嵌入式车载计算机设计 - 文章

嵌入式车载计算机设计

作者：泛亚汽车技术中心雍建军张超魏燕钦

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[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。
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

1 引言

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。

通过无线接入给汽车用户带来的好处包括：

(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；
(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。
(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。
(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。

同样无线接入会给汽车制造商带来如下好处：

(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。
(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。
(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。
(4) 提高客户关系的管理，促进客户的购买。

2 国外公司相关车载系统产品简介

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。

3 信息服务平台系统设计
系统组件,包括主要有三部分组成(参见图1)：

车载终端设备（嵌入式车载计算机）
网络服务供应商
网络平台监控中心

图1 系统结构组成

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。

4 嵌入式车载计算机AUTO PC（车载终端设备）

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。

4.1 功能描述

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：

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。

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。

4.1.2 与车内控制模块的数据交换处理

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。

CAN 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。

4.1.3 在线远程诊断

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。

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。

4.1.4 车辆导航系统

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。

GPS/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。

4.1.5 通过USB 接口实现摄像技术

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。

4.1.6 车内办公、娱乐功能及其它辅助功能

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。

根据以上设计要求，下面给出了软硬件系统设计。

4.2 AUTO PC 系统的硬件设计

图2 硬件结构框图

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：

(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。
(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。
(3) 网络接入、通信和导航模块：采用内置GPRS 模块、GPS 模块接口。
(4) 显示模块：彩色TFT、 6.4 英寸的LCD。
(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。
(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。
(7) 电源模块：采用电源：DC+12V。

4.3 系统的软件设计

系统的软件结构如图3 所示。

图3 软件结构框图

4.3.1 操作系统

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。

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。

Windows 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。

Windows 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。

4.3.2 应用软件模块

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。

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。

第三方软件选配：如MP3 播放、电子词典、游戏等。

5 结束语

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。

参考文献
1 Steve Furber. ARM SoC 体系结构. 北京航空航天大学出版社
2 Jean J.Labrosse. 嵌入式系统构件. 北京；机械工业出版社
3 陈章龙，涂时亮. 嵌入式系统-Intel Strong ARM. 北京航空航天大学出版社
4 海搏创作室. 嵌入式控制器硬件设计. 浦东电子出版社
5 李永隆. Windows CE 程序设计实务. 北京；中国电力出版社
6 张瑞. 分布式呼叫中心管理系统技术实现. 计算机 1018
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)
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)
9 韩斌杰. GSM 原理及其网络优化. 北京；机械工业出版社
10 SAE Standard SAE J1850
11 SAE Standard SAE J1962
12 GM Standard GMW 3203(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2005)


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