車載多功能顯示儀(MFD)

1、第四屆 Motorola 杯 嵌入式處理器（ MCU/DSP ）設(shè)計(jì)應(yīng)用大獎(jiǎng)賽 車載多功能顯示儀 （MFD） 比賽編號(hào)：B組11436 單位名稱：北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 以下首名設(shè)計(jì)者為聯(lián)絡(luò)代表人： 姓名：李躍鵬（中文） LeeYuepeng （英文） 職業(yè)：碩士研究生 姓名：黃繼敏（中文） HuangJimin （英文） 職業(yè)：碩士研究生 郵編： 100083 電話：通訊地址：北京市北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)及電氣工程學(xué)院測(cè)控系 E-mail:yuepeng_ 2002 年10月 第四屆Motorola杯嵌入式處理器（MCU/DSP ）設(shè)計(jì)應(yīng)用大

2、獎(jiǎng)賽 比賽編號(hào)：B組1143618 1引言: 2車輛監(jiān)控系統(tǒng)概述：., 2.1 GPS定位技術(shù). 2.2移動(dòng)通信平臺(tái)選擇 3系統(tǒng)概述 4系統(tǒng)硬件 4.1車輛定位通訊模塊. 4.2顯示交互模塊 5系統(tǒng)軟件 5.1數(shù)據(jù)采集、處理模塊: 5.2 顯示交互模塊 2. 2. 3. 3 4. 4. 5. 6. 7. 7 8. 車載多功能顯示儀（MFD） 李躍鵬，黃繼敏 北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（100083） 摘要：本文在以 Motorola DSP56805為核心的基礎(chǔ)上，通過對(duì) GP接收機(jī)、GSMl訊模塊以及 液晶顯示屏（LCD的控制實(shí)現(xiàn)了集成各種儀表以及電子地圖、 GPS導(dǎo)航定位、無(wú)線通訊的車 載

3、信息終端設(shè)備，該設(shè)備可為汽車駕駛員提供完整全面的車輛運(yùn)行和定位信息, 使駕駛更加 輕松方便安全。 1引言: 目前，交通擁堵是世界各國(guó)遇到的普遍難題，單純?cè)黾拥缆坊A(chǔ)設(shè)施已不能完全解決交 通運(yùn)輸緊張的狀況，特別是在土地資源更加有限的城市內(nèi)部。為了解決車和路之間的矛盾, 需要將現(xiàn)代電子信息技術(shù)引入交通運(yùn)輸系統(tǒng)，因此智能運(yùn)輸系統(tǒng) ITS (Intelligent Transport System ）應(yīng)運(yùn)而生。ITS是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，當(dāng)前正處于開發(fā)試驗(yàn)階段，目前 我國(guó)ITS的研究重點(diǎn)是：先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)、先進(jìn)的交通信息服務(wù)系統(tǒng)、先進(jìn)的公共交通 系統(tǒng)和先進(jìn)的車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)。集衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無(wú)線通訊

4、系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)為一體的 車載信息裝置是車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它是 ITS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息服務(wù) 的硬件平臺(tái)。 發(fā)展ITS技術(shù)的目的，在于減少交通擁擠和提高整個(gè)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的效率，為駕駛員提 供良好的信息服務(wù)和安全舒適的駕駛環(huán)境。車載信息裝置將全球定位系統(tǒng)（ GPS和地理信 息系統(tǒng)（GIS）進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)時(shí)提供車輛的空間位置，在線提供車輛及其周邊運(yùn)行 環(huán)境的語(yǔ)義或非語(yǔ)義信息， 綜合處理多種來源的時(shí)空數(shù)據(jù)。將該裝置集成在車輛等交通工具 上，不僅可以實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航，而且還可以實(shí)現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程指揮、交通安全和事故處 理。車載信息裝置不僅可以使交通管理部門實(shí)時(shí)了解單個(gè)車輛的位

5、置和運(yùn)營(yíng)狀態(tài), 而且結(jié)合 地理信息系統(tǒng)可以使交通管理部門實(shí)時(shí)掌握整個(gè)區(qū)域甚至整個(gè)城市的交通暢通狀況, 從而制 訂出合理的交通指揮方案。另外，車載信息裝置可以為出行者提供各種交通信息服務(wù), 可以 改變現(xiàn)在的“盲目”駕駛情況，使出行者可以了解從車輛當(dāng)前位置到目的地的全部交通狀況 和變化趨勢(shì)，這等于給車輛又裝上了一個(gè)“千里眼” 。通過附加信息服務(wù)，出行者還可以利 用旅途時(shí)間進(jìn)行各種信息交流和商務(wù)活動(dòng)，充分享受信息社會(huì)帶來的便利條件。 2車輛監(jiān)控系統(tǒng)概述: 車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)作為ITS的一部分，其主要功能是對(duì)移動(dòng)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位跟蹤，并 實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的調(diào)度指揮。該系統(tǒng)由車載設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)、指揮調(diào)度中心三部

6、分組成，車載設(shè) 備通過接收到的GPS言息，解算出車輛當(dāng)前的經(jīng)度、緯度、速度、航向和其他信息 （時(shí)間、狀 態(tài)）等，然后通過移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳送至指揮調(diào)度中心，指揮調(diào)度中心在接到車輛上傳的信息 后，根據(jù)車輛的當(dāng)前狀況科學(xué)的進(jìn)行調(diào)度和管理從而提高運(yùn)營(yíng)效率。 車輛是具有高度機(jī)動(dòng)性的移動(dòng)目標(biāo)，而獲得車輛當(dāng)前位置及其它狀態(tài)信息，并向其發(fā)送調(diào)度 指令是車輛監(jiān)控的基本要求，因此車輛監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)必須借助移動(dòng)通信技術(shù)與車輛定位技 術(shù)。 2.1 GPS定位技術(shù) 當(dāng)今世界上應(yīng)用較為普遍的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS有3種，它們分別是美國(guó)的GPS俄羅 斯的GLONAS與海事衛(wèi)星系統(tǒng)，其中以GPS!為成熟，支持廠商最多，是世界上

7、應(yīng)用最廣的定 位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分布在軌道上的 24顆導(dǎo)航衛(wèi)星向全世界發(fā)送定位信息，地面上的任意一 點(diǎn)在能夠同時(shí)接收到4顆衛(wèi)星信息的條件下，就可以進(jìn)行自身定位。采用GPS!位具有精度高、 全天候、不受地域限制等等優(yōu)點(diǎn)， 在定位精度、靈活性、使用成本等諸多方面與目前其他定 位技術(shù)相比具有較大的優(yōu)勢(shì)。 2.2移動(dòng)通信平臺(tái)選擇 目前主要的移動(dòng)通信手段有公用 GSI通信平臺(tái)、模擬集群、數(shù)字集群、 GPRS CDM等。 國(guó)家公眾GSM!信網(wǎng)具有覆蓋廣、數(shù)據(jù)通信質(zhì)量可靠、系統(tǒng)規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)。作為基于國(guó)家公 用GSMl信平臺(tái)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)，目前其技術(shù)手段最為可靠，也是目前技術(shù)手段最先進(jìn)的監(jiān) 控系統(tǒng)。因此現(xiàn)階段

8、通常采用 GSI作為車輛監(jiān)控系統(tǒng)的通信手段。 2.3 GSM短消息工作原理 短消息業(yè)務(wù)屬于GS系統(tǒng)的增值服務(wù)，短消息的工作過程大致如下，短消息的發(fā)送方將 編輯完畢的短消息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)成功接收后，向發(fā)送端下傳成功信息；網(wǎng)絡(luò)從短消息 中的目標(biāo)號(hào)碼查找接收端信息，然后向接收端發(fā)送，當(dāng)接收端正確接收后, 向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送成功 信號(hào)。在接收端未上傳成功信號(hào)情況下，網(wǎng)絡(luò)將該端消息進(jìn)行保存排隊(duì)，以備后續(xù)重新發(fā)送。 顯然短消息的方式很適于應(yīng)用在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中, 首先車輛監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量不大, 目前短消息的數(shù)據(jù)容量足以滿足 般情況下只需傳輸車輛的定位數(shù)據(jù)及相應(yīng)的控制調(diào)度指令, 要求；其次，短消息的數(shù)據(jù)通信質(zhì)

9、量可以得到保證，由于采用公用移動(dòng)網(wǎng)， 所以無(wú)需額外考 慮誤碼率問題，減少了工作量。 3系統(tǒng)概述 車載信息裝置是一個(gè)集衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)為一體的車載信息 平臺(tái)，它通過接收到的GPSI息解算出車輛當(dāng)前的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后與存儲(chǔ)在設(shè)備中的電 子地圖進(jìn)行地圖匹配， 并將匹配結(jié)果顯示在液晶顯示屏上，從而實(shí)現(xiàn)車輛的定位操作。 該設(shè) 備同時(shí)還集成了用于無(wú)線通訊的 GSMI塊，通過該模塊車輛不但可以接收來自指揮調(diào)度中心 下達(dá)的各種指令，也可以實(shí)時(shí)向中心上傳自身的狀態(tài)信息， 為指揮調(diào)度中心對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)控提供了可靠的通訊手段。具體而言該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)一下功能: 電子地圖：通過網(wǎng)上下載汽

10、車所在城市電子地圖，顯示在液晶（ LCD顯示屏上; 汽車監(jiān)控（報(bào)警服務(wù)）：因?yàn)檠b備GPS（全球定位系統(tǒng)）模塊，所以可以獲取當(dāng)前車輛運(yùn) 行位置（經(jīng)緯度）即可以顯示在車載顯示設(shè)備（LCD）也可以通過無(wú)線通訊模塊（ GSM發(fā)送 到預(yù)定監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)汽車的實(shí)施監(jiān)控和防盜、報(bào)警等服務(wù); 儀表集成顯示（LCD）:提供汽車傳統(tǒng)儀表的數(shù)字節(jié)口，可以將傳統(tǒng)的儀表， 例如里程儀、 速度表、油量計(jì)等的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏（LCD），這樣可以減少儀表占用空間也可以 提高可操作性; 車載免提電話：提供車載免提電話， 在保證正常語(yǔ)音通話的情況下, 盡量保證司機(jī)的專 心駕駛。使得司機(jī)在無(wú)需任何操作的情況下便可以實(shí)現(xiàn)電話接

11、聽。 4系統(tǒng)硬件 該裝置系統(tǒng)硬件總體而言大致可以分為顯示交互模塊和車輛定位通訊模塊, 顯示交互模 塊主要負(fù)責(zé)地圖和車輛儀表的顯示、以及接收來自車輛駕駛員的各種操作。 它包括以下幾個(gè) 部分：觸摸屏控制模塊、地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、液晶顯示屏（ LCD顯示模塊。車輛定位通訊 模塊主要負(fù)責(zé)車輛的實(shí)時(shí)定位和通訊，它包括: GPS接攵機(jī)（Motorola M12 GPS接收板）控 制模塊、GSI手機(jī)Module （ Motorola D10 ）控制模塊、電話手柄控制模塊。由于本系統(tǒng)硬件 Motorola DSP 56F805 復(fù)雜、要控制和管理的外設(shè)較多，單個(gè)DSP芯片的系統(tǒng)資源有限，經(jīng)過思考決定采用兩片單

12、片機(jī)分別管理顯示交互模塊和車輛定位通訊模塊，顯示交互模塊采用 芯片，車輛定位通訊模塊采用 ATMEL 89C51芯片。兩單片機(jī)之間通過串行口進(jìn)行通訊。具體 的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示: -A 1M Exp anded 8 Channels Analog 16M Exp anded ADD NT ADD Bus A J , 押 J Data DSP56F805 TV GP S-Motorola Uart2 32K basement Lzt rZ 川 N J=J GPIO / ATMEL 89C51 、 Uart1 GSM-Motorola 32K basement 1、 7Z zl GPIO A

13、udio system Color LCD Z1 Z Z1 VJ Key board Module z. Out put Switch A 1/ Power Supp ly Module 圖1.硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 4.1車輛定位通訊模塊 a. GPS控制電路 本裝置采用的GPS收機(jī)為 Motorola M12，該接收機(jī)有一組串行輸入輸出接口，串 行輸入口用于接收來自單片機(jī)的初始化指令, 在初始化完成后，該接收機(jī)將每隔一 秒鐘通過輸出口串行發(fā)送 GPS1位信息。由于51單片機(jī)的串口資源有限，我們采用 16C550芯片對(duì)單片得串口進(jìn)行了擴(kuò)展。原理圖如下。 b. GSI控制電路 Motorola D1

14、0手機(jī)模塊是摩托羅拉公司推出的基于GSM900網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的GS碉制解調(diào) 器，D10進(jìn)行無(wú)線通訊可分為上行（車載設(shè)備到調(diào)度中心）和下行（調(diào)度中心到車 載設(shè)備）兩個(gè)部分，對(duì)它的控制也主要集中在這兩個(gè)方面。 C. 電話手柄控制電路 電話手柄可以為駕駛員提供免提車載電話, 它即可以接收來自調(diào)度中心的語(yǔ)音信號(hào) 又可以傳送駕駛員及車內(nèi)的語(yǔ)音信號(hào)，通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)車輛與中心的語(yǔ)音通 訊。在車輛遭遇搶劫時(shí)， 駕駛員可向中心發(fā)送搶劫報(bào)警信息, 中心收到后可以打開 車內(nèi)的免提電話從而實(shí)現(xiàn)車內(nèi)的語(yǔ)音監(jiān)聽。 州 * N 1 ? d 1 r I r I n 寸 fl Z T O t i Q O QQQQgg A 7

15、JO TIIIDW ； TKPID 12 14 31 I(SCi01-EH 17 DJ D6 D7 ECLK EIH NC EOUT CSO csi H Vtc33 5 y 5 VfccjS M12 IHTZEFACE 圖2.G PS控制電路原理圖 匹3) 甌0) aUT2 KC IHTR SSELY 曲0 JU AJ U3 so Al 29帖 圖3.D10和手柄控制原理圖 4.2顯示交互模塊 a. 觸摸屏控制模塊 DSP芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì) 該模塊接收到車輛駕駛員的操作后，根據(jù)協(xié)議將該操作轉(zhuǎn)換成特定的操作指令如: 地圖的放大、縮小、拖放、界面切換以及信息查詢等。然后通知 LCD液晶顯示屏的控制。 b

16、. 地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 該模塊存儲(chǔ)從網(wǎng)上下載的汽車所在城市的電子地圖數(shù)據(jù)（其中包括地圖的顏色信 息），DSP芯片根據(jù)這些特定的數(shù)據(jù)格式生成電子地圖后并將其顯示在液晶顯示屏 上。 C. LCD!示模塊 液晶顯示模塊顯示的內(nèi)容包括：車輛所在城市的電子地圖、車輛的位置顯示、 車輛 儀表的顯示、同時(shí)該模塊還能根據(jù)駕駛員的不同指令實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的轉(zhuǎn)換, 從而完 成與駕駛員之間的信息交互。 5系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件部分根據(jù)其功能分為：信息采集、處理模塊和顯示交互模塊。這兩個(gè)模塊功能 是想對(duì)獨(dú)立的，兩個(gè)模塊之間又有數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠?。具體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)參見軟件流程圖。 5.1數(shù)據(jù)采集、處理模塊: 該模塊管理各種外圍硬件設(shè)備

17、，主要包括GP（ Global Position System 全球定位系統(tǒng)） 接收板、GSM（ Global System for Mobile Com mun ication 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）無(wú)線 Modem （Modulator Demodulator調(diào)制解調(diào)器）。 整個(gè)模塊根據(jù)功能劃分為硬件驅(qū)動(dòng)層、設(shè)備管理層、功能協(xié)議層三個(gè)基本層次。其中: 1. 硬件驅(qū)動(dòng)層用于直接驅(qū)動(dòng)中央控制板上的各種硬件資源，包括，串口擴(kuò)展、并 口擴(kuò)展、鍵盤掃描和單片機(jī)資源等等。硬件驅(qū)動(dòng)層的作用在于隱藏系統(tǒng)的硬件 細(xì)節(jié)，向上層模塊提供對(duì)硬件操作的軟件接口。 2. 設(shè)備管理層用于管理車輛子系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備，包括GP

18、S收板、GSMn線mode n等等。隱藏這些控制方法等等技術(shù)細(xì)節(jié)，對(duì)上層模塊提供實(shí)現(xiàn)設(shè)備各種功能的 軟件接口。比如對(duì)GSI無(wú)線moder進(jìn)行管理的moder控制模塊包含了實(shí)現(xiàn)各個(gè) AT 指令（注：AT Comma nd的函數(shù)，上層模塊需要時(shí)直接調(diào)用即可而不必知道該A 3. T指令的具體格式是什么樣的。本層的模塊對(duì)硬件的操作是通過調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)層 的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。 功能協(xié)議層控制整個(gè)程序的流程，實(shí)現(xiàn)車輛子系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，并按照通信協(xié) 議的要求對(duì)無(wú)線通信進(jìn)行全程控制。該層對(duì)modem等設(shè)備的操作是通過調(diào)用設(shè)備 管理層的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。 不難看出，這樣的分層結(jié)構(gòu)具有非常明顯的好處，首先，各層功能任務(wù)明確，

19、使得編程 調(diào)試過程相對(duì)簡(jiǎn)化；其次，上層模塊通過調(diào)用底層模塊實(shí)現(xiàn)具體功能, 比如設(shè)備管理層和功 能協(xié)議層的函數(shù)都不直接操作硬件，使程序的可靠性大為提高；第三，程序的可移植性得到 增強(qiáng)，比如，要在新設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)同樣的功能, 只要改動(dòng)程序的硬件驅(qū)動(dòng)層部分就 可以了。 該模塊程序較為復(fù)雜，這里只給出主函數(shù)的流程圖，如圖 4所示。 5.2顯示交互模塊 該模塊的主要功能如下 1. 接收車輛子系統(tǒng)中央控制板傳來的車輛位置信息，并將車輛當(dāng)前的位置顯示在 電子地圖上。 2. 接受操作人員的控制改變電子地圖的比例尺、顯示區(qū)域等參數(shù)。 3. 接收中央控制板傳來的監(jiān)控中心文字信息，并將文字消息顯示在 LCDh

20、o 4. LCD (Liquid Crystal Dis play 液晶顯示屏）顯示的主畫面如圖5所示。（注：圖 中所示為北京市市區(qū)地圖） 該模塊的軟件設(shè)計(jì)仍然采用了分層設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想, 仍分為硬件驅(qū)動(dòng)層、設(shè)備控制層和 功能協(xié)議層。 用于接收觸摸屏信息 其中，設(shè)備控制層包含了用于和中央控制板通信的擴(kuò)展接口模塊, 的觸摸屏管理模塊，以及用于控制 LCD!示的LCDS制模塊。 程序進(jìn)入一個(gè)消 軟件中需要 功能協(xié)議層基本上是軟件的主函數(shù)，在執(zhí)行完各種系統(tǒng)初始化操作后, 息循環(huán)。這些消息通過設(shè)備管理層的某些模塊將特定的標(biāo)志變量賦值進(jìn)行傳遞。 處理的消息如表1所示。 圖6給出了顯示交互模塊的軟件流程，圖中只繪出了主函數(shù)的流程。 廠開始 J 初始化系統(tǒng)和程序 變量