基于CAN總線(xiàn)和MiniGUI的虛擬儀表設(shè)計(jì)

當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用全數(shù)字式汽車(chē)儀表,且絕大部分是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式汽車(chē)儀表，并準(zhǔn)備向更高方向發(fā)展。由于受到成本的限制，目前國(guó)內(nèi)顯示汽車(chē)儀表只能選用字段顯示方式的顯示屏，無(wú)法選用顯示分辨率更高的點(diǎn)陣式顯示屏，因此其視覺(jué)效果和顯示精度還不能令人滿(mǎn)意。ECU性能不斷提高，抗強(qiáng)電磁干擾、工作溫度范圍和對(duì)工作電源穩(wěn)定性要求等方面得到較大的改善，同時(shí)價(jià)格大幅度降低，因而目前有條件在汽車(chē)儀表上使用ECU控制的全數(shù)字儀表，國(guó)內(nèi)汽車(chē)儀表界一致看好全數(shù)字式汽車(chē)儀表[1]。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，要求汽車(chē)儀表與汽車(chē)上其他裝置交換數(shù)據(jù)，即要求接入到汽車(chē)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線(xiàn)上，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式系統(tǒng)、CAN總線(xiàn)技術(shù)和TFT LCD液晶顯示技術(shù)的全數(shù)字式汽車(chē)儀表系統(tǒng)。


1 系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)的選擇

本文選取Intel公司的PXA270為微處理器,選配MiniARM270核心板；64 MB SDRAM為系統(tǒng)運(yùn)行隨機(jī)存儲(chǔ)器；256 MB NAND Flash程序存儲(chǔ)器；MCP2515 CAN控制器負(fù)責(zé)CAN報(bào)文的接收與發(fā)送;8英寸640×480真彩TFT液晶屏顯示GUI圖形界面；Linux為嵌入式操作系統(tǒng)[2]。選用目前較為流行的嵌入式GUI系統(tǒng)MiniGUI進(jìn)行應(yīng)用程序界面的編寫(xiě)。運(yùn)用ZLG/BOOT啟動(dòng)Jflashmm、Flash FXP軟件進(jìn)行內(nèi)核的燒寫(xiě)與移植。軟件編制調(diào)試完畢后，進(jìn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核定制，裁減出最小操作系統(tǒng)，并將應(yīng)用程序與最小系統(tǒng)在仿真環(huán)境下進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。虛擬儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 MiniGUI的程序開(kāi)發(fā)和移植

將MiniGUI及應(yīng)用程序移植到目標(biāo)機(jī)上需要經(jīng)歷編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序、交叉編譯MiniGUI及應(yīng)用程序、安裝MiniGUI到目標(biāo)系統(tǒng)、在目標(biāo)系統(tǒng)上運(yùn)行MiniGUI應(yīng)用程序等幾個(gè)步驟。

MiniGUI程序是建立在MiniGUI和ANSIC庫(kù)之上，所以程序的編寫(xiě)要按照MiniGUI的程序框架來(lái)定，并通過(guò)調(diào)用ANSIC庫(kù)以及MiniGUI自身提供的API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。MiniGUI程序的入口點(diǎn): int MiniGUIMain(int argc,const cha r * argv [ ]) 。其風(fēng)格類(lèi)似于Win32 ,也是基于窗口、事件驅(qū)動(dòng)編程。事件通過(guò)消息機(jī)制傳遞,當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，MiniGUI將事件轉(zhuǎn)換為一個(gè)消息，并將消息發(fā)送到MiniGUI應(yīng)用程序的消息隊(duì)列之中。窗口過(guò)程函數(shù)是MiniGUI應(yīng)用程序必不可少的函數(shù)，用于接收和處理消息，是一個(gè)回調(diào)函數(shù)，由MiniGUI調(diào)用，在應(yīng)用程序中不能直接調(diào)用，其函數(shù)原型如下：static int WindowProc (HWND hWnd, int message, WPARAM wParam,LPARAM lParam)。每個(gè)MiniGUI應(yīng)用程序的初始界面一般都是MiniGUI主窗口，然后在主窗口的基礎(chǔ)上再建立子窗口或?qū)υ?huà)框等。主窗口使用CreateMainWindow函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)函數(shù)里可以設(shè)置主窗口的風(fēng)格、大小、句柄、標(biāo)題以及窗口過(guò)程函數(shù)等[6，8-9]。

本文有兩個(gè)顯示界面，分別對(duì)應(yīng)流程圖里面的子程序1和子程序2。應(yīng)用程序流程圖如圖2所示。

本文采用arm-linux-gcc-3.4.3交叉編譯器對(duì)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序進(jìn)行編譯。安裝交叉編譯器步驟：將交叉編譯器安裝包arm-linux-3.4.3.tar.bz2復(fù)制到當(dāng)前目錄下，進(jìn)行解壓安裝并指定安裝路徑：#tar xjvf arm-linux-3.4.3.tar.bz2 –C /usr/local/arm。為了便于使用，安裝完畢后，通常都將交叉編譯器的路徑添加到系統(tǒng)的搜索路徑中。這樣要編譯文件時(shí)就很簡(jiǎn)單，不用每次都指定路徑，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)搜索。在這里介紹的一種方法是修改/etc/profile文件：打開(kāi)/etc/profile文件，在最后一行添加pathmunge /usr/local/arm/3.4.3/sbin，保存退出，在終端輸入執(zhí)行：#. Profile（“點(diǎn)+空格+文件名”）?？赏ㄟ^(guò)在終端輸入:arm-linux-gcc–v 檢驗(yàn)用戶(hù)編譯器版本。arm-linux-gcc編譯出來(lái)的程序，不能在PC機(jī)上運(yùn)行，必須下載到ARM系統(tǒng)中才能運(yùn)行。
MiniGUI在Linux系統(tǒng)中有兩種運(yùn)行模式：fbcon（Frame Buffer Console）和qvfb（Qt Virtual Frame Buffer）。fbcon在控制臺(tái)下運(yùn)行，這種模式下不能開(kāi)Linux的X圖形界面。qvfb則是帶幀緩沖的虛擬控制臺(tái)，MiniGUI程序在qvfb中運(yùn)行就像圖形界面下的終端(Terminal)中運(yùn)行命令一樣。通過(guò)對(duì)gal_engine賦值來(lái)設(shè)置運(yùn)行模式。


3 信號(hào)采集電路

CAN總線(xiàn)的智能節(jié)點(diǎn)一般由主控制器、CAN總線(xiàn)控制器、CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器以及具體的功能單元組成。主控制器用來(lái)通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)CAN總線(xiàn)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)。CAN總線(xiàn)控制器實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能，對(duì)外具有與主控制器和總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的接口功能。CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器提供CAN總線(xiàn)控制器與物理總線(xiàn)之間的接口。

本文選用Microchip公司生產(chǎn)的MCP2515作為CAN總線(xiàn)控制器。MCP2515是一款獨(dú)立的CAN協(xié)議控制器，完全支持CAN 2.0B技術(shù)規(guī)范。MCP2515與主控制器的連接是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口SPI(Searial Peripheral Interface)實(shí)現(xiàn)的。主控制器選擇了Microchip公司的PIC16F913，該單片機(jī)為高性能的RISC CPU,內(nèi)部具有4 KB的可編程可擦除的Flash存儲(chǔ)器、256 B的RAM、256 B的EEPROM,帶有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，也能夠方便地和CAN總線(xiàn)控制器MCP2515進(jìn)行連接。CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器選擇Microchip公司的MCP2551，是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN器件[4,10]。數(shù)據(jù)采集用的CAN總線(xiàn)接口電路如圖3所示。

4 CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是介于硬件和Linux內(nèi)核之間的軟件接口，是一種低級(jí)的、專(zhuān)用于某一硬件的軟件組件。設(shè)備驅(qū)動(dòng)也可以理解為操作系統(tǒng)的一部分，對(duì)于一個(gè)特定的硬件設(shè)備來(lái)說(shuō)，其對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是不同的，比如網(wǎng)卡、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯卡、電位器、電機(jī)等。操作系統(tǒng)本身沒(méi)有對(duì)各種硬件設(shè)備提供持久不變的“驅(qū)動(dòng)設(shè)備”，沒(méi)有驅(qū)動(dòng)，操作系統(tǒng)就控制不了底層的設(shè)備，對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，掛接的設(shè)備越多，需要的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也越多。

在Linux操作系統(tǒng)中，把所有外設(shè)都當(dāng)成文件看待，使用操作文件的方法來(lái)操作設(shè)備，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序，Linux操作系統(tǒng)才能以文件夾的方式來(lái)管理設(shè)備。因此驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)開(kāi)發(fā)具有十分重要的地位。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在Linux內(nèi)核空間，是Linux內(nèi)核中聯(lián)系硬件設(shè)備和應(yīng)用程序的橋梁。Linux系統(tǒng)硬件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序的關(guān)系如圖4所示[7]。

MagicARM270實(shí)驗(yàn)箱采用SJA1000 CAN控制器擴(kuò)展了1路CAN接口，SJA1000是PHILIPS公司經(jīng)典的CAN控制器，支持CAN 2.0 A、B協(xié)議。結(jié)合應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序、內(nèi)核程序，CAN驅(qū)動(dòng)流程圖如圖5所示。

5 測(cè)試結(jié)果與驗(yàn)證

選取廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的Magic ARM270實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行仿真[2]。通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)上各種信息的采集和測(cè)量，并將采集的結(jié)果送到ARM進(jìn)行處理，最后通過(guò)TFT顯示出來(lái)，設(shè)置CAN總線(xiàn)傳輸速度波特率為125 KB/s，圖6所示為捕捉的一個(gè)界面。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在汽車(chē)上得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。本文在測(cè)試系統(tǒng)下采用CAN總線(xiàn)接口提取車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、油量、水溫、傳動(dòng)箱壓力及其他車(chē)況等信息。實(shí)驗(yàn)表明采用虛擬儀表技術(shù)完全能夠滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)顯示的要求，可擴(kuò)充性好，配置方便。