（通信与信息系统专业论文）车载信息系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 车载信息系统是现代汽车电子重要组成之一。在科学技术进步和市场巨大需 求的背景下，车载电子设备已由最初的单纯的车载导航设备，正在快速地向可以 通过数据采集、信息处理和在数据通讯网络支持下通过连接各种信息交换中心及 互连网获取和应用各种信息，并集智能导航、车辆控制、通讯安防、综合娱乐等 多种用途的车载信息系统方向发展。 本文首先讨论了车载信息系统产生的背景，从发展的角度论证了未来车载信 息系统构建的意义，对未来社会对车载信息系统的功能需求进行分析，并以这些 功能需求为基础，提出了未来车载信息系统结构方案设计。本文深入讨论了车载 信息系统的几项关键技术：车载信息系统网络技术，车载无线通信技术，汽车嵌 入式技术。论证了这些技术对车载信息系统的重要性，探讨了技术的的发展趋势。 其中对车载信息系统网络技术和车载无线通讯技术的研究，主要是从发展的角度 对同类技术进行横向对比分析。如：车载信息系统网络技术中对m o s t ( m e d i a o r i e n t e ds y s t e m 8t r a n s p o r t ，媒体导向系统运送) 与i d b 1 3 9 4 的对比；无线通信技 术中对3 g 与m o b i l ew i m a x 的对比。给出了车载信息系统的网络结构和无线通信 设计方案。本文还对汽车嵌入式技术进行了的分析。 本文的最后设计车载信息系统的一个相对通用的开发平台：工作包括选择平 台结构和软硬件环境。在嵌入m i z il i n u x 的$ 3 c 2 4 1 0 平台上，完成了车载导航信 息处理，视频采集显示功能和设计人机交互界面设计。 关键词：车载信息系统；车载网络； 车载无线通信；汽车嵌入式技术 英文摘要 v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mr e s e a r c h a b s t r a c t v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mi so u eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h em o d e m a u t o m o b i l ee l e c t r o n b e c a u s eo f t h ed e v e l o p m e n to f t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e h u g em a r k e td e m a n d s ，i n - v e h i c l ee l e c t r o n i ce q u i p m e n tw h i c hw a st h es i n g l ei n - v e h i c l e n a v i g a t i o ne q u i p m e n t a tt h ev e r yb e g i n n i n gi sd e v e l o p i n gr a p i d l yi n t oam u l t i f u n c t i o n a l v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m t h i ss y s t e mc a na c q u i r ea n da p p l ya l lk i n d so fi n f o r m a t i o n t h r o u g hd a t ac o l l e c t i o n ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，a n dt h ec o n n e c t i o no fa l lk i n d so f i n f o r m a t i o ne x c h a n g i n gc e n t e ra n dt h en e tw i mt h es u p p o r to ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o n w e b b e s i d e s ，i ta l s oh a st h ef u n c t i o no fi n t e l l i g e n c en a v i g a t i o n , v e h i c l ec o n t r o l l i n g ， m e s s a g es a f e t yd e f e n d i n ga n dt h em u l t i - e n t e r t a i n m e n t t h i sp a p e r f i r s t l y i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o no ft h ev e h i c l e i n f o r m a t i o ns y s t e ma n dd e m o n s t r a t e st h es i g n i f i c a n c eo f t h ef u t u r ev e h i c l ei n f o r m a t i o n s y s t e md e s i g nf r o mt h ep o i n to f d e v e l o p i n g m e a n w h i l e ，i ta n a l y s e st h ed e m a n d sf o rt h e f u n c t i o n so ft h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e o nt h eb a s e so ft h e s en e w f u n c t i o n a ld e m a n d s ，ip u tf o r w a r dt h es t r u c t u r ed e s i g ns c h e m eo ft h e f u t u r ev e h i c l e i n f o r m a t i o ns y s t e m t h i st h e s i sd i s c u s s e saf e wt e c i m o l o g i e so f t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n s y s t e m , s u c h a sa u t o m o b i l en e t w o r k , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni l l v e l i c e la n dt h e a u t o m o b i l ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dt h e i rd e v e l o p i n gp o t e n t i a l t h e s et e c h n o l o g i e s a l s oh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n e e st ot h ev e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h ew a yo f t r a n s v e r s ec o m p a r i s o no ft h es a m ek i n dt e c h n o l o g y , im a i n l ya n a l y z et h ea u t o m o b i l e n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n - v e l i c e lo ft h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n s y s t e m ，a n dd e s i g nt h en e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h ew a yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no f t h e v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m f o re x a m p l e ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nm o s ta n d i d b - 1 3 9 4i nt h ea u t o m o b i l en e t w o r kt e c h n o l o g y , a n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e n3 ga n d m o b i l ew i m a xi nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r ea l lu s i n gt h ea b o v e d e s c r i b e dm e t h o d m o r e o v e r , ia l s oa n a l y z et h es t r u c t u r eo ft h ea u t o m o b i l ee m b e d d e d s y s t e m i nt h ee n d ，id e s i g nac o m p a r a t i v e l yu n i v e r s a ld e v e l o pp l a t f o r mf o rt h ev e h i c l e i n f o r m a t i o ns y s t e m ：c h o o s et h es t r u c t u r eo ft h ep l a t f o r ma n dt h ee n v i r o n m e n to ft h e h a r d w a r ea n ds o r w a r ef o rt h e s y s t e m t r a n s p l a n tm i z i l i n u xt o $ 3 c 2 4 1 0 英文摘要 m i c r o p r o c e s s o ra n dr e a l i z et h ep r o c e s so fn a v i g a t i o ni n f o r m a t i o n , v i d e oc a p t u r ea n d d i s p l a ya n dd e s i g no f i n t e r f a c eb e t w e e nm a n a n dm a c h i n e k e yw o r d s ：v e h i c l e i n f o r m a t i o n s y s t e m ；n e t w o r kl n - v e l i c e l ；w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni n - v e l i c e l ；a u t o m o b i l ee m b e d e d t e c h n o l o g y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：奎嚣信息丞统数硒究：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 敝储躲闪叶翮躲棚鹕 日期：妒7 年3 月哆e t 车载信息系统的研究 第1 章绪论 1 1 车载信息系统的研究背景 汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，是衡量现代汽车水平 的重要标志。改进汽车性能最重要的技术措施之一。汽车电子化被认为是汽车技 术发展进程中的一次革命，自2 0 世纪7 0 年代以来，电子技术开始在汽车上快速 发展和广泛应用。随着社会的发展，人类对汽车的性能，环保，能源，安全，舒 适，娱乐等方面提出了更高的要求。尤其是近几年各种排放性能、燃油经济性和 安全性能等法规的强制性要求，极大推动了电子技术在汽车领域的推广使用，使 汽车电子化程度不断提高，性能不断加强。作为汽车工业与电子工业的结合，汽 车电子产业得到了飞速发展。目前，西方发达国家的电子产品在轿车整车制造价 格中所占的份量已经达到了1 5 0 r - 2 0 ，预计到2 0 1 0 年将达到2 5 3 5 。汽车电 子技术不仅推动了汽车工业的发展，同时也极大地促迸了电子产品市场的发展。 现代汽车电子技术在改善汽车动力性、经济性、安全性、行驶稳定性和乘坐舒适 性等方面发挥着不可替代的作用【l 锕。 汽车电子化是智能交通领域研究的重要课题。在智能交通体系中，作为运输 主体的车辆是一个非常重要的组成部分。车辆是智能交通的主要调节目标，智能 交通最终实现的各项功能，都必须在汽车上由相应的技术设备的支持。智能交通 系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 是未来交通系统的发展方向，其是将先 进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有 效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作 用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统 4 1 。 智能交通系统由交通管理系统、公共交通运营系统、车辆控制系统、应急管 理系统以及交通信息服务系统等组成。在全球的智能交通发展中，美、欧、日等 发达国家i t s 正处于产业化形成和大规模应用阶段，均领先于中国的智能交通发 展水平。美国i t s 的研发主要采取自上而下模式，首先从i t s 体系结构入手，通 过体系结构研究，引出各子系统功能，然后逐步研发实施；日本采取官民协调体 制，民间起步，政府协调，拨款资助；欧洲为官方( 主要是欧盟) 和民间并行。对其 发展历程进行研究分析，可以看出，i t s 的发展，已不限于解决交通拥堵、交通事 第1 章绪论 故、交通污染等问题，也成为缓解能源短缺、培育新兴产业、增强国际竞争力、 提升国家安全的战略措施。 随着国家经济发展和社会进步，迅捷、高效的交通系统已成为社会经济发展 的有力保障。为逐步实现我国与经济快速增长相适应的交通运输体系，我国政府 已将智能交通系统作为中国未来交通发展的一个重要方向，并且在近年来的建设 中取得了重大成果。在国家“十一五”交通发展规划、北京承办2 0 0 8 年奥运会日渐 逼近的形势下，面对迅速发展的中国高速公路建设和城市改造与扩建，国家规定 了十一五期间智能交通的目标：以实际应用和服务出行者为重点。国家在加强交 通基础建设的同时，将积极应用通讯、信息和新材料技术改善中国交通运输系统 的管理和预警效果，积极探索运用新技术改变交通运输的组织和管理，智能交通 是其中一个重要方面。 在2 0 0 6 年1 2 月2 0 日第二届中国智能交通年会上，国家科技部提出国家在加 强交通基础建设的同时，将通过发展智能交通提升交通业的组织和管理能力，促 进交通运输安全、环保和效率的改善。智能交通系统( i t s ) 作为未来交通系统发展 的趋势之一，科技、公安、交通管理等相关部门将采取多种措施予以积极推动， 在继续加快基础设施建设的同时，已提出将i t s 作为我国未来交通运输领域发展 的重要方向和优先领域给予重点支持。 1 2 车载信息系统的现状和发展趋势 汽车电子系统的研究可以分为两大类；一是对汽车电子控制系统的研究，包 括动力总成控制、底盘和车身电子控制、舒适和防盗系统的研究等。二是车载信 息系统的研究，包括车载电脑、导航系统、汽车视听娱乐系统、车载通信系统的 研究等【5 1 。 当今世界上几乎所有的发达国家和相当一部分发展中国家都在开展汽车导航 及其应用的研究和产品开发。从目前以卫星导航技术为基础的产品开发与应用情 况上来看，车载导航系统( v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m ，v n s ) v n s 基本上可以分为两 大类；一类是以日本为代表的自主导航类。这类车载导航产品附带覆盖了日本全 国的电子地图，其包涵的内容非常丰富。在准3 g 无线通信网络支持下可使汽车驾 驶员在车上实现宽带上网，接收信息中心实时发布的城市道路信息，由v n s 根据 车载信息系统的研究 道路信息实时调整出满足预设条件的行驶路线，提示并供汽车驾驶员或乘客做出 选择，不仅可以减少路程花费时间，提高出行效率和降低能耗，还可以帮助交通 管理部门调整和疏导交通流量，提高社会资源的利用率。另一类是以欧美和中国 为代表的监控跟踪类。这类车载导航产品除车辆导航外，主要用于安全防范、车 辆管理、物流调度等。 近几年来，这两大类有合二为一的发展趋势，以进一步体现出卫星导航车载 终端的服务特征，同时也为增值服务提供必要基础条件。v n s 巨大的市场潜力和 不可估量的发展前景，使世界各国在大力研发v n s 的同时，也投入巨资加强了对 智能交通体系理论的研究和智能交通基础设施的建设。许多汽车生产厂家已将车 载导航产品列入了选装清单。可以相信在不久的将来，车载导航产品将会成为汽 车的标准配置之一。从车载导航系统发展上看，随着人们对汽车的安全，舒适， 多功能等特性要求的提高，单纯的车载导航设备已经逐渐退出市场。自动控制技 术，汽车电子技术，多媒体技术、互联网技术，无线通信等技术的引入，将使设 计系统化，功能多元化的车载信息系统( v e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，v l s ) 成为未来 车载设备发展的趋势 6 1 。在未来几年里，d s p 、数码i f 调谐器、数码多媒体定制 的电源系统，以及包括大量媒体处理的储存设备，将取代模拟讯号处理技术。车 载信息系统将整合语音辨识技术、无线通讯技术、卫星导航系统、远端信息处理， 以及数码广播与网际网络等连接技术。 目前，中国车载电子系统制造商已经具有一定经济规模，但和国外汽车电子 控制系统的产业化水平和研发能力上差距还很大。发展车载电子设备是迅速发展 中国汽车电子产业的重要方向之一。中国汽车市场的高速增长促成了中国车载娱 乐系统市场规模的成倍增长。采用车载计算机作为平台，将车载通信、导航、视 听娱乐、网络控制等集成为一体化车载信息系统是国内汽车电子领域市场发展趋 势，与汽车行驶安全和控制相关性不大的车载娱乐和导航信息系统、车身电子等 是我国汽车电子产品市场的主要发展方向【7 】。 以往的车载信息设备中，大多数是由各自独立的零部件或模块简单搭建而成， 在系统结构上既缺乏统一的设计，导致系统整体性能差，可配置性低，功能简单。 同时存在由于基本配置偏低而导致视听效果不佳等问题。因此也就随之产生了系 统的安全稳定性差、性价比偏低和系统升级困难等问题。 第1 章绪论 本课题通过对当前车载信息系统领域的研究和未来可能应用于该系统的技术 探讨，提出一个功能完善，整体性能高，灵活可伸缩的车载信息系统构建方案。 1 3 主要研究内容和方法 本课题主要研究内容和方法如下： ( 1 ) 分析车载信息系统的发展趋势，研究未来社会对车载信息系统的功能需 求。 ( 2 ) 根据未来社会对车载信息系统的功能需求，设计系统应有的组成部分，各 部分的功能和相互之间的关系。 ( 3 ) 车载信息系统的总体方案设计。 ( 4 ) 研究车载网络技术，无线通信技术和嵌入式技术在车载信息系统中的应 用，给出车载信息系统网络无线通信设计方案。 ( 5 ) 通过具体开发平台的构建，对如何具体实现车载信息系统嵌入式s o c 平台 进行研究。 1 4 研究成果 本文主要的研究成果如下： ( 1 ) 本文对通过车载信息系统的现状发展趋势进行了分析，给出了未来社会对 车载信息系统的八项主要功能。 ( 2 ) 本文设计了车载信息系统的各个组成部分，给出系统硬件软件结构方案。 ( 3 ) 本文通过对车载网络技术在车载信息系统中应用的深入分析，设计了系统 网络结构。 ( 4 ) 本文分析了未来m o b i l ew i m a x 和3 g 技术作为无线通讯手段使用于车载 信息系统中的可行性，提出将两者作为互补技术使用的方案。 ( 5 ) 本文具体设计了一个相对通用的车载信息系统嵌入式平台。在a r m 核处 理器中移植嵌入式操作系统和图形用户系统。在平台上完成导航信息处理，视频 采集显示，人机交互界面设计几项车载信息系统的基本功能。 4 - - 车载信息系统的研究 1 5 论文结构 论文共分为5 个章节，具体结构如下： 第1 章，分析课题研究的背景，发展状况和趋势，阐述了本文的研究内容和 方法，列举了本文的研究成果，给出了论文的结构。 第2 章，探讨未来社会对车载信息系统的功能需求，并得出系统组成部分及 相互关系，分析车载信息系统应具有结构，给出系统硬件软件结构方案设计。 第3 章，分析实现车载信息系统的几项关键技术一车载信息系统网络技术， 车载无线通信技术和汽车嵌入式技术。给出了车载信息系统网络结构方案及无线 通信方案设计。 第4 章，具体设计了一个相对通用的车载信息系统嵌入式开发平台。各小节 分别论述了车载信息系统的几项功能一导航信息处理，视频采集显示，人机交互 界面设计的实现。 第5 章，综合前面4 章的内容，给出本文的研究结论，分析课题研究中尚存 在的不足之处和改进方向。 第2 章车载信息系统总体方案设计 第2 章车载信息系统总体方案设计 2 1 系统功能需求分析 课题研究的车载信息系统，作为今后汽车信息化与智能化的高端配置，应满 足未来社会的几项功能需求。 ( 1 ) v i s 首先应该看作是智能交通领域的重要组成部分。一是由于v i s 应用了 数字技术，集成了卫星导航网、电信网、电视网和计算机网络4 网合一的空间物 理体系，因此v i s 可看作是集导航、通讯、广播电视和计算机于一体的4 机合一 的多系统平台；二是v i s 内建基于传感技术和多媒体技术的数据采集与处理系统， 具有多种信息自动采集和高速处理的能力；三是v i s 在这个体系的基础上，具有 通过多种通讯网络实时收发、处理和应用多种信息的能力，实现在移动状态下汽 车与交管信息中心的高速互联互通，实现信息应用与共享。 ( 2 ) v i s 应该看作是“数字城市”和“数字地球”应用的重要组成部分。“在人 类所接触到的信息中有8 0 与地理位置和空间分布有关”，随着“3 s 遥感技术( r s ) 、 地理信息系统技术( g i s ) 和全球定位系统技术( g p s ) 及其集成技术水平的不断提高， v i s 正在越来越深刻地影响着人们生活方式的改变和大力促进着社会经济的发展。 v i s 内建功能强大的地理信息系统( g l s ) g i 擎和具有多种属性特征的综合信息数据 库。在“3 s ”技术与可视化技术强有力的支撑下，v i s 能高质量地完成基于空间地 理对象的多种任务。 ( 3 ) v i s 应该能够实时处理数据采集单元采集的关于车辆状况的相关数据，显 示车辆状态，也可以实时接收由监控中心发出的控制指令，指挥驱动装置自动完 成对汽车的多种控制任务。如根据车内温度自动控制车载空调冷气和暖气的开与 关；在车速超过行驶道路限定的最高时速时，自动采取减速措施等。 ( 4 ) v i s 作为车辆行驶状况的“黑匣子”，可自动实时记录汽车生命周期内的车 辆使用及行驶状况数据，便于车辆及交通管理部门的量化管理与事后处理。如交 警部门可以根据肇事车辆事发前后的行车状态回放，利用v i s 帮助判断肇事的主 要责任方等。 ( 5 ) v l s 作为计算机网络终端，能够完成各种数据处理任务，并在无线数据通 讯系统得支持下，实现各种数据的网络传输。为今后开展网络的公共和增值服务 车载信息系统的研究 提供必要的基础条件。如高速公路自动缴费业务等。 ( 6 ) v i s 作为车辆监控系统的受体，在g i s 和高精度可视化界面的支持下，通 过无线通讯链路接受经过授权的监控中心的监测与多种遥控指令。在监控系统和 汽车电子控制系统的支持下，测控中心可实现对汽车的远程遥控任务。如用于安 防领域。 ( 7 ) v i s 车载多媒体单元，应具有功能强大的多媒体信息采集与播放功能。一 方面可以用来采集有用的多媒体信息，并通过无线数据通讯系统传向指定的信息 中心或管理部门；另一方面，可以用来播放各种音频视频，如v c d 、d v d 、r a p 3 、 t v 等，丰富汽车乘客的旅途生活；也可以通过无线数据通讯系统接收并播放信息 中心发布的信息【8 】。 2 2 系统功能设计 通过上述分析，本课题设计的车载信息系统主要功能包括( 如图2 1 所示) ：车 载导航和信息查询与播报的功能：多传感器安全监控功能；联动报警功能；车辆 行驶状态数据记录与回放功能( 黑匣子) ；车载移动通讯和互联网接入功能；多媒体 采集播放功能；专用网无线数据通讯功能；实时路况等公用信息的数据接收与处 理功能。 图2 。i v i s 功能框图 f i g 2 1t h ec h a r to f t h ef u n c t i o no f v i s 第2 章车载信息系统总体方案设计 2 3 系统组成 依据所设计的系统功能，该车载信息系统应由如下几部分组成： ( 1 ) 车载信息中心： 车载信息中心是车载信息系统的中枢，整个系统后台管理控制中心。它负责 各子模块信息的接收，处理，传递，管理，协调，显示，人机交互等。它在后台 对各子模块传递过来的信息进行分析判断，或转发。发出指令让对应子模块执行。 ( 2 ) 车载导航模块： 车载导航模块为用户提供及时准确的导航定位信息，同时它还将车载定位数 据传递给行车状态记录模块，作为行车信息之一记录保存。车载导航定位模块， 可以是多种导航模块的组合：g p s 定位模块，g a l i l e o 定位模块，惯性导航模块。 由于汽车行驶所面临的道路非常复杂，未来的智能交通为了使系统和驾驶员更多 的导航和路况信息，所以，车载导航模块还可能有支持车载信息系统接口的采集 及收发信息中心发布的导航和路况信息的专用无线导航模块。导航可以依据一定 的规则，判断哪种导航模块的数据更加准确，从而决定采用哪个模块信息或综合 各模块信息解算出车辆的地理位置等数据，并实时将这些数据通过通讯链路分别 传给车载无线通讯模块、行车状态记录模块和车载信息中心等。另一方面，就智 能交通而言，车载导航功能模块在技术层面上还必须具有足够的定位精度和较高 的视听要求。 ( 3 ) 车载无线通信模块； 车载无线通信模块包括无线公网模块，无线专网模块，车内无线网络模块。 无线公网模块与外界公共网络互连实现信息的交互，如无线因特网，移动通信网 络等。无线专网属于智能交通范围，是交管中心等车辆管理部门专用无线网络。 车内无线网络实现车内无线设备的互连。无线通信模块将获得信息传给车载信息 中心，由其根据信息内容做相应处理( 如是否进行语音提示，信息发布等) 。无线通 信模块还接收来自安全报警系统的报警信息，并将该信息及时的发送给相关部门。 ( 4 ) 安全报警模块： 接收车载信息中心信息，启动报警模块，传递报警信息到无线通信模块。报 警模式分为人工报警和自动报警两种模式。自动报警采用事件出发方式，车载信 车载信息系统的研究 息中心依据车辆的安全情况自动触发报警装置。人工报警是车内人员在特殊情况 下手动触发报警。此外，安全报警模块还包括身份密钥模块，进一步提供车辆安 全。 ( 5 ) 多媒体播放模块： 满足人们对汽车娱乐性，舒适性的要求，可进行t v ，d v d 等媒体的播放。 多媒体终端显示设备可以有多个，也可以在单一显示设备上实现多功能复用。 ( 6 ) 地理信息系统模块： 地理信息系统模块提供完善的地理空间数据为车辆行驶安全高效提供了良好 的保证。它包括g i s 引擎模块，空间信息数据库，地点其它附加属性库，和特殊 用户专用的地理属性数据库( 如军方) 。它通过多媒体终端设备显示，并将地理信息 传到语音识别模块。 ( 7 ) 语音识别模块： 语音识别模块能将入机交互方面的工作量减到最小，它被允许直接与数据库 进行交互。驾驶者能更迅速地获取信息。 ( 8 ) 数据采集模块： 通过传感器采集数据，使车载信息中心随时掌握车内状况以进行处理。如依 据温度情况调整汽车空调等。该系统还对车辆环境一定范围内的视频音频进行采 集，传给行车状态记录模块或相关部门。 ( 9 ) 行车状态记录模块： 记录车辆的行车状态的数据库，汽车行驶的“黑匣子”。主要负责接收和存储 车辆行驶状态的各种数据。 一9 一 第2 章车载信息系统总体方案设计 图2 2v i s 组成框图 f i g 2 2t h ee , o n s t i t u t eo f v i s 2 4 系统结构方案设计 系统的结构设计对系统所具有的功能有着直接影响。系统功能是否能正常发 挥，不但受着外部环境变化的影响，同时也会受到系统内部结构的制约。下面章 节将对系统应具有的软硬件结构进行分析设计。 2 4 1 车载信息系统的结构分析 传统的汽车电子具有较长产品寿命、更宽温度范围和较低的成本要求，车载 娱乐系统基本上也要满足这些要求。设计工程师不但需要设计长寿命的系统，并 且要能适应系统功能的快速发展。这些要求需要系统具备很强的灵活性，配置性 和高性能，这是以传统的特定应用标准产品( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t ， a s s p ) 为基础的系统架构所不能提供的。 到目前为止，虽然具有无线连接能力的d v d 播放器、移动电话、全球定位系 统、m p 3 播放器、大容量存储设备、因特网浏览器、语音识别和中央控制系统都 已存在，但所有这些功能的实现，都需要高性能的处理器支持。一个中央控制处 理器到底需要多少处理能力和哪些具体的特点取决于需要执行的任务种类和数 目。但是目前的处理器性能水平还很难独立实现未来车载信息系统所有功能要求。 一1 0 车载信息系统的研究 在很长一段时间内，这种高性能，满足未来车载信息系统所有功能的汽车微处理 器应用的可能性也很小。 可行的解决方案是采用高性能处理器和专用硬件相结合的方式。理想的信息 娱乐系统的专用硬件是那些既可以非常优化的完成任务，同时随着时间的推移有 足够的灵活性可以改变的硬件。 目前，主流的汽车微处理器是以性能极高的3 2 位甚至“位的r i s c 嵌入式处 理器。根据车载功能对实时性的要求，选择在r i s c 上面运行实时操作系统( r t o s ) 或软实时操作系统。r i s c 内核用作控制器使其功能更为通用。r i s c 内核可运行 操作系统、执行某种应用软件、监控系统调试情况，通常还会处理图形用户界面 ( o u d 。它还控制y o 块，例如u a r t 、u s b 内核和蓝牙内核，并处理所有内存管 理。r i s c 内核与协处理器结合，使其功能得到扩展。r t o s 为各种应用软件提供 良好的运行平台，并能满足系统对实时性的要求。将r i s c 核心以及嵌入式操作系 统集成在一起的s o c 平台策略，已成为许多车载设备的选择趋势。 在微处理器方面，随着集成电路设计制造工艺技术的提高，3 2 位处理器的成 本不断下降，性价比占有很大优势，因此3 2 位的嵌入式处理器得到越来越广泛的 应用。在3 2 位嵌入式处理器当中，采用a r m 体系结构的嵌入式处理器占有很大 的比例。 a r m 公司( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e sl i m i t e d ) i e 式成立于1 9 9 0 年，a r m 体系 结构的嵌入式处理器中央运算单元( c p u ) 模块由a r m 公司设计开发，并以知识产 权护形式授权各大芯片设计制造商使用其c p u 内核模块。a r m 体系结构的处理 器已在高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域占据领先地位，a r m 公司已发 展成为世界最大的嵌入式r i s c 处理器知识产权口供应商。a r m 公司将其设计开 发的c p ui p 授权给世界上许多领先的半导体系统厂商，目前世界前5 大半导体公 司全部使用了a r m 的技术授权，而前l o 大半导体公司中有9 家，前2 5 大半导体 公司中有2 3 家都采用了a r m 的技术授权，全世界有7 0 多家公司生产a r m 芯片。 基于a r m 技术的处理器已经占据了3 2 位r i s c 芯片7 5 的市场份额。最新的 a r m ll 的客户有t i ，q u a l c o m m 和l s i 。 a r m 处理器芯片采用r i s c 典型l d r s t r 指令体系结构，固定长3 2 位指令 和三地址指令格式，大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都在 第2 章车载信息系统总体方案设计 寄存器完成。a r m 体系结构v 4 t 及以上版本定义了1 6 位的指令集t h u m b ，使a r m 内核处理器能够很好的兼容1 6 位存储器扩展。t h u m b 指令集的扩充使得嵌入式系 统可在1 6 位的硬件成本下可得到3 2 位系统性能，能获得比通常的8 位1 6 位c i s g r i s c 控制器有更好的代码密度，是传统的3 2 位体系结构代码大小的一部分。例 如a r m 9 系列，代码密度提高了3 5 ，这意味着程序存储器可以更小，因而降低 了成本。 a r m 芯片具有l u s c 体系的一般特点，如： 一具有大量的寄存器； 绝大多数操作都在寄存器中进行，通过l o a d s t o r e 的体系结构在内存和寄 存器之间传递数据； 寻址方式简单； 一采用固定长度的指令格式。 除此之外，a r m 体系采用了一些特别的技术，在保证高性能的同时尽量减少 芯片体积，降低芯片的功耗，这些技术包括： - 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元处理和移位处理： 使用地址自动增加减少来优化程序中循环处理； _ l o a d s t o r e 指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率： _ 所有指令都可以根据前面指令执行结果，决定是否执行，以提高指令执行 的效率。 a r m 架构自诞生至今，已经发生了很大的演变，至今己开发出至少6 种不同 的版本：即a r m 7 系列、a r m 9 t d m t i m 、a r m 9 e t m 系列、a r m l 0 t m 系列、 a r m l l 系列以及最新的基于删v 7 架构的c o r t e x - a 8 内核。 a r m 还针对未来汽车市场推出了a r mc o r t e x - r 4 f 处理器，大幅降低未来汽 车电子技术的开发成本与设计时间。a r m 体系结构中通过未定义指令陷阱来实现 对协处理器的支持。每个协处理器具有专用的寄存器组，协处理器提供的功能作 为a r m 指令集的扩展。a r m 有专门的协处理器数据操作和传送指令嘲。本系统 选择a r m 系列处理器作为系统的主控制器。 车载信息系统的基本架构应能够支持显示器，通过图形化的人机界面实现人 与车之间的信息的交流。这些架构周边要求有高度标准化的微控制器、各种标准 车载信息系统的研究 接口以及支持低端图形处理的简单硬件加速器。这种架构能够以非常低的成本满 足汽车市场的中等级信息系统要求，也能扩展到高端应用以适合项级豪华汽车市 场要求，视频图像处理和通信是典型的顶级应用例子。支持这些应用的各种标准 包括视频的m p e g 2 、m p e g 4 和h 2 6 4 ，以及通信的g s m e d g e 、w c d m a 、 1 x e v d o 、卫星收音机、卫星电视、数字视频广播和w i f i ，w i m a x 等，这些标 准都依赖于不断发展的多种信号处理算法，这些算法需要特别高的可编程处理性 能。 目前有三种半导体技术可用于实现这些高度复杂的算法，这三种技术分别是 可编程数字信号处理器( d s p ) 、a s s p 和现场可编程门阵列( f p g a ) 。d s p 是一种高 性能可编程处理器，专门设计用于信号处理，d s p 处理器灵活性高、功耗低、性 价比也较高，但没有硬件加速功能，不能提供当今高级图像处理和无线通信算法 所需的计算能力；通常内含d s p 处理器的a s s p 能够为简单视频或通信标准提供 优化解决方案，但不能被编程以适应不同的标准；而f p g a 不仅具有很高的处理 性能，而且可编程，因此可以满足多种应用和标准要求。与其它二种技术不同， f p g a 的灵活性和性能可以满足所有潜在算法的要求。在图像处理中应用f p g a 协 处理后可以由单个f p g a 完成包含m p e g 2 、m p e g 4 和h 2 6 4 在内的多标准视频 编解码。该类型架构也可以应用于无线通信，它能通过单个f p g a 支持 g s m e d g e 、w c d m a 、l x e v d 0 中的数字处理以及8 0 2 1 6 标准。事实上，这里 可以使用与视频应用中相同的f p g a 。不用针对每个标准做专门的硬件设计，从而 成倍增加成本和电路板面积。系统通过硬件和软件开发工具设计和实现这些专用 功能。这些工具的输出是一种二进制映像文件，主处理器可以在系统运行期间将 这些二进制映像文件加载进f p g a 。可以创建各种不同的程序映像来支持汽车信息 通信系统中可能会用到的m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 4 、g s m e d g e 、w c d m a 、 l x e v d o 、g p s 、3 d 图形加速器或其它算法。根据用户在娱乐系统中的菜单选择， 特定应用程序可以由主处理器下载到f p g a 中，然后接受主处理器的控制。 f p g a 协处理器与主处理器紧密整合在一起，分担大部分算法处理任务，同时 保留标准编程接口于控制主处理器上。当算法的主要数据流驻留于f p g a 或相关 存储器上时，这种整合的运行效果最佳。算法是由来自于控制处理器的缓慢控制 信号控制。f p g a 协处理器通过直接存储器访i 司( d m a ) 接口与基于主处理器的系统 第2 章车载信息系统总体方案设计 整合在一起。运行于嵌入式主处理器上的软件层为每个协处理器提供一个应用接 口，每个协处理器都有一个初始化例程，可以通过正确的应用协处理器加载f p g a 。 在应用程序初始化后，软件就调用协处理器控制参数、时序和数据流进出协处理 器。根据具体的实现标准不同，在f p g a 协处理嚣和控制处理器之间可能会有高 等级的交互，也可能f p g a 协处理器完全独立工作。在这种情况下，控制处理器 只是简单地加载算法，然后就处于独立运行状态。 将f p g a 和主处理器集成在一起，使用f p g a 协处理的方式能够根据要求将 新的特定应用加速器下载到f p g a 中，从而协助完成高性能应用。这样不仅有助 于设备适应于未来的应用，也能减少执行不同任务时空闲的定制处理器的数量。 f p g a 在视频处理和无线连接方面的灵活性还能节约设备成本，增加系统的价值。 目前的基本架构需要a s s p 才能支持每个新的视频编解码或无线标准。用一个 f p g a 替代多个a s s p 可以减少汽车使用寿命期间必须配置和维护的次数。扩展车 载娱乐系统的基本架构，使其包含f p g a 就可以提供可编程的单一高端平台，从 而涵盖更宽范围的视频和无线标准和性能。这种方法同样适合高级汽车娱乐系统 架构使用。 车载信息系统的研究 2 4 2 系统硬件体系结构设计 通过上节分析，系统设计硬件体系结构如图2 3 所示： 图2 3 系统硬件结构图 f i g 2 3t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h es y s t e m ( 1 ) a r m 微控制器作为核心控制电路，作为硬件系统的中枢控制中心，主要用 于协调和管理系统中的其它硬件。核心控制电路具备丰富的接口电路以满足不同 子模块的不同接口要求。 ( 2 ) f p g a 协处理器。利用了f p g a 技术的灵活性和高集成度能力，能够实现 多个独立的目的。它可以负责完成车载信息系统中各子模块中算法要求高可编程 处理性能的功能。例如，对于各种音频视频流媒体等高速数字信号的处理，无线 通信，语音识别等。 f p g a 提供的高集成度具有在一个器件内包含多种总线、接口和时钟的优点， 从而使利用e m i 的设计容易管理。针对众多不同的车辆接口，这样的硬件结构可 允许对后端车辆接1 ：3 进行快速修改而不影响下层架构和系统性能。例如，在未来 将有可能调节f p g a 解决方案，使之能满足带有诸如m o s t 、i d b 1 3 9 4 或其它数 字车辆网络等汽车总线的最终应用的需求。 ( 3 ) f l a s h 和s d r a m 分别作为系统的硬盘和内存使用。用于f l a s h 存储系统软 第2 章车载信息系统总体方案设计 件映像和少量数据：s d r a m 作为共享内存，供a r m 和f p g a 共同使用。 ( 4 ) a s s p 是系统除了主处理器和协处理器外还可能用到的其它特定标准产品。 ( 5 ) 系统的语音，视频，无线通信