基于嵌入式Linux與QT的汽車(chē)虛擬儀表設計

　　摘 要：為了簡(jiǎn)化汽車(chē)內部控制系統，降低汽車(chē)制造成本，提高人車(chē)交互界面的友好度，設計并實(shí)現了一種新型的汽車(chē)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系統為核心的軟件平臺，并在此基礎上采用開(kāi)放源代碼的圖形界面庫QT開(kāi)發(fā)儀表終端應用程序。經(jīng)試驗驗證，虛擬儀表系統具有成本較低、界面友好、反應靈敏等特點(diǎn)，并在跨平臺性、可擴展性等方面得到了顯著(zhù)改善。

　　0 引 言

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

　　針對傳統儀表和現有儀表存在的不足，本文提出了一種新型的車(chē)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系統為核心的軟件平臺，并在此基礎上采用開(kāi)放源代碼的圖形界面庫QT開(kāi)發(fā)儀表終端應用程序。該虛擬儀表可讀性好，讀數精度高，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(jià)值和商業(yè)使用價(jià)值。

　　1 系統總體設計

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

　　如圖1所示，本車(chē)載虛擬儀表系統的設計總體由3個(gè)部分組成：

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

　　圖1 虛擬儀表系統結構框圖

　　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(hù)提供高靈敏度的汽車(chē)狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示;外接256 MB SDRAM 和2GBNANDFLASH;串口連接信號轉換處理模塊，轉換處理模塊內部集成CAN-RS232轉換器及24位的A/D轉換器LTC2414，接收相關(guān)傳感器采集的各種汽車(chē)狀態(tài)信號，并經(jīng)過(guò)處理后，將處理完成的數據上傳至處理器;外接LCD模塊采用8寸TFT液晶顯示屏，處理器內部集成的LCD控制器信號線(xiàn)經(jīng)過(guò)驅動(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;外接由語(yǔ)音芯片組成的報警模塊，在必要的時(shí)候可以由處理器驅動(dòng)報警模塊以語(yǔ)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

　　本系統采用嵌入式Linux作為操作系統，在Linux平臺下編寫(xiě)虛擬儀表的驅動(dòng)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(gè)經(jīng)轉換處理的傳感器采集到的信號后，將其有用的數據提取并加以存儲，然后調用儀表顯示程序，將需要顯示的內容顯示到不同的虛擬儀表盤(pán)中，同時(shí)并行判斷各項參數是否正常，若出現異常則調用語(yǔ)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(kāi)發(fā)主要有2個(gè)內容：開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建

　　為了開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足功能的應用程序，本文采用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是Vmware WorkStation 7虛擬機和Fedora 13操作系統，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)驅動(dòng)程序的虛擬儀表系統內核、QT庫和應用程序的編譯;編譯安裝QT/Embedded庫，用來(lái)支持虛擬儀表人機交互界面程序的開(kāi)發(fā)并生成虛擬儀表系統中需要的QT庫文件;編譯Tslib觸摸屏庫，為虛擬儀表系統添加觸摸屏支持;在Fedora13系統中安裝QT Creator軟件，用于完成虛擬儀表系統應用程序的開(kāi)發(fā);移植嵌入式設備的系統引導程序U-boot;編寫(xiě)硬件平臺相關(guān)驅動(dòng)，然后裁剪編譯Linux2.6.10內核并在其中加載已編譯的相關(guān)驅動(dòng);制作硬件平臺需要的根文件系統，在其中移植已配置、編譯過(guò)的tslib庫和QT/Embedded庫。

　　3.2 應用程序開(kāi)發(fā)

　　本虛擬儀表系統的的應用程序基于QT/Embedded平臺，使用QT的輕量級集成開(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)境中編譯生成可執行二進(jìn)制文件，并將其移植到硬件平臺中的文件系統中進(jìn)行測試。

　　虛擬儀表系統應用程序的主要工作流程如圖4所示，在系統上電后，應用程序開(kāi)始運行，要實(shí)現汽車(chē)虛擬儀表系統的功能，應用程序需要完成虛擬儀表面板和后臺處理程序的開(kāi)發(fā)：

　　圖4 系統軟件工作流程圖

　　3.2.1 虛擬儀表面板的繪制

　　虛擬儀表面板主要將汽車(chē)的一些基本狀態(tài)在LCD上通過(guò)表盤(pán)和數字直觀(guān)、動(dòng)態(tài)的顯示出來(lái)，本設計中采用速度、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(gè)抽象類(lèi)。

　　下面即以?xún)x表盤(pán)類(lèi)(QMeter)為例介紹本系統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?xún)x表盤(pán)形式顯示，虛擬儀表模塊中的虛擬儀表盤(pán)采用QT的二維圖形引擎的基礎類(lèi)QPainter開(kāi)發(fā)。QPainter具有豐富的圖形圖像繪制函數，并支持反走樣、漸變填充、像素混合、線(xiàn)性變換等特性，利用這些函數完成儀表盤(pán)的繪制。

　　QMeter類(lèi)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下層采集的數據進(jìn)行分析處理，將有用的數據傳送至虛擬儀表面板顯示，實(shí)現虛擬儀表的動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)以多線(xiàn)程的方式不斷檢測汽車(chē)各項狀態(tài)，當某項狀態(tài)出現異?；虼嬖谖ｋU時(shí)驅動(dòng)LCD和語(yǔ)音芯片向駕駛員報警，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(gè)線(xiàn)程，通過(guò)多線(xiàn)程的方式以輪詢(xún)的方式查詢(xún)各個(gè)傳感器的狀態(tài)，當發(fā)現某個(gè)狀態(tài)存在危險時(shí)，驅動(dòng)語(yǔ)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(shí)現方式如下：

　　通過(guò)調用QObject對象的connect函數，將報警線(xiàn)程的sendData信號與主線(xiàn)程的槽函數Deal()關(guān)聯(lián)，當報警偵聽(tīng)線(xiàn)程發(fā)射信號時(shí)，主線(xiàn)程槽函數及時(shí)被調用，驅動(dòng)報警。

　　4 應用程序示例

　　將裁剪、編譯過(guò)的內核與制作的帶QT庫的文件系統燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)板。在開(kāi)發(fā)環(huán)境內交叉編譯編寫(xiě)的應用程序，得到可執行二進(jìn)制文件，將此文件移植到開(kāi)發(fā)板，即可實(shí)現應用程序的發(fā)布。重新開(kāi)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(chē)虛擬儀表主界面

　　通過(guò)汽車(chē)上的各種傳感器采集數據，通過(guò)控制器和高速CAN總線(xiàn)傳送到S3C6410硬件平臺解析，應用程序得到解析后的數據后，即可動(dòng)態(tài)的顯示當前車(chē)輛的各種狀態(tài)及報警情況。

　　5 結 語(yǔ)

　　本文設計的汽車(chē)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(jiǎn)單，易于維護，界面友好;采用開(kāi)放源碼設計，使得本系統開(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(xiàn)程技術(shù)，使處理、顯示與報警同時(shí)進(jìn)行，提高了系統的實(shí)時(shí)性與靈敏度;將具體的虛擬儀表對象定義為抽象類(lèi)，增強了虛擬儀表的擴展性。經(jīng)實(shí)驗測試，本虛擬儀表系統的所有功能模塊均能正常運行，該系統的應用將對降低汽車(chē)的成本，縮短汽車(chē)儀表系統的研發(fā)周期，提供高友好度的人機界面具有重要的意義。