块、视频处理程序模块、局部总线模块和相应的若干数据库组成。利用系统内嵌的MINI OFFICE 实现车内办公。拓松汽车户外网 --Lu,F^8A+|kl+Yg
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第三方软件选配:如MP3 播放、电子词典、游戏等。
"s W(W5n#]0拓松汽车户外网 - I TA;A2Lv)HK
5 结束语拓松汽车户外网 - G OqGulh

Gn(^3F~G0h,w'}J;}Q0该产品还处于样品试验阶段,取得了较满意的结果。当然,系统还有一些有待深入研究的问题,如车辆高速行驶时GPRS 在网域切换中的掉线问题、电子地图精度分析与误差、分布式数据处理等,以及系统在稳定性、可靠性方面还需深入的研究。拓松汽车户外网 -? h-b:W{5kS

Jj0f h({v0参考文献拓松汽车户外网 -[ v1~R/V;O%r0s
1 Steve Furber. ARM SoC 体系结构. 北京航空航天大学出版社拓松汽车户外网 -5Bf6| Qx/]
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5 李永隆. Windows CE 程序设计实务. 北京;中国电力出版社
3v-w]i!bk ?(L06 张瑞. 分布式呼叫中心管理系统技术实现. 计算机 1018拓松汽车户外网 - a6@5O:R|}
7 程军,崔继波,苟凯英. 车辆控制系统CAN 总线通信的实施方法. 汽车工程, 2001 23 (5)拓松汽车户外网 - [Q%q j4h C
8 向怀坤,刘小明. 车辆导航系统的研究开发现状与趋势. 汽车工程, 2001 23(5)
:s+Yen4Kk'K*\*K/n09 韩斌杰. GSM 原理及其网络优化. 北京;机械工业出版社拓松汽车户外网 -\L`oW
10 SAE Standard SAE J1850拓松汽车户外网 -r J;j6[1vV$J kh
11 SAE Standard SAE J1962拓松汽车户外网 -qlN.v R oQ
12 GM Standard GMW 3203(end) 
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