基于嵌入式计算机的车载多功能信息系统的研究
汽车仪表的发展经历了4个阶段，现在已经发展到了步进电动机式全数字汽车仪表，但是仍然采用机械式或电子式实物仪表、指示器和信号装置，会出现机械或电气故障，准确性和工作可靠性不高，功能比较单一，因此其性能有待进一步提高。笔者开发的车载多功能信息系统，是在嵌入式计算：机的基础上，综合运用了虚拟技术、数字技术和信息技术，集成了汽车仪表和提供多种信息的功能，车辆将成为全数字化的移动办公场所。
1车载多功能信息系统的构成
车载多功能信息系统由嵌入式计算机、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序4部分组成。外围硬件设备主要由液晶显示器、触摸屏、数字I/O数据采集卡、车轮转速传感器、蓄电池监测系统、摄像头、电视卡、GPS接收器、无线上网卡等组成。
系统集成了基于虚拟技术和数字技术的汽车组合仪表和提供其他多种信息的功能。具备虚拟仪表、电子后视镜、故障监测、运行记录、GPS车载定位、多媒体影音、上网通讯、IP电话、移动办公等多种功能。功能界面如图1所示。其中虚拟仪表能够提供车速、里程、照明与信号指示灯、报警信号指示、蓄电池工作状态等信息；电子后视镜能够在倒车时通过液晶显示屏显示后方情况，安全可靠；通过故障监控系统能够实时显示车辆上出现的各种故障；在车载计算机上能够记录车辆运行的各种信息，更加方便、快捷地了解车辆的情况；GPS车载定位系统通过GPRS车载终端，拥有即时定位、自主导航、最佳行车路径计算等功能；通过液晶显示屏和高保真的车载音箱，提供专业级的视听效果，支持各种视频和音频播放文件，而且具备无线电视、调频收音机的功能；通过CDMA1X信号、能随时随地上网，实现E-mail、FTP、网上聊天、浏览信息、移动办公、电子商务等功能。
2车载多功能信息系统的硬件结构
系统硬件的选用和组合原则为：充分考虑各硬件的兼容性和性价比；充分考虑系统的电磁兼容性，保证系统能够在比较恶劣的电磁环境下正常工作；满足系统的基本功能要求，并充分考虑系统的可扩展性和精简性，预留若干可扩展接口。图2为硬件系统的结构框图。包括车载计算机、液晶显示器、触摸屏、数字I/O数据采集卡、车轮转速传感器、蓄电池监测系统、摄像头、电视卡、GPS接收器、无线上网卡等部分。
2.1嵌入式车载计算机
嵌入式车载计算：机作为系统的计算单元，对整体性能有着至关重：要的影响。对于车载多功能信息系统，不仅图像显示的速度要快，而且要有大量的数据存储空间进行轨迹数据存储以便回放。对嵌入式车载计算机主要有以下几个要求：①强大的CPU处理运算能力；②强大的数据存储能力；③强大的显示能力；④能提供多个串口和一个AUDIO口，能支持TFT真彩的LCD；⑤硬件单板机的体积小；⑥具有较大的兼容性和扩展性；⑦具有高性能、低功耗、小尺寸、完全PC兼容、易于升级等特点；⑧安装方式要充分考虑抗震动的恶劣环境应用要求。
2.2触摸屏
触摸屏起鼠标作用，它通过测量触摸点在触摸屏上的位置，确定光标在液晶显示器屏幕上的位置。驾驶员通过在触摸屏上点击，就可方便地操作车载计算机。触摸屏固定在液晶显示器屏幕上，通过串口与车载计算机相连。
2.3数字I/O数据采集卡
数字I/O数据采集卡提供数字I/O功能。它通过PCI插槽与车载计算机相连。它采集的纯电动汽车信号包括：各照明与信号指示灯开关（左转向灯、右转向灯、远光灯、近光灯、侧灯、前雾灯、驻车灯、倒车灯、风窗玻璃刮水器指示灯）、各报警信号指示灯开关（制动系统故障灯、车门未关好指示灯、安全带未扣紧指示灯、危险报警灯）、电机故障和电机档位信号。
2.4蓄电池监测系统
采用与车载蓄电池（如镍氢蓄电池）相配的蓄电池监测系统，它用于监测蓄电池的荷电状态SOC（State Of Charge）、温度、电压和电流。它通过串口与车载计算机相连。
2.5摄像头
摄像头起后视镜的作用，它利用电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Devices）图像传感器将光信号转换为电信号，然后通过AV端子将电信号输入电视卡，电视卡再通过相应的软件将摄像头所拍摄的影像实时再现在液晶显示器屏幕上。
2.6电视卡
电视卡可接收无线电视信号、AV端子信号、S端子信号和调频广播信号，它通过相应的视频和音频软件可播放无线电视、摄像头所拍摄的影像和调频广播。它通过PCI插槽与车载计算机相连。
2.7车轮转速传感器
车轮转速传感器测量车轮角速度，送入嵌入式车载计算机计算车速。
2.8 GPS接收器
GPS接收器接收全球定位系统GPS（Global Position System）发送的汽车定位信号，然后通过地图匹配技术将汽车定位点描绘在电子地图上。它通过USB接口与车载计算机相连。
2.9无线上网卡
无线上网卡（CDMA Modem）通过USB接口与车载计算：机相连，使车载计算机通过CDMA1X网络与Internet相连。
3车载多功能信息系统的软件结构
3.1系统软件的组成
软件系统主要由操作系统、硬件驱动程序和应用软件3部分组成。由于嵌入式系统具有较强的运算处理能力，可以方便地运行嵌入式操作系统，所以选择uClinux作为软件运行的平台。uClinux是针对无MMU的处理器而设计的，它支持多任务，具有完备的TCP/IP协议，在嵌入式领域有广泛的应用。
3.2车载多功能信息系统软件
车载多功能信息系统软件的开发采用NI（National Instrument）公司的LabVIEW，它提供虚拟仪器的图形化软件开发环境。该软件按照结构化、模块化和通用化的程序设计原则进行程序结构设计，自顶向下逐步细化，直至编码，通过编程，可使该软件调用其它应用软件。
如图3所示，车载多功能信息系统应用软件的结构可分为主控模块、事件捕获模块、事件处理模块和数据存储模块。主控模块主要控制和协调程序中其它模块的运行。事件捕获模块主要监视、识别并报告外部或内部事件的发生，然后通知主控模块，主控模块再激活事件处理模块中的相应线程，从而响应外部或内部事件。
事件处理模块是该应用软件功能实现的主体，它由若干松散耦合在一起的功能子模块组成，功能子模块中包括对其它应用程序的调用。它在外部或内部事件的触发下执行特定的子模块，实现一定的功能。
数据存储模块主要用于存储一些重要的运行数据（如车速、里程、行驶轨迹等）和故障报警记录，以便于进行事后统计分析、故障分析和诊断。
实时多任务系统为应用软件提供一个对现实世界的多重，离散事件的控制和响应的机制。每个任务有独立的线程，任务之间独立运行又相互协调。在应用软件的设计过程中，应避免由于系统资源的使用不恰当或程序结构设计不合理而出现系统效率低下、共享冲突、任务，终止或系统死机等问题，保证系统实时、高效、可靠地工作。
4结论
开发的车载多功能信息系统安装到由武汉理工大学汽车工程学院全新自主开发的Aspire概念车上进行实车测试。Aspire概念车是由笔者领导的项目组设计、制作开发的纯电动概念车，拥有全部的知识产权，该车还参加了第四届北京国际清洁能源汽车展。这套系统的测试主要分为功能性试验、可靠性试验和显示数据误差试验。功能性试验主要是验证此信息系统在行车过程中设计的各项功能的完备性；可靠性试验主要考察系统在实车上的稳定性；显示数据误差试验主要通过比较此系统所显示的各项数据同相关仪器的测量数据，验证显示数据是否具备足够的精度。经过多次的实车测试，证明此系统安全可靠，显示数据在精度上完全能满足行车需要。
因此，笔者认为这种基于嵌入式计算机的车载信息系统集成度高，功能丰富，开发周期短，相对传统的车载设备成本上有很大优势，发展前景非常广阔。
