基于ARM和Qt/E的車載HMI終端的設計方案 - 全文

　　摘要：車載HMI是人與車輛之間的關鍵設備，使人能夠對車輛的運行實現(xiàn)控制；設計了一種觸摸控制與數字顯示合理結合的車載HMI終端，采用ARM 作為處理器，通過移植Qt/E對系統(tǒng)加以實現(xiàn)；該終端通過在Polo車CAN總線試驗臺測試，實現(xiàn)了對基本設備的觸摸控制和車輛狀態(tài)信息的實時顯示，表明所設計的終端能夠滿足車載HMI的基本要求。

　　0 引言

　　改善HMI （Human Machine Interface）終端性能可降低車輛控制系統(tǒng)操作的復雜性，也可提高駕駛員對自己車輛的控制力。車載HMI通過單一結構中控臺，可以減少零部件數量，提高性價比。傳統(tǒng)機械式的控制終端正在逐步向直觀、便捷的HMI終端發(fā)展。2009年6月29日，美國汽車多媒體與通信研究服務公司Strategy Analytics發(fā)布最新研究報告，認為“車載人機界面市場領先者保持強勢地位”。報告預測，2015年，車載語音和觸摸屏市場規(guī)模將達到29 億美元。目前，HMI設備，尤其是語音、觸覺控制和觸摸屏，在汽車市場上被大量應用。

　　本文報告了一種基于觸摸控制與數字顯示理念的車載HMI終端，通過在ARM 上移植Qt/E接TFT-LCD觸摸面板加以實現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)結構介紹

　　基于ARM 和Qt/E的車載HMI終端主要由兩個模塊組成，分別是ARM 處理器與觸摸顯示屏組成的HMI觸控平臺和CAN/RS232協(xié)議轉換器模塊。該終端可接入車載CAN網絡中實現(xiàn)車載設備的觸摸控制與狀態(tài)信息顯示。其結構框圖如圖1所示。

　　圖1 車載HMI終端結構

　　HMI觸控平臺主要是將Qt/E交叉編譯后移植到ARM 平臺，調用GUI在觸摸面板顯示。通過點擊觸控界面發(fā)送控制字，經CAN/RS232網關發(fā)送到CAN網絡中對各設備進行控制，同時實時采集各設備運行狀態(tài)參數并顯示，便于駕駛員及時了解車輛運行狀態(tài)。該平臺還預留了UART和USB端口分別可外接GPS模塊，無線上網卡或U 盤設備，實現(xiàn)導航、無線上網和多媒體播放功能。

　　CAN/RS232協(xié)議轉換模塊主要由MCU、CAN 接口與UART接口組成，其中CAN 接口采用CAN 控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250設計，RS232接口采用MAX232設計，以此實現(xiàn)兩種不同總線協(xié)議數據幀的透明轉換，是HMI終端與CAN網絡中各設備交互的紐帶。

　　車載CAN網絡模塊主要以Polo車CAN 試驗臺為平臺，試驗臺集成了車燈、電動車窗、雨刷和后視鏡CAN 節(jié)點模塊。

　　2 Qt/E在ARM 上的移植

　　Qt/E是Trolltech公司專為嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)的圖像用戶界面（GUI）工具包。提供了窗口操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、工作輔助應用程序和個性選項等，是基于C++ 可跨平臺的GUI應用程序框架；還提供給開發(fā)者建立藝術級GUI所需的功能，開發(fā)者可根據需求定制整個軟件解決方案。目前，眾多手機、PDA、機頂盒都采用Qt作為圖形引擎。因此，選擇了Qt/E作為HMI終端的開發(fā)工具。

　　2.1 交叉編譯環(huán)境的搭建

　　采用宿主機Fedora9.0作為開發(fā)平臺，移植ARM 版Qt/E4.7進行設計。因編譯Linux內核和Qt/E都需要交叉編譯工具鏈，交叉編譯器版本過高過低都會與Qt/E4.7不兼容，最終導致安裝失敗，所以一定要根據Qt的版本來選擇對應的編譯器。本系統(tǒng)采用arm-linux-gcc-4.5.1.安裝過程如下：

　　首先，解壓arm-linux-gcc-4.5.1安裝包，運行#tarxv*** arm-linux-gcc-4.5.1.tgz命令；然后將編譯器所在路徑加入系統(tǒng)環(huán)境變量，運行#gedit/root/.bashrc編輯該文件，修改最后一行為export PATH=PATH:/usrt/local/arm/4.5.1/binPATH，此時交叉編譯器已經安裝好；最后執(zhí)行#arm-linux-gcc-v顯示編譯器版本信息，驗證是否安裝成功。

　　2.2 Qt/E4.7的編譯與移植

　　減壓ARM 版Qt/E安裝包到指定目錄，然后進入該目錄執(zhí)行編譯配置源碼命令#echo yes | 。/configure -opensource-embedded arm –xplatform qws/linux-arm-g++-no-webkit-qt-libtiff-qt-libmng-qt-mouse-tslib-qt-mouse-pc-no-mouse-linuxtp-no-neon.其中編譯ARM 平臺的embedded版本配置參數為embedded arm，使用arm-linux交叉編譯器進行編譯為xplatform qws/linuxarm-g++，qt-mouse-tslib是使用tslib來驅動觸摸屏。然后執(zhí)行make命令進行編譯，當編譯完成之后執(zhí)行安裝命令make install.最后把安裝文件打包#tar cv*** qt4.7.tgz，下載到ARM 開發(fā)板，并解壓到指定目錄。至此Qt/E在ARM 開發(fā)板上移植完成。

　　安裝Linux環(huán)境下X86版Qt SDK軟件-Qt Creator2.0進行Qt程序開發(fā)，設置為支持Qt4.7ARM 的交叉編譯。最后將設計好的程序通過編譯，生產二進制文件下載到ARM 開發(fā)板運行，以此實現(xiàn)HMI界面顯示功能。

　　3 車載HMI終端的硬件設計

　　3.1 CAN/RS232協(xié)議轉換器的硬件設計

　　CAN/RS232協(xié)議轉換器主要有主控制器、CAN接口模塊與RS232接口模塊組成，其中主控制器采用STC89C52單片機負責處理CAN總線與RS232總線的數據接收與發(fā)送，實現(xiàn)兩種不同協(xié)議數據幀的透明轉換與傳輸。

　　CAN接口模塊采用Philips公司的CAN 控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250芯片組成，主要實現(xiàn)CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能。其中CAN控制器完成數據鏈路層功能，實現(xiàn)與主控制器的信息讀寫操作，物理層通過CAN收發(fā)器實現(xiàn)電平轉換和傳輸。SJA1000的AD0~AD7與單片機P0口連接，實現(xiàn)地址/數據復用；片選/CS與P2.7相連，則基地址為0x7F00;/RD、/WD、ALE引腳依次與單片機各引腳相連；中斷/INT接單片機/INT0，因此可通過中斷方式對SJA1000進行實時訪問。SJA1000的MODE 引腳用于選擇CAN控制器在Intel模式還是在Motorola模式工作。由于STC89C52屬于Intel系列微控制器，故MODE引腳接+5V高電平設置為Intel模式，以滿足89C52的讀寫時序要求。為了增強節(jié)點的抗干擾能力，以及避免當CAN收發(fā)器失效時出現(xiàn)過流導致CAN控制器擊穿，SJA1000的TX0和RX0引腳通過光耦N6137后與PCA82C250的TXD和RXD連接，以此實現(xiàn)總線上節(jié)點間電器隔離；收發(fā)器CAN_H 和CAN_L引腳通過5Ω電阻與CAN總線端口連接起到限流作用；同時兩端接120Ω終端匹配電阻。

　　RS232接口電路采用MAX232芯片，實現(xiàn)單片機串口TTL電平與RS232電平相互轉換，完成HMI終端UART口的信息傳輸。STC89C52串口端（P3.0和P3.1）與MAX232的T1IN和R1OUT連接，T1OUT與R1IN接九針串口，然后通過交叉線與HMI終端連接實現(xiàn)數據通信。

　　3.2 車載HMI觸控平臺的設計

　　HMI觸控平臺以ARM 為處理器，接7.0寸LCD觸摸屏來實現(xiàn)，可取代傳統(tǒng)的（如圖2A）機械按鍵與表盤顯示的中控平臺。HMI觸控平臺如圖2B所示，由車燈、車窗、后視鏡、多媒體、空調、導航以及狀態(tài)參數顯示菜單組成。將該終端嵌入到方向盤，駕駛員可點擊觸控菜單進入車燈、車窗等控制界面（如圖2C和D）實現(xiàn)車燈、車窗等設備的觸摸控制，也可實時采集與顯示設備狀態(tài)參數如：車速、故障碼等。其中，觸控與顯示數據需調用ARM 底層串口驅動來實現(xiàn)讀寫操作，觸控界面通過Button控件的信號與槽機制來實現(xiàn)數據的發(fā)送，狀態(tài)參數的采集與顯示通過事件驅動方式實現(xiàn)。終端可外接GPS模塊實現(xiàn)導航功能，設計了Qt媒體媒體播放器實現(xiàn)娛樂功能，也可接入無線網卡來實現(xiàn)無線上網功能。

　　圖2 車載HMI終端

　　4 車載HMI終端的軟件設計

　　4.1 CAN/RS232網關軟件設計

　　主程序中首先要完成初始化操作， 包括單片機、SJA1000、RS232通信以及中斷源的初始化。其中SJA1000的初始化是整個設計最重要的部分，也是保證CAN 通信的前提。考慮車輛內部網絡的兼容性，SJA1000配置為Peli模式，支持CAN2.0A和B規(guī)范，實現(xiàn)標準幀和擴展幀兩種報文傳輸。SJA1000初始化寄存器配置流程如圖3所示。

　　圖3 SJA1000初始化寄存器配置流程

　　為保證數據實時傳輸，采用中斷方式進行數據收發(fā)。

　　當CAN總線有數據接收時SJA1000會跳入接收中斷函數將數據接收并存儲到接收緩存，根據數據幀頭來判別數據類型和所帶數據長度，最后提取CAN 數據拆分為單字節(jié)通過串口發(fā)送，并在HMI終端顯示；當HMI終端有控制字發(fā)送，串口接收中斷函數將所發(fā)送的控制字依次接收存入接收緩存，并根據首字節(jié)來判別所發(fā)數據類型和長度，組裝成CAN數據幀格式發(fā)送到網絡中去，以此實現(xiàn)各節(jié)點的控制。具體流程如圖4所示。

　　圖4 數據接收與發(fā)送流程圖

　　4.2 車載HMI界面的設計

　　HMI界面采用Qt Creator2.0來設計，因為HMI終端是通過UART接口接入CAN網絡中，所以通信時需接上面所介紹的CAN/RS232協(xié)議轉換器來實現(xiàn)。同時，還需在Linux下編寫Qt串口通信程序。

　　首先，在Linux下利用open函數打開串口設備，用tcsetattr函數來設置串口屬性。打開驅動設備UART0進行讀寫操作：const char*devName= “ /dev/ttySAC0”;fd = ：：

　　open （devName，O_RDWR|O_NONBLOCK）；設置波特率等參數：serialAttr.c_cflag= B115200| HUPCL| CS8|CREAD|CLOCAL;serialAttr.c_cc［VMIN］=1;其中串口設備可使用Linux下I/O函數進行Read和Write操作。但是，在數據接收時當數據量過大會導致界面被阻塞（造成界面假死），于是創(chuàng)建了一個線程通過事件驅動實現(xiàn)數據接收。

　　Qt中可采用QSocketNotifier類來實現(xiàn)設備事件驅動的設計要求。QSocketNotifier類關聯(lián)Signal/Slot機制，當有數據可讀時會觸發(fā)Ativated信號，LCD Number控件Slot會被調用來連接到該信號并顯示，從而實現(xiàn)數據采集與顯示功能。在數據發(fā)送時，可通過Button控件Signal/Slot調用QObject對象的connect（）函數來實現(xiàn)［3］。當按鍵被按下時觸發(fā)Signal信號，Slot會調用pressed （）函數將定義好的數據通過串口Write函數發(fā)送到總線上。函數實現(xiàn)如下：

　　void Glass：：on_lu_pressed（）{char msg［］= {160，34，16，0};//定義所發(fā)送數據myserial-》myCom-》write（msg，4）；//寫發(fā)送數據}

　　通過QPainter類進行對窗體界面和按鍵圖像界面進行設計，達到美觀的人機界面。最后將設計好的程序通過交叉編譯，生產二進制文件移植到ARM 中，然后在文件系統(tǒng)中調用執(zhí)行，最終在LCD觸摸屏上顯示，如圖2所示。

　　5 系統(tǒng)集成與測試

　　首先將設計好的HMI終端通過交叉串口線與PC機連接，進行相互通信，測試是否能夠進行數據收發(fā)，測試成功后通過CAN/RS232網關接入Polo車CAN試驗臺進行綜合測試。試驗臺設備節(jié)點可通過觸摸方式控制，同時可實時采集與顯示運行狀態(tài)信息，經過多次實驗測試，運行穩(wěn)定可靠，達到了設計要求。

　　6 結束語

　　本文所設計的車載HMI終端集車身控制、儀表顯示、導航、多媒體和無線上網為一體，簡化了車載中控平臺，降低了車輛控制系統(tǒng)操作的復雜性。經實驗測試實現(xiàn)了車身設備的觸摸控制，能夠對各設備運行狀態(tài)信息進行采集與顯示。為車載HMI開發(fā)提供了一種可行的設計思路與性價比更合理的解決方案。