硕士学位论文车载多功能数字仪表系统的研究与应用.docx
《硕士学位论文车载多功能数字仪表系统的研究与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硕士学位论文车载多功能数字仪表系统的研究与应用.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
硕士学位论文车载多功能数字仪表系统的研究与应用
北京科技大学
硕士学位研究生
选题报告及文献综述
论文题目：
车载多功能数字仪表系统的研究与应用
指导教师：
陈树新
单位：
土木与环境工程学院
学号：
S20080075
作者：
朱明来
专业名称：
_车辆工程
入学时间：
2008年9月
2009年11月23日
目录
1课题研究的背景、意义和目的1
1.1课题研究的背景1
1.2课题研究的意义1
1.3课题研究的目的1
2文献综述3
2.1相关技术手段的发展与应用3
2.1.1嵌入式系统概述3
2.1.2CAN体系结构7
2.2本领域以及相关领域所作的研究成果和应用12
2.3本专业往届研究生所做工作与结论13
3课题研究内容与方法15
3.1车载多功能数字仪表系统的功能需求分析15
3.2课题的主要研究内容16
3.3本课题确定的软硬件研究平台19
3.3.1嵌入式硬件设备选型19
3.3.2嵌入式软件选型19
3.3.3主控制器选型21
3.4技术路线、主要创新点和技术难点21
3.4.1技术路线21
3.4.2主要创新点22
3.4.3技术难点22
4进度安排24
参考文献25
1课题研究的背景、意义和目的
1.1课题研究的背景
在汽车电子化的发展中，汽车仪表也随着信息化，电子化的发展，从传统的机电式模拟仪表向电子化、数字化过渡。
目前，作为汽车电子系统的重要信息终端，多功能数字化仪表已经在高端乘用车上有了初步应用，其良好的人机操纵界面显示出了巨大的优势[1]。
目前，国内外针对大型矿用卡车的数字化仪表应用的很少，或是只有简单的显示作用。
多功能数字仪表系统可以为驾驶员提供一个良好人性化的仪表显示环境，并对车辆运行进行科学有效的管理提供技术依据。
1.2课题研究的意义
传统的组合仪表只能显示车辆基本的运行参数，无法对这些参数进一步的监视以判断汽车的运行状态，也不能纪录和储存车辆的运行数据，一旦出现交通事故也无法科学的反映出责任方。
60吨铰接式电动卡车就目前来讲，本车将全部使用完全的电气化方案设计，依靠CAN总线进行数据传输，提高数据的传输效率和稳定性。
同时，汽车仪表是驾驶员与车辆进行信息交流的重要接口和界面，对车辆的安全和经济运行起着重要的作用，多功能数字仪表系统采用嵌入式微处理器，相对传统仪表运行更稳定，而且具有外型美观，结构简洁，设计自由度高，体积小，实时性好，反应灵敏，显示清晰直观，数据存储，信息量大，功能可升级扩展等优点。
1.3课题研究的目的
本课题的目的是建立车载多功能仪表系统，大型矿用卡车司机提供一个人性化的仪表操作平台，同时监控车辆电气系统系统运行参数和状态；自动显示故障报警，提示故障处理信息；查询和浏览故障记录，存储故障状态信息。
本系统采用基于PXA270处理器（Xscale架构）的PC/104工控机主板，处理速度快，本课题可获得以下的车载多功能仪表系统的关键技术和方法：
控制器的信号采集和干扰屏蔽技术；
基于CAN总线的数据传输技术方案；
基于嵌入式Linux的车载仪表显示和数据处理终端。
2文献综述
2.1相关技术手段的发展与应用
2.1.1嵌入式系统概述
（1）嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分[2]。
硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。
图2-1给出了典型的嵌入式硬件平台的组成。
图2-1嵌入式平台的硬件组成
软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。
有时设计人员把这两种软件组合在一起。
应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
（2）嵌入式系统的硬件
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
嵌入式微处理器一般具备以下4个特点[13]：
（1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
（2）具有功能很强的存储区保护功能。
这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储
区保护功能，同时也有利于软件诊断。
（3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
（4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mw甚至µw级。
ARMCAdvancedRISCMachines，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字[6][16]。
同时，ARM处理器具有诸多技术优势，在嵌入式的各领域应用中表现出色，采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：
（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；
（2）支持ThumbC16位/ARMC32位双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；
（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；
（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；
（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；
（6）指令长度固定。
（3）嵌入式系统的软件
嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。
操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。
操作系统有两个基本功能[18][19][20]：
使计算机硬件便于使用；高效组织和正确地使用计算机的资源。
操作系统有4个主要任务[24][25][26][27]：
进程管理、进程间通信与同步、内存管理和I/O资源管理。
在数字化仪表中，要求实时的显示和监控车辆的运行信息，实时性要求比较高。
实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。
实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其次才着眼于提高计算机的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定时间内做出正确的响应。
另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估计。
常见的嵌入式操作系统有：
Vxworks、Neculeus、WinCE,EmbeddedLinux,µC/OS和µC/OS-II、PalmOS、QNX、DeltaOS、HopenOS、pSOS等[35][36]。
嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。
用户的任务可能有时间和精度的要求。
有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下则不需要专门的操作系统。
（4）嵌入式Linux操作系统
按照Linux专家Garlan和Show提出的Linux操作系统分层方式，Linux的结构图如下图2-2所示[38][39]。
用户进程
系统调用接口
Linux内核
硬件控制器
图2-2Linux的结构图
从图中可以看到，Linux系统由4个主要的子系统组成：
（1）用户进程。
用户应用程序是运行在Linux操作系统最高层的一个庞大的软件集合。
当一个用户程序在操作系统之上运行时，它就是操作系统的一个进程。
（2）系统调用接口。
为了在应用程序中实现特定的任务，可以通过系统调用接口来调用内核中特定的过程，以实现特定的服务。
一般认为，这些调用和服务也是操作系统内核的一部分，内核的编程接口也属于这一部分。
系统调用本身也是若干条指令组成的过程，但与一般过程不同的是：
系统调用运行在内核模式，而一般的进程运行在用户模式。
（3）Linux内核。
内核是操作系统的灵魂，包括内核抽象和对硬件资源的间接访问，它负责管理磁盘上的文件、内存、负责启动系统并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等。
（4）硬件。
硬件包括了Linux安装时需要的所有可能的物理设备。
如CPU、内存、硬盘、网络硬件、LCD显示屏等。
上述这4个层次的关系表现为：
上层依赖下层。
每个子系统都只跟临近的层进行通信。
（5）嵌入式GUI概述
嵌入式图形用户接口GUII（GraphicalUserInterface）为嵌入式系统提供了一种人机交互接口，应用于特殊场合，其要求是占用资源小、直观、可靠并且反应快速，以适应嵌入式系统的硬件资源和内存空间有限的特点[9]。
由于嵌入式系统硬件本身的可裁减性与灵活性，嵌入式GUI还应具备高度可移植性与可裁减性，以适应不同的硬件条件和使用需求。
总体来讲，嵌入式图形界面GUI的选取应当具备以下特点[6][11]：
（1）软件总体体积小，运行时耗用系统CPU资源和内存资源小；
（2）底层接口与硬件无关，只与操作系统接口有关，从而具有高度的可移植；
（3）高可靠性，GUI本身应当是一个相当成熟并且经过实践检验合格的软件；
（4）在某些实时应用场合应当具备实时性。
一种嵌入式GUI系统，如果要求能够被移植到多种硬件平台上，应当至少能抽象出两类底层抽象层：
基于输入设备（如键盘，I/O输入等）的输入抽象层IAL（InputAbstractLayer），基于图形显示设备的图形抽象层GAL（GraphicAbstractLayer）[7][10]。
IAL层则需要实现对于各类不同输入设备的控制操作，为上层调用提供统一的调用接口；GAL层则完成系统对具体的显示硬件设备的操作，极大程度上屏蔽各种不同硬件的技术实现细节，为程序开发人员提供统一的图形编程接口。
IAL层与GAL层的设计概念，极大程度地提高了嵌入式GUI的可移植性。
一种典型的嵌入式系统GUI实现结构如图2-3[8]：
API编程接口
设备抽象层
嵌入式GUI
GAL层
系统硬件
IAL层
图形显示设备
输入设备
图2-3典型的嵌入式系统GUI实现结构
目前嵌入式Linux系统中应用比较成熟的，功能也比较强大的GUI系统底层支持库有Xwindow,Framebuffer,LibGGI,SVGAlib等[9]。
2.1.2CAN体系结构
（1）CAN总线简介
CAN，全称为”ControllerAreaNetwork”，即控制器局域网，最早由德国BOSCH公司提出，主要用于汽车内部测录与控制中心之间的数据通信[40][41]。
CAN是一种多主方式的串行通讯总线。
其特性可概括为：
报文的优先权；时间同步的多点接收；系统内数据的一致性；多主机；错误检测和错误标定；只要总线处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输；将节点的暂时性错误和水久性错误区分开来，并且可以自动关闭CAN的错误的节点。
CAN由于采用了新的技术和独特的设计，使该总线于一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，能有效支持分布式控制及实时控制[5]，并支持多主机方式，具有低层解决通信冲突的能力[3][4]。
（2）CAN总线技术规范
CAN总线遵循ISO/OSI的模型，以保证CAN器件之间的兼容性。
CAN被细分为以下不同的层次：
CAN对象层、CAN传输层、物理层。
对象层和传输层包括所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层的服务和功能。
对象层的作用范围包括：
查找被发送的报文；确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文；为应用层相关硬件提供接口。
传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。
位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。
物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。
图2-4AN节点的层结构。
应用层
对象层
◆保温滤波
◆报文和状态的处理
传输层
◆故障界定
◆报文检验
◆应答
◆仲裁
◆报文分帧
◆传输速率和定时
物理层
◆信号电平和位表示
◆传输媒体
图2-4CAN节点的层结构
CAN总线的报文传输由以下4个不同类型的帧所表示和控制：
数据帧：
数据帧携带数据从发送器到接收器。
远程帧：
总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。
错误帧：
任何单元检测到一个总线错误就发出错误帧。
过载帧：
过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。
（1）数据帧：
数据帧由7个不同的位场组成：
帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结尾。
数据场的长度可以为0。
CAN2.0A数据帧的组成如图2-5示：
帧间空间
数据场
帧间空间或超载帧
帧起始
仲裁场
控制场
数据场
CRC场
应答场
帧结束
图2-5CAN2.0A数据帧的组成
帧起始，它标志着数据帧或远程帧的起始，由一个单独的“显性”位组成。
只有在总线处于空闲状态时，才允许站开始发送，所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。
仲裁场包括识别符和远程发送请求位（RTR）。
识别符的长度为11位。
这些位的发送顺序是从ID-10到ID-0。
最低位是ID-0。
最高的7位（ID-10到ID-4）必须不能全是“隐性”。
RTR位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。
如图2-6.
帧起始
仲裁场
控制场
标识符
RTR位
图2-6仲裁场的组成
控制场由6个位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。
所发送的保留位必须为“显性”。
接收器接收所有由“显性”和“隐性”组合在一起的位。
数据长度代码指示了数据场中字节数量。
数据长度代码为4个位，在控制场里被发送。
数据字节允许数目为0~8。
如图2-7.
仲裁场
控制场
数据场或CRC场
R1
R0
DLC3
DLC2
DLC1
DLC0
图2-7控制场的组成
数据场由数据帧中的发送数据组成。
它可以为0~8个字节，每字节包含了8个位，首先发送最高有效位（MSB）。
CRC场包括CRC序列，其后是CRC界定符。
如图2-8所示。
CRC场
数据场或CRC场
CRC序列
CRC界定符
图2-8CRC场的组成
CRC序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数小于127的帧。
为实现CRC计算，被除的多项式系数由包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场在内的位给出，其15个最低位的系数为0，此多项式被发生器产生的多项式除（系数为模2运算），该多项式除法的余数即为发向总线的CRC序列。
CRC界定符必须为“1”。
CRC的位填充均由硬件实现。
应答场长度为2个位，包含应答间隙和应答界定符。
在应答场里，发送站发送两个“隐性”位。
当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙期间向发送器发送一“显性”的位以示应答。
应答间隙：
所有接收到匹配CRC序列的站会在应答间隙期间用一“显性”的位写入发送器的“隐性”位来作出回答。
应答界定符：
应答界定符是应答场的第二个位，并且是一个必须为“隐性”的位。
帧结尾由由7个“隐性”位组成。
每一个数据帧和远程帧均由这一标志序列界定。
（2）远程帧：
需要获得数据的节点可以借助发送一个远程帧来请求对应的节点发送数据给它。
远程帧由6个不同的位场组成:
帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧末尾。
与数据帧相反，远程帧的RTR位是“隐性”的。
它没有数据场，数据长度代码的数值是不受制约的，可以标注为容许范围里0~8的任何数值。
远程帧的组成如图2-9所示。
帧间空间
远程帧
帧间空间或超载帧
帧起始
仲裁场
控制场
数据场
CRC场
应答场
帧结束
图2-9远程帧的组成
（3）错误帧：
错误帧由两个不同的场组成。
第一个场用作为不同站提供的错误标志的叠加，第二个场是错误界定符。
错误帧的组成如图2-10所示。
数据帧
错误帧
帧间空间或起始帧
错误标志及错误叠加标志
错误界定符
图2-10错误帧的组成
有两种形式的错误标志，主动错误标志和被动错误标志。
主动错误标志由6个连续的“显性”位组成。
被动错误标志由6个连续的“隐性”的位组成。
检测到错误条件的“错误主动”的站通过发送主动错误标志，以指示错误。
错误标志的形式破坏了从帧起始到CRC界定符的位填充规则，或者破坏了应答场或帧末尾场的固定形式。
所有其他的站由此检测到错误条件并与此同时开始发送错误标志。
因此，“显性”位的序列导致一个结果，这个结果就是把各个单独站发送的不同的错误标志叠加在一起。
这个顺序的总长度最小为6个位，最大为12个位。
检测到错误条件的“错误被动”的站试图通过发送被动错误标志，以指示错误。
“错误被动”的站等待6个相同极性的连续位（这6个位处于被动错误标志的开始）。
当这6个相同的位被检测到时，被动错误标志的发送就完成了。
错误界定符包括8个“隐性”的位。
错误标志传送了以后，每一站就发送“隐性”的位并一直监视总线直到检测出一个“隐性”的位为止。
然后就开始发送7位以上的“隐性”位。
2.2本领域以及相关领域所作的研究成果和应用
早期的车辆仪表驱动是机械式的，显示使用指针，目前这种仪表已逐渐被电子化仪表所代。
这是由于机械式仪表一旦出现故障很难处理，另一个原因是由于汽车的电子控制机构和相关的临近项目不断增加，而采用数字化仪表，不仅可以改善驾驶员的目视性，而且有助于汽车仪表功能的多样化。
按汽车仪表在工作原理上的重大技术创新来分，可以划分为4个阶段。
第1阶段汽车仪表是基于机械作用力而工作的机械式仪表，人们习惯称这类仪表为机械机心表；第2阶段汽车仪表的工作原理基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换成电信号加以测量，通常称这类仪表为电气式仪表；第3阶段为模拟电路电子式；第4阶段为全数字汽车仪表[8][17]。
华中科技大学研发的汽车仪表信息系统，实现了仪表信息数字化、车内总线通讯与全车信息共享、整车统一调度、仪表数字机芯、可定制仪表板、基于全车信息的故障诊断几个方面。
仪表信息数字化是指通过A/D转换与I/O将仪表传感器及驾驶员操作指令数字化；通过总线（CAN总线、LIN总线等）获取全车运行数据并实现信息共享；汽车仪表信息系统在对整车数据统一管理与分析的基础上，对整车进行统一调度与管理；仪表数字机芯可二次开发以满足用户对仪表界面的偏好（如开发成指针式或数字式）；可定制仪表板则允许适当改变仪表板界面风格；故障诊断包括实时故障分析与应急处理，离线故障诊断，以及用于事故再现的汽车行驶记录等功能。
上海交通大学的柴油机混合动力系统的项目中，研发的真彩LCD数字仪表系统，在显示汽车原有信息的基础上，显示了混合动力特有的信息。
采用Freescale公司的MC9S12XDP512进行硬件设计。
该仪表系统具有仪表显示、故障诊断显示、车辆行驶参数记录与分析、数据保存与回放等功能,实现了汽车仪表的数字化与智能化。
济南新天宇汽车电器有限公司与武汉理工大学合作开发的中国重汽HOWO卡车车载组合仪表，选用德国Mireonas公司专用汽车仪表芯片CDC32O7G作为主控芯片，并在车载网络中引入控制器局域网（CAN）与本地互联网络（LIN）构建双网络结构。
其中SAEJ1939协议是高层CAN网络通信协议，能够有效地支持具有闭环控制功能的分布实时系统，主要用于为重型道路车辆ECU之间的通信提供标准的体系结构;LIN协议用于仅需要简单串行通信的ECU。
武汉理工大学印度实车开发项目中，以嵌入式ARM9SBC-2410X的开发板和以WindowsCE．NET为硬件和软件为开发环境构建嵌入式数字汽车仪表信息系统。
该系统以SBC-2410X芯片为核心，对汽车的各种信息状态，如电池电压、车速等参数进行采集、处理、显示和报警提示，驾驶员根据报警提示的结果进行相应的处理，以使汽车安全正常行驶。
德国已经在宝马X5和奔驰的部分高端轿车上应用了最新研发的数字仪表。
过去的汽车仪表多为模拟式、动圈式机芯（线圈连同指针一起转动）或动磁式机芯（磁钢连同指针一起转动）仪表，动圈式机芯仪表存在抗震性能差、过载能力弱、指针易抖动等缺点；而动磁式机芯（主要是十字交叉机芯）仪表虽比较先进，但也存在一致性、通用性差的缺点。
目前国内外针对车载仪表的有很多的方案设计，整体上处于一个由机电式仪表向数字仪表过渡的过程。
数字仪表的研究开发主要针对的是小型乘用车，而对于卡车等载重型车辆，已经开始了探索应用。
国外发达国家，已经开始在矿用卡车上应用先进的数字仪表技术。
而在国内，目前针对一些专用车辆，比如大型矿用卡车，还停留在旧式机电式仪表的层面，不但显示效果差，线路繁多，容易出现故障，而且没有车辆运行数据的记录功能等，设计一种有针对电动轮矿用卡车的数字仪表，对提高矿山的开采效率很有必要。
2.3本专业往届研究生所做工作与结论
在本专业中，往届研究生做的工作中，用到了与本课题相关的一些技术。
在《BELAZ130吨电动轮矿用自卸车的控制器升级改造》课题中，研究了基于车辆整体结构的电气系统的升级改造，用到了与本课题相关的一些技术手段。
如基于CAN2.0的通信协议的制定，数据的传输等。
在《基于嵌入式的车载信息终端的研究与设计》课题中，初步建立车辆信息终端，为矿山企业在节省能源消耗、提高车辆运输效率和改善生产调度等方面发挥积极的作用。
与本课题相关的技术手段有：
1.基于CAN的车辆信息采集处理技术；
2.基于嵌入式Linux的车载信息终端软件。
在《移动式通信控制终端设计与实现》课题中，初步建立移动式通信控制系统终端，为矿山车辆及设备的控制，检测，管理提供统一通用的无线通信平台。
通过不同设定方案，定义工作于多种模式，可以适用于多种矿山车辆及设备。
与本课题相关的技术手段有：
1．基于嵌入式Linux的相关技术手段；
2．人机交互界面设计方案的初步设计。
3课题研究内容与方法
3.1车载多功能数字仪表系统的功能需求分析
（1）模拟传统仪表的显示功能
作为车载仪表，该系统向驾驶员提供发动机转速、车速、温度、油位、里程等重要行车信息，以及驾驶员可以通过按键选择查看关心的数据信息。
并具有白天和黑夜两种显示模式。
（2）初始化、状态设定和整机检测功能
多功能液晶显示仪表具有开机自检和整机工作状况巡检功能，并给出整机工作状况指示。
能液晶显示仪表设有初始化参数（默认值），并可方便更改和输入。
多功能液晶显示仪表可实时给出故障告警和功能状况提示（模块故障、设备故障类型等）[21]。
（3）安全保护功能
要求在电源在过流、过压、欠压或偶然极性反接时具有自动保护功能。
在设备断开电源后，具有内部数据掉电保护功能[23]。
（4）运行数据信息记录功能
运行中，系统能够记录车辆的发动机、控制器等电气参数信息，包括各个分系统的电压、电流、励磁、逆变等重要数据。
（5）双路备份和冗余显示功能
在车辆运行中，出现其中一块液晶屏幕故障情况下，另外一块屏幕可以全部的显示行车必要数据，保证车辆的正常返回基地维修。
（6）其他功能
与PC机联机功能，方便的提取系统内部存储的数据。
预留以后系统升级的接口，可以定期升级系统的功能，满足客户的需求。
向驾驶员提供数字仪表的帮助信息，在进入某些不常用界面的时候，后续操作按照提示信息进行。
显示屏亮度可调功能，符合驾驶员自己的驾驶习惯。
仪表显示界面的多种风格功能，驾驶员可以选择自己喜欢和习惯的模拟仪表盘风格，更具有人性化。
基于以上数字仪表系统功能需求分析，本课题将在软硬件选型方面做以下考虑。
3.2课题的主要研究内容
本课题主要研究车载多功能数字仪表系统，在本系统中，包括以下几个方面的研究内容：
（1）学习嵌入式Linux操作系统的工作原理，熟悉各个模块的工作方式。
仪表系统采
升级会员 