ARM+Linux設(shè)計的CAN總線和MiniGUI的虛擬儀表技術(shù)

摘? 要： 基于ARM+Linux的架構(gòu)，通過CAN總線獲得數(shù)據(jù)，再利用嵌入式系統(tǒng)平臺的構(gòu)建思想，實現(xiàn)了在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，基于ARM和 MiniGUI環(huán)境的車載信息的圖形化顯示。介紹了虛擬儀表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點的構(gòu)成及Linux環(huán)境下CAN總線驅(qū)動程序的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀表； CAN； ARM； Linux； MiniGUI； 設(shè)備驅(qū)動程序

??? 當今發(fā)達國家普遍使用全數(shù)字式汽車儀表,且絕大部分是步進電動機式汽車儀表，并準備向更高方向發(fā)展。由于受到成本的限制，目前國內(nèi)顯示汽車儀表只能選用字段顯示方式的顯示屏，無法選用顯示分辨率更高的點陣式顯示屏，因此其視覺效果和顯示精度還不能令人滿意。ECU性能不斷提高，抗強電磁干擾、工作溫度范圍和對工作電源穩(wěn)定性要求等方面得到較大的改善，同時價格大幅度降低，因而目前有條件在汽車儀表上使用ECU控制的全數(shù)字儀表，國內(nèi)汽車儀表界一致看好全數(shù)字式汽車儀表[1]。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，要求汽車儀表與汽車上其他裝置交換數(shù)據(jù)，即要求接入到汽車的計算機系統(tǒng)總線上，因此本文設(shè)計了一個基于嵌入式系統(tǒng)、CAN總線技術(shù)和TFT LCD液晶顯示技術(shù)的全數(shù)字式汽車儀表系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)軟硬件平臺的選擇
??? 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)運行隨機存儲器；256 MB NAND Flash程序存儲器；MCP2515 CAN控制器負責CAN報文的接收與發(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進行應(yīng)用程序界面的編寫。運用ZLG/BOOT啟動Jflashmm、Flash FXP軟件進行內(nèi)核的燒寫與移植。軟件編制調(diào)試完畢后，進行操作系統(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的程序開發(fā)和移植
??? 將MiniGUI及應(yīng)用程序移植到目標機上需要經(jīng)歷編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序、交叉編譯MiniGUI及應(yīng)用程序、安裝MiniGUI到目標系統(tǒng)、在目標系統(tǒng)上運行MiniGUI應(yīng)用程序等幾個步驟。
??? MiniGUI程序是建立在MiniGUI和ANSIC庫之上，所以程序的編寫要按照MiniGUI的程序框架來定，并通過調(diào)用ANSIC庫以及MiniGUI自身提供的API函數(shù)來實現(xiàn)。MiniGUI程序的入口點: int MiniGUIMain(int argc,const cha r * argv [ ]) 。其風格類似于Win32 ,也是基于窗口、事件驅(qū)動編程。事件通過消息機制傳遞,當事件發(fā)生時，MiniGUI將事件轉(zhuǎn)換為一個消息，并將消息發(fā)送到MiniGUI應(yīng)用程序的消息隊列之中。窗口過程函數(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捒虻取Ｖ鞔翱谑褂肅reateMainWindow函數(shù)實現(xiàn)，在這個函數(shù)里可以設(shè)置主窗口的風格、大小、句柄、標題以及窗口過程函數(shù)等[6，8-9]。
??? 本文有兩個顯示界面，分別對應(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交叉編譯器對驅(qū)動程序和應(yīng)用程序進行編譯。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復制到當前目錄下，進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。這樣要編譯文件時就很簡單，不用每次都指定路徑，系統(tǒng)會自動搜索。在這里介紹的一種方法是修改/etc/profile文件：打開/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+空格+文件名”）。可通過在終端輸入:arm-linux-gcc–v 檢驗用戶編譯器版本。arm-linux-gcc編譯出來的程序，不能在PC機上運行，必須下載到ARM系統(tǒng)中才能運行。
??? MiniGUI在Linux系統(tǒng)中有兩種運行模式：fbcon（Frame Buffer Console）和qvfb（Qt Virtual Frame Buffer）。fbcon在控制臺下運行，這種模式下不能開Linux的X圖形界面。qvfb則是帶幀緩沖的虛擬控制臺，MiniGUI程序在qvfb中運行就像圖形界面下的終端(Terminal)中運行命令一樣。通過對gal_engine賦值來設(shè)置運行模式。

3 信號采集電路
??? CAN總線的智能節(jié)點一般由主控制器、CAN總線控制器、CAN總線驅(qū)動器以及具體的功能單元組成。主控制器用來通過訪問CAN總線控制器來實現(xiàn)對CAN總線的訪問。CAN總線控制器實現(xiàn)CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能，對外具有與主控制器和總線驅(qū)動器的接口功能。CAN總線驅(qū)動器提供CAN總線控制器與物理總線之間的接口。
??? 本文選用Microchip公司生產(chǎn)的MCP2515作為CAN總線控制器。MCP2515是一款獨立的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標準串行外設(shè)接口SPI(Searial Peripheral Interface)實現(xiàn)的。主控制器選擇了Microchip公司的PIC16F913，該單片機為高性能的RISC CPU,內(nèi)部具有4 KB的可編程可擦除的Flash存儲器、256 B的RAM、256 B的EEPROM,帶有標準的SPI接口，也能夠方便地和CAN總線控制器MCP2515進行連接。CAN總線驅(qū)動器選擇Microchip公司的MCP2551，是一個可容錯的高速CAN器件[4,10]。數(shù)據(jù)采集用的CAN總線接口電路如圖3所示。

4 CAN總線驅(qū)動程序的方案設(shè)計與實現(xiàn)
??? 設(shè)備驅(qū)動程序是介于硬件和Linux內(nèi)核之間的軟件接口，是一種低級的、專用于某一硬件的軟件組件。設(shè)備驅(qū)動也可以理解為操作系統(tǒng)的一部分，對于一個特定的硬件設(shè)備來說，其對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序是不同的，比如網(wǎng)卡、鍵盤、鼠標、顯卡、電位器、電機等。操作系統(tǒng)本身沒有對各種硬件設(shè)備提供持久不變的“驅(qū)動設(shè)備”，沒有驅(qū)動，操作系統(tǒng)就控制不了底層的設(shè)備，對于操作系統(tǒng)來說，掛接的設(shè)備越多，需要的設(shè)備驅(qū)動程序也越多。
??? 在Linux操作系統(tǒng)中，把所有外設(shè)都當成文件看待，使用操作文件的方法來操作設(shè)備，通過驅(qū)動程序，Linux操作系統(tǒng)才能以文件夾的方式來管理設(shè)備。因此驅(qū)動程序的編寫開發(fā)具有十分重要的地位。Linux設(shè)備驅(qū)動程序運行在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)動和應(yīng)用程序的關(guān)系如圖4所示[7]。

??? MagicARM270實驗箱采用SJA1000 CAN控制器擴展了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)動程序、內(nèi)核程序，CAN驅(qū)動流程圖如圖5所示。

5 測試結(jié)果與驗證
??? 選取廣州致遠電子有限公司生產(chǎn)的Magic ARM270實驗箱進行仿真[2]。通過
CAN總線實現(xiàn)汽車上各種信息的采集和測量，并將采集的結(jié)果送到ARM進行處理，最后通過TFT顯示出來，設(shè)置CAN總線傳輸速度波特率為125 KB/s，圖6所示為捕捉的一個界面。

??? 隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)在汽車上得到了越來越多的應(yīng)用。本文在測試系統(tǒng)下采用CAN總線接口提取車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、機油壓力、油量、水溫、傳動箱壓力及其他車況等信息。實驗表明采用虛擬儀表技術(shù)完全能夠滿足車輛運行參數(shù)和狀態(tài)顯示的要求，可擴充性好，配置方便。

參考文獻
[1]?? ?潘旭峰.現(xiàn)代汽車電子技術(shù)[M].北京:北京理工大學出版社，2005.
[2] ?? ?周立功.PXA270&Linux2.6實驗理論指導書[M] .廣州致遠電子有限公司.
[3] ?? ?陳連坤.嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[M].北京:清華大學出版社&北京交通大學出版社,2005.
[4] ?? ?MCP2551高速CAN收發(fā)器.http://www.microchip.com.
[5]???? 周立功.PXA270&Linux2.6實驗教程[M].廣州致遠電子有限公司.
[6] ?? ?周立功.ARM嵌入式MiniGUI初步與應(yīng)用開發(fā)范例[M]. 北京:北京航空航天大學出版,2006.
[7] ?? ?周立功.PXA270&Linux2.6理論教程[M].廣州致遠電子有限公司.
[8]?? ?飛漫軟件.MiniGUI用戶手冊. 2003.
[9]?? ?飛漫軟件. MiniGUI編程指南.2006.
[10]? 劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2006.
[11]? 尹玉梅.基于MiniGUI的總線式車用虛擬儀表設(shè)計[D]. 荊州：西華大學,2009.